2017-2018學年物理 1.2 全反射 光導纖維同步練習 新人教版選修2-3.doc

1.2　全反射光導纖維同步練習 一、單選題 1. 下列說法中正確的是(　　) A. 分別用藍光和紅光在同一裝置上做雙縫干涉實驗，藍光的條紋間距寬 B. 光纖通信利用了全反射的原理 C. 肥皂泡呈現(xiàn)彩色條紋是由光的折射現(xiàn)象造成的 D. 動車組高速行駛時，在地面上測得車廂的長明顯變短 【答案】B 【解析】解：A、雙縫干涉實驗中條紋間距與波長成正比，由于紅色光的波長比藍色光的波長大，所以相鄰紅光干涉條紋間距大于相鄰紫光干涉條紋間距，故A錯誤； B、光纖通信利用了全反射的原理，故B錯誤； C、肥皂泡呈現(xiàn)彩色是光在前后膜的反射光疊加產生的干涉形成的，故C錯誤； D、根據狹義相對論可知，當列車的；速度接近光速時，沿著速度方向長度才明顯變短.故D錯誤； 故選：B 2. 兩種單色光由玻璃射向空氣時發(fā)生了全反射，臨界角分別為θ1、θ2，且θ1>θ2.n1、n2分別表示玻璃對這兩種單色光的折射率，v1、v2分別表示這兩種單色光在玻璃中的傳播速度，則(　　) A. n1<n2，v1<v2 B. n1<n2，v1>v2 C. n1>n2，v1<v2 D. n1>n2，v1>v2 【答案】B 【解析】解：根據光的全反射，臨界角與折射率的關系，sinθ=1n， 則有n=1sinθ． 因θ1>θ2，故n1<n2； 又v=cn，n1<n2， 所以v1>v2.只有B正確，ACD錯誤． 故選B 3. 如圖所示，?細束光經玻璃三棱鏡折射后分解為互相分離的a、b、c三束單色光.比較a、b、c三束光，可知(　　) A. 若它們都能使某種金屬產生光電效應，c光照射出光電子的最大初動能最大 B. 當它們在真空中傳播時，a光的速度最大 C. 分別用這三種光做光源，使用同樣的裝置進行雙縫干涉實驗，a光的干涉條紋中相鄰亮紋的間距最小 D. 若它們都從玻璃射向空氣，c光發(fā)生全反射的臨界角最大 【答案】A 【解析】解：A、由圖看出，c光的偏折程度最大，則c光的折射率最大，其頻率最大，根據光電效應方程知EKm=hv?W0，則c光照射出的光電子最大初動能最大.故A正確． B、在真空中各種色光傳播的速度相等.故B錯誤． C、a光的折射率最小，波長最長，而干涉條紋的間距與波長成正比，則使用同樣的裝置進行雙縫干涉實驗，a光的干涉條紋中相鄰亮紋的間距最大.故C錯誤． D、根據臨界角公式sinC=1n，知c光的臨界角最小.故D錯誤． 故選A． 4. 潛水員在水深為h的地方向水面張望，發(fā)現(xiàn)自己頭頂上有一圓形亮斑，如果水對空氣的臨界角為C，則此圓形亮斑的直徑是(　　) A. 2htanC B. 2hsinC C. 2htanC D. 2hsinC 【答案】A 【解析】解：在圓形亮斑邊緣從空氣射入水中的光線，折射角的大小等于臨界角C，如圖所示，由幾何知識可知： 此圓形亮斑的直徑是d=2r=2htanC 故選：A． 5. 如圖為某攝影師用相機抓拍到的某旅游景區(qū)的照片，對該照片和攝影師拍攝過程中涉及的光學知識，下列理解正確的是(　　) A. 圖中的景物在水中的像不是實際光線會聚而成的 B. 由于景物發(fā)出的光在平靜的湖面上發(fā)生全反射，所以景物在水中的像看起來很亮 C. 