2024-2025學(xué)年新教材高中物理第4章光的折射和全反射4光導(dǎo)纖維及其應(yīng)用練習(xí)含解析魯科版選擇性必修1

PAGE8-光導(dǎo)纖維及其應(yīng)用(25分鐘·70分)一、選擇題(本題共6小題,每題6分,共36分)1.光纖通信的優(yōu)點(diǎn)是容量大、衰減小、抗干擾性強(qiáng),光導(dǎo)纖維由內(nèi)芯和外套兩層介質(zhì)組成。下列說(shuō)法正確的是 ()A.光纖通信依據(jù)的原理是光的折射B.內(nèi)芯和外套的折射率相同C.內(nèi)芯比外套的折射率大D.外套比內(nèi)芯的折射率大【解析】選C。光纖通信依據(jù)的原理是光的全反射。故A錯(cuò)誤;為了使光在光纖內(nèi)以全反射的方式傳播,內(nèi)芯的折射率應(yīng)當(dāng)比外套大,故C正確,B、D錯(cuò)誤。故選C。2.(多選)關(guān)于光的全反射和光纖的應(yīng)用,下列說(shuō)法正確的是 ()A.光由不同介質(zhì)射入真空或空氣時(shí)臨界角不同B.入射角大于臨界角,不肯定發(fā)生全反射C.玻璃是光密介質(zhì)D.光導(dǎo)纖維的工作原理是光的全反射【解析】選A、B、D。不同介質(zhì)的折射率不同,所以光由不同的介質(zhì)射入真空或空氣時(shí)臨界角不同,故選項(xiàng)A符合題意;入射角大于臨界角,不肯定發(fā)生全反射,還要光從光密介質(zhì)進(jìn)入光疏介質(zhì)才能發(fā)生全反射,故選項(xiàng)B符合題意;光疏介質(zhì)、光密介質(zhì)是相對(duì)的,只有一種介質(zhì)不能說(shuō)是光疏介質(zhì)還是光密介質(zhì),故選項(xiàng)C不符合題意;光導(dǎo)纖維的工作原理是光的全反射,故選項(xiàng)D符合題意。3.光導(dǎo)纖維是利用光的全反射來(lái)傳輸光信號(hào)的。如圖所示,一光導(dǎo)纖維內(nèi)芯折射率為n1,外層折射率為n2,一束光信號(hào)與界面夾角α由內(nèi)芯射向外層,要在界面發(fā)生全反射,必需滿(mǎn)意的條件是 ()A.n1>n2,α小于某一值B.n1<n2,α大于某一值C.n1>n2,α大于某一值D.n1<n2,α小于某一值【解析】選A。光在內(nèi)芯和外層的界面上發(fā)生全反射,則內(nèi)芯的折射率n1大于外層的折射率n2,由于入射角要大于等于臨界角,所以α應(yīng)小于某一值。故A正確,B、C、D錯(cuò)誤。故選A。4.光導(dǎo)纖維的結(jié)構(gòu)如圖所示,其內(nèi)芯和外套材料不同,光在內(nèi)芯中傳播。以下關(guān)于光導(dǎo)纖維的說(shuō)法正確的是 ()A.內(nèi)芯的折射率比外套大,光傳播時(shí)在內(nèi)芯與外套的界面發(fā)生全反射B.內(nèi)芯的折射率比外套小,光傳播時(shí)在內(nèi)芯與外套的界面發(fā)生全反射C.內(nèi)芯的折射率比外套小,光傳播時(shí)在內(nèi)芯與外套的界面發(fā)生折射D.內(nèi)芯的折射率與外套相同,外套的材料有韌性,可以起愛(ài)護(hù)作用【解析】選A。發(fā)生全反射的條件是光由光密介質(zhì)射入光疏介質(zhì),所以?xún)?nèi)芯的折射率大。且光傳播時(shí)在內(nèi)芯與外套的界面上發(fā)生全反射。故選A。5.(多選)下列現(xiàn)象或工作原理是由全反射造成的有 ()A.自行車(chē)的尾燈B.水中的氣泡顯得特別光明C.光纖通信D.插入水中的筷子看起來(lái)向上折了【解析】選A、B、C。夜間騎自行車(chē)時(shí),從后面開(kāi)來(lái)的汽車(chē)發(fā)出的強(qiáng)光照到自行車(chē)尾燈后,會(huì)有較強(qiáng)的光被反射回去而引起司機(jī)的留意,這是利用了棱鏡全反射的原理,故A正確;光從水或玻璃射到氣泡中時(shí),由于一部分射到氣泡界面上的光發(fā)生了全反射,所以氣泡看起來(lái)特殊光明,故B正確;光導(dǎo)纖維束內(nèi)傳送圖像,是利用光的全反射原理,故C正確;水中的筷子看起來(lái)向上折了,是由于發(fā)生了光的折射,故D錯(cuò)誤。故選A、B、C。6.