鲁科版 (2019)选择性必修 第一册第4节 光导纤维及其应用课后测评

第4节　光导纤维及其应用

基础过关练

题组一　光导纤维的构造、原理

1.光导纤维的结构如图,其内芯和外套材料不同,光在内芯中传播。以下关于光导纤维的说法正确的是              (　　)

A.内芯的折射率比外套大,光传播时在内芯与外套的界面上发生全反射

B.内芯的折射率比外套小,光传播时在内芯与外套的界面上发生全反射

C.内芯的折射率比外套小,光传播时在内芯与外套的界面上发生折射

D.内芯的折射率与外套的相同,外套的材料有韧性,可以起保护作用

2.关于光纤的说法,正确的是 (　　)

A.光纤是由高级金属制成的,所以它比普通电线容量大

B.光纤是非常细的特制玻璃丝,但导电性能特别好,所以它比普通电线衰减小

C.光纤是非常细的特制玻璃丝,由内芯和外套两层组成,光纤是利用全反射原理来实现光的传导的

D.在实际应用中,光纤必须呈笔直状态,因为弯曲的光纤是不能传导光的

3.(多选)下列关于光导纤维的说法中正确的有 (　　)

A.光导纤维利用了全反射原理

B.光导纤维内芯的折射率大于外套的折射率

C.光导纤维内芯的折射率小于外套的折射率

D.医学上用光导纤维制成内窥镜,用来检查人体胃、肠等内脏器官的内部

4.(多选)光纤通信采用的光导纤维是由内芯和外套组成,如图所示,其中内芯的折射率为n1,外套的折射率为n2,下列说法正确的是              (　　)

A.内芯和外套的折射率应满足n1>n2

B.内芯和外套的折射率应满足n1<n2

C.从左端面入射的光线,其入射角θ必须大于某值,全部光才能被传导

D.从左端面入射的光线,其入射角θ必须小于某值,全部光才能被传导

题组二　光导纤维的实际应用分析

5.(2020山东普通高中学业水平考试模拟)目前,移动和电信公司都升级了200 M光纤入户,网速更快,使用更方便。光纤信号传输利用了光的全反射原理,下面是某种单色光在某种介质中的传播路径,经过多次全反射后从右端射出。若该介质的折射率为,则关于α、β的大小,下列判断正确的是              (　　)

A.α<60°　　　B.α<30°

C.β>30°　　　D.β<30°

6.(2020安徽阜阳三中高二上月考,)(多选)在光纤制造过程中,由于拉伸速度不均匀,会使得拉出的光纤不是均匀的圆柱体,而呈现圆台形状(如图所示)。已知此光纤长度为L,圆台对应底角为θ,折射率为n,真空中的光速为c。现光从下方垂直射入下台面,则              (　　)

A.光从真空射入光纤,光的频率不变

B.光通过此光纤到达小截面的最短时间为

C.从上方截面射出的光束一定是平行光

D.若满足 sin θ>,则光在第一次到达光纤侧面时不会从光纤侧面射出

7.如图所示,一根长为l=5.0 m的光导纤维用折射率n=的材料制成。一束激光由其左端的中心点以45°的入射角射入光导纤维内,经过一系列全反射后从右端射出,求:(c=3×108 m/s)

(1)该激光在光导纤维中的速度v是多大。

(2)该激光在光导纤维中传输所经历的时间是多少。

答案全解全析

第4节　光导纤维及其应用

基础过关练

1.A　发生全反射的条件是光由光密介质射入光疏介质,所以内芯的折射率大,且光传播时在内芯与外套的界面上发生全反射。故选A。

2.C　光导纤维的作用是传导光,它是直径为几微米到几十微米之间的特制玻璃丝,且由内芯和外套两层组成,内芯的折射率比外套的大。当载有声音、图像等信号的激光在光导纤维内传播时,在内芯和外套的界面上发生全反射。光纤具有容量大、衰减小、抗干扰性强等特点。在实际应用中,光纤是可以弯曲的,故选C。

3.ABD　光导纤维利用了全反射原理,选项A正确;光导纤维内芯的折射率大于外套的折射率,当光线从内芯射入外套时会发生全反射,选项B正确,C错误;医学上用光导纤维制成内窥镜,用来检查人体胃、肠等器官的内部,选项D正确。

4.AD　光纤通信是利用光的全反射原理来工作的,光只有从光密介质进入光疏介质中时,才能发生全反射,因而内芯和外套的折射率应满足n1>n2。从题图中看由左端面入射的光线,其入射角越小,进入介质后,在内芯与外套的界面上入射角越大,越易发生全反射,故A、D对。

5.C　设光在介质中向外折射时发生全反射的临界角为C,根据全反射的条件可知α≥C,而sin C==,解得C=60°,故α≥60°,选项A、B错误;光线从右端能射出,则有=n,其中i<90°,解得β>30°,选项C正确,D错误。

6.AD　光的频率由光源决定,与介质无关,所以光从真空射入光纤,光的频率不变,A正确。光通过此光纤到达小截面的最短距离为L,光在光纤中的传播速度v=,则光通过此光纤到达小截面的最短时间为t==,故B错误。通过光纤侧面全反射后再从上方截面射出的光束与垂直射出上方截面的光束不平行,C错误。设光纤的临界角为C,则 sin C=;光第一次到达光纤侧面的入射角为θ,当sin θ>时有θ>C,则光在第一次到达光纤侧面时发生全反射,不会从光纤侧面射出,D正确。

7.答案　(1)2.1×108 m/s　(2)2.7×10-8 s

解析　(1)由n=可得v≈2.1×108 m/s。

(2)由n=可得光线从左端面射入后的折射角为30°,射到侧面时的入射角为60°,大于临界角45°,因此发生全反射。同理光线每次在侧面都将发生全反射,直到光线到达右端面。由几何关系可以求出光线在光导纤维中通过的总路程s=,因此该激光在光导纤维中传输所经历的时间t=≈2.7×10-8 s。