從相機中看不見湖面下物體的原因，可能是湖面下物體發(fā)出的光在湖面發(fā)生了全反射 D. 如果攝影師向湖面靠近，從相機中仍不能看到湖面下的物體 E. 如果攝影師遠離湖面，從相機中一定看不到湖面下的物體 【答案】A 【解析】解：A、圖中的景物在水中的像是反射光線反向延長線相交形成的虛像，不是實際光線會聚而成的，故A正確。 B、發(fā)生全反射的必要條件是光從光密介質射入光疏介質，可知，景物發(fā)出的光在平靜的湖面上不能發(fā)生全反射，而發(fā)生了反射，所以景物在水中的像看起來很亮，故B錯誤。 C、從相機中看不見湖面下物體的原因，不是由于湖面下物體發(fā)出的光在湖面發(fā)生了全反射，而光線在湖面上發(fā)生了反射，故C錯誤。 D、如果攝影師向湖面靠近，根據反射定律知，反射光線可能射不到相機中，則從相機中可能看到湖面下的物體，故D錯誤。 E、如果攝影師遠離湖面，根據反射定律知，反射光線可能射不到相機中，則從相機中能看到湖面下的物體。故E錯誤。 故選：A。 6. 1966年華裔科學家高錕博士提出一個理論：直徑僅幾微米的玻璃纖維就可以用來做為光的波導來傳輸大量信息，43年后高錕因此獲得2009年諾貝爾物理學獎，他被譽為“光纖通訊之父”.以下哪個實驗或現(xiàn)象的原理和光導纖維是相同的(　　) A. 圖甲中，彎曲的水流可以導光 B. 圖乙中，用偏振眼鏡看3D電影，感受到立體的影像 C. 圖丙中，陽光下的肥皂薄膜呈現(xiàn)彩色 D. 圖丁中，白光通過三棱鏡，出現(xiàn)色散現(xiàn)象 【答案】A 【解析】解：A、圖甲中，彎曲的水流可以導光是因為光在水和空氣界面上發(fā)生了全反射現(xiàn)象，故與光導纖維原理相同，故A正確； B、圖乙中，用偏振眼鏡看3D電影，感受到立體的影像是因為光的偏振現(xiàn)象，故B錯誤； C、圖丙中，陽光下的肥皂薄膜呈現(xiàn)彩色是因為光的干涉現(xiàn)象，故C錯誤； D、圖丁中，白光通過三棱鏡，出現(xiàn)色散現(xiàn)象是因為光發(fā)生了折射現(xiàn)象，故D錯誤． 故選：A． 明確各項中給出的光學現(xiàn)象，知道光導纖維進行光學通信所依據的物理原理是光的全反射． 本題考查光的全反射的運用，知道全反射的條件是光從光密介質進入光疏介質，入射角大于等于臨界角.要明確光導纖維的原理和應用． 7. 用a、b兩束單色光分別照射同一雙縫干涉裝置，在距雙縫恒定距離的屏上得到如圖示的干涉圖樣，其中甲圖是a光照射時形成的，乙圖是b光照射時形成的.則關于a、b兩束單色光，下述正確的是(　　) A. a光光子的能量較大 B. 在水中a光傳播的速度較大 C. 若用a光照射某金屬時不能打出光電子，則用b光照射該金屬時一定打不出光電子 D. 若將a、b兩種色光以相同的入射角從水中射向空氣，b光剛好發(fā)生全反射，則a光一定發(fā)生了全反射 【答案】B 【解析】解：A、根據雙縫干涉相鄰條紋間距公式△x=Ldλ可得在其它條件不變的情況下，相干光的波長越大，條紋間距越大，由題圖可知a光的波長大于b光的波長； 根據光在真空中的傳播速度C=λγ，故a光的頻率小于b光的頻率，而光子的能量E=hγ，即頻率越大光子的能量越大，故a光光子的能量較小，故A錯誤． B、由于對于同一種介質，頻率越小，折射率越小，故a光的折射率小于b光的折射率，根據n=CV可知a光在水中的傳播速度較大，故B正確． C、每種金屬都具有極限頻率，只有入射光的頻率大于金屬的極限頻率時才能發(fā)生光電效應，用a光照射某金屬時不能打出光電子說明a光的頻率小于金屬的極限頻率，但不能確定b光的頻率是否大于金屬的極限頻率，故D錯誤． 