(多選)光纖通信是一種現(xiàn)代通信手段,它可以供應(yīng)大容量、高速度、高質(zhì)量的通信服務(wù)。目前我國(guó)正在大力建設(shè)高質(zhì)量的寬帶光纖通信網(wǎng)絡(luò)。下列說(shuō)法正確的是 ()A.光纖通信利用光作為載體來(lái)傳遞信息B.光纖通信利用了光的衍射現(xiàn)象C.光纖通信利用了光的全反射現(xiàn)象D.目前廣泛運(yùn)用的光導(dǎo)纖維是一種特別細(xì)的特制玻璃絲【解析】選A、C、D。光導(dǎo)纖維是一種特別細(xì)的特制玻璃絲,當(dāng)光射入時(shí)滿(mǎn)意光的全反射條件,從而發(fā)生全反射,最終實(shí)現(xiàn)傳遞信息的目的。目前廣泛運(yùn)用的光導(dǎo)纖維是一種特別細(xì)的特制玻璃絲,A、C、D正確。二、計(jì)算題(本題共2小題,共34分。要有必要的文字說(shuō)明和解題步驟,有數(shù)值計(jì)算的要標(biāo)明單位)7.(16分)如圖所示,一條長(zhǎng)度為L(zhǎng)=5.0m的光導(dǎo)纖維用折射率為n=的材料制成。一細(xì)束激光由其左端的中心點(diǎn)以α=45°的入射角射入光導(dǎo)纖維內(nèi),經(jīng)過(guò)一系列全反射后從右端射出。求:(1)該激光在光導(dǎo)纖維中的速度v是多大。(2)該激光在光導(dǎo)纖維中傳輸所經(jīng)驗(yàn)的時(shí)間是多少?！窘馕觥咳鐖D所示,光導(dǎo)纖維用折射率為n=的材料制成,激光由其左端的中心點(diǎn)以α=45°的入射角射入,由折射定律,則有:=n,解得:θ2=30°,所以θC=60°而由:sinθ=,得:θ=45°,才能發(fā)生光的全反射現(xiàn)象,由于=cosθ2=,而激光在光導(dǎo)纖維中傳播的速度為:v==m/s=×108m/s,則激光沿著軸線(xiàn)的方向的速度為v′=vcosθ2=×108×m/s=×108m/s。由以上分析可得,激光從A點(diǎn)射入到從B點(diǎn)射出所經(jīng)驗(yàn)的時(shí)間為:t==s=×10-7s。答案:(1)×108m/s(2)×10-7s8.(18分)截面為扇形AOC的玻璃磚放在水平面上,B是圓弧的最低點(diǎn),也是AC弧面的中點(diǎn),圓弧半徑為R,D是OA邊上一點(diǎn),OD=R,E是OA邊的中點(diǎn)。圓弧所對(duì)圓心角為120°,一束光線(xiàn)從D點(diǎn)在紙面內(nèi)垂直O(jiān)A邊射入玻璃磚,結(jié)果光線(xiàn)在圓弧面上剛好發(fā)生全反射,求:(1)玻璃磚對(duì)光的折射率;(2)若讓光從E點(diǎn)入射,入射方向不變,則光線(xiàn)在圓弧面上折射,偏向角為多少?【解析】(1)當(dāng)光線(xiàn)從D點(diǎn)在紙面內(nèi)垂直O(jiān)A邊射入玻璃磚時(shí),設(shè)光線(xiàn)在圓弧面上的入射點(diǎn)為F由幾何關(guān)系則有:cos∠DOF==解得∠DOF=45°依據(jù)幾何關(guān)系,則有:∠DFO=45°臨界角:C=45°因此折射率:n==(2)若光線(xiàn)從E點(diǎn)入射,依據(jù)幾何關(guān)系,由于光線(xiàn)垂直于OA,OE=R,∠AOB=60°,由幾何關(guān)系可知,光線(xiàn)剛好從B點(diǎn)出射由幾何關(guān)系,入射角θ=30°,由折射率公式則有:n=解得:α=45°因此光線(xiàn)在圓弧面上折射,光線(xiàn)的偏向角為:α-θ=15°答案:(1)(2)15°(15分鐘·30分)9.(6分)(多選)在光纖制造過(guò)程中,由于拉伸速度不勻稱(chēng),會(huì)使得拉出的光纖偏離勻稱(chēng)的圓柱體,而呈現(xiàn)圓臺(tái)形態(tài)(如圖所示)。已知此光纖長(zhǎng)度為L(zhǎng),圓臺(tái)對(duì)應(yīng)底角為θ,折射率為n,真空中光速為c?，F(xiàn)光從下方垂直射入下臺(tái)面,則 ()A.光從真空射入光纖,光子的頻率不變B.光通過(guò)此光纖到達(dá)小截面的最短時(shí)間為C.從上方截面射出的光束肯定是平行光D.若滿(mǎn)意sinθ>,則光在第一次到達(dá)光纖側(cè)面時(shí)不會(huì)從光纖側(cè)面射出【解析】選A、D。光子的頻率由光源確定,與介質(zhì)無(wú)關(guān),所以光從真空射入光纖,光子的頻率不變,故A正確;光通過(guò)此光纖到達(dá)小截面的最短距離為L(zhǎng),光在光纖中的傳播速度v=,則光通過(guò)此光纖到達(dá)小截面的最短時(shí)間為t==,故B錯(cuò)誤;通過(guò)光纖側(cè)面全反射后再?gòu)纳戏浇孛嫔涑龅墓馐c垂直射出上方截面的光束不平行,故C錯(cuò)誤;設(shè)臨界角為C,則sinC=,到達(dá)光纖側(cè)面光線(xiàn)入射角等于θ,當(dāng)θ>C時(shí),即有sinθ>,則光在第一次到達(dá)光纖側(cè)面時(shí)發(fā)生全反射,不會(huì)從光纖側(cè)面射出,故D正確。故選A、D。10.(6分)(多選)下列說(shuō)法正確的是 ()A.在水中的魚(yú)斜向上看岸邊的物體時(shí),看到的物體將比物體所處的實(shí)際位置高B.沙漠蜃景和空中樓閣主要是光的全反射現(xiàn)象C.水中的氣泡看起來(lái)特殊光明是因?yàn)楣鈴臍馀萆湎蛩袝r(shí),一部分光在界面上發(fā)生了全反射D.光纖通信是一種現(xiàn)代通信手段,光纖內(nèi)芯的折射率比外殼的大【解析】選A、B、D。岸邊物體的光斜射到水面上,會(huì)發(fā)生折射現(xiàn)象,當(dāng)光進(jìn)入水中后靠近法線(xiàn),射入魚(yú)的眼睛,而魚(yú)眼由于錯(cuò)覺(jué),認(rèn)為光始終沿直線(xiàn)傳播,是從逆著光的方向看上去而形成的虛像,所以比實(shí)際位置高,故A正確。水中的氣泡,看起來(lái)特殊光明,是因?yàn)楣饩€(xiàn)從水射入氣泡發(fā)生全反射,故C錯(cuò)誤;發(fā)生全反射的條件是光從光密介質(zhì)進(jìn)入光疏介質(zhì),則光纖的內(nèi)芯折射率大于外殼的折射率,故D正確;空中樓閣、沙漠蜃景都是由于光的折射和全反射而產(chǎn)生的,故B正確。故選A、B、D。11.(6分)如圖為“水流導(dǎo)光”試驗(yàn)裝置,長(zhǎng)直開(kāi)口透亮塑料瓶?jī)?nèi)裝有適量清水,在其底側(cè)開(kāi)一小孔,水從小孔流出形成彎曲不散開(kāi)的水流,用細(xì)激光束透過(guò)塑料瓶水平射向該小孔,視察到激光束沒(méi)有完全被限制在水流內(nèi)傳播,下列操作有助于激光束完全被限制在水流內(nèi)傳播的是 ()A.增大該激光的強(qiáng)度B.向瓶?jī)?nèi)再加適量清水C.改用頻率更低的激光D.改用折射率更小的液體【解析】選B。增大該激光的強(qiáng)度,激光的臨界角不變,現(xiàn)象不會(huì)變更,故A錯(cuò)誤;向瓶?jī)?nèi)再加一些清水,則從孔中射出的水流速度會(huì)變大,水流軌跡會(huì)變得平直,激光在水和空氣界面處的入射角會(huì)變大,則有大部分光會(huì)在界面處發(fā)生全反射,這種現(xiàn)象相當(dāng)于光導(dǎo)纖維的導(dǎo)光現(xiàn)象,故B正確;水從小孔流出形成彎曲的水流,激光沒(méi)有完全被限制在水流內(nèi),是因?yàn)楣鈴乃湎蚩諝獾娜肷浣切∮谂R界角,出現(xiàn)折射現(xiàn)象,當(dāng)換用頻率更低的激光,臨界角變大,更不簡(jiǎn)單發(fā)生全反射,將有更多激光不能被限制在水流內(nèi)傳播,故C錯(cuò)誤;水從小孔流出形成彎曲的水流,激光沒(méi)有完全被限制在水流內(nèi),是因?yàn)楣鈴乃湎蚩諝獾娜肷浣切∮谂R界角,出現(xiàn)折射現(xiàn)象,改用折射率更小的液體時(shí),臨界角變大,更不簡(jiǎn)單發(fā)生全反射,將有更多激光不能被限制在水流內(nèi)傳播,故D錯(cuò)誤。故選B。12.(12分)如圖所示,橫截面為半圓形的某種透亮柱體介質(zhì),截面ABC的半徑R=10cm,直徑AB與水平屏幕MN垂直并與A點(diǎn)接觸。由紅光和紫光兩種單色光組成的復(fù)色光沿半徑方向射向圓心O,已知該介質(zhì)對(duì)紅光和紫光的折射率分別為n1=,n2=。(1)求紅光和紫光在介質(zhì)中傳播的速度比;(2)若漸漸增大復(fù)色光在O點(diǎn)的入射角,使AB