故選B． 二、多選題 8. 黃、紅、綠三種單色光以相同的入射角到達介質和空氣的界面.若黃光恰好發(fā)生全反射，則(　　) A. 紅光一定能發(fā)生全反射 B. 綠光一定能發(fā)生全反射 C. 紅光在介質中的波長比它在空氣中的波長短 D. 三種單色光相比，綠光在該介質中傳播的速率最大 【答案】ABC 【解析】解：A、根據折射定律可知折射率最大的是綠光，最小的是紅光，由臨界角公式sinC=1n，臨界角最小的是綠光，最大的是紅光，由于黃光恰好發(fā)生全反射，所以入射角大于紅光和綠光的臨界角，因此紅光和綠光一定發(fā)生光的全反射，故AB正確． C、由v=λγ與v=Cn可得，同種光，介質折射率越大的，波長越小，所以紅光在介質中的波長比它在空氣中的波長短，故C正確． D、由v=Cn可知，折射率越大的傳播速度越小，所以綠光在介質中的傳播速率最小，故D錯誤． 故選：ABC． 9. 如圖所示，a，b為兩束不同頻率的單色光，以45°的入射角射到玻璃磚的上表面，直線與玻璃磚垂直且與其上表面交于N點，入射點A、B到N點的距離相等.經玻璃磚上表面折射后兩束光相交于圖中的P點，則下列說法正確的是() A. a光在玻璃磚中的折射率大于b光在玻璃磚中的折射率 B. 在玻璃中，a光的傳播速度大于b光的傳播速度 C. 增大入射角(入射角始終小于90°)，則a光在玻璃磚的下表面先發(fā)生全反射 D. 對同一雙縫干涉裝置，a光的干涉條紋比b光的干涉條紋間距大 【答案】BD 【解析】【分析】 由圖看出折射角的大小關系，由折射定律判斷折射率的大小，由v=cn分析光在玻璃中速度關系.根據光路可逆性原理分析光線能否在下表面發(fā)生全反射.折射率越小，波長越長，由公式?x=Ldλ分析干涉條紋的寬度大小。 根據光路圖正確判斷光的折射率大小，然后根據折射率、波長、頻率、光速等之間的關系進行求解，這些知識點是對學生的基本要求，平時要加強練習。 【解答】 A.根據題圖，在入射角相同的情況下，b光的折射角小，b光的折射率大，故A錯誤； B.根據v=cn，b光折射率大，所以在玻璃中的傳播速度小于a光，故B正確； C.玻璃的兩個表面平行，無論怎么改變入射角，根據光路可逆性知，兩束光都不會發(fā)生全反射，故C錯誤； D.a光的折射率小，波長長，根據?x=Ldλ，可得a光條紋間距寬，故D正確。 故選BD。 10. 在光纖制造過程中，由于拉伸速度不均勻，會使得拉出的光纖偏離均勻的圓柱體，而呈現(xiàn)圓臺形狀(如圖所示)。已知此光纖長度為L，圓臺對應底角為θ，折射率為n，真空中光速為c。現(xiàn)光從下方垂直射入下臺面，則(　　) A. 光從真空射入光纖，光子的頻率不變 B. 光通過此光纖到達小截面的最短時間為Lc C. 從上方截面射出的光束一定是平行光 D. 若滿足sinθ>1n，則光在第一次到達光纖側面時不會從光纖側面射出 【答案】AD 【解析】解：A、光子的頻率由光源決定，與介質無關，所以光從真空射入光纖，光子的頻率不變。故A正確。 B、光通過此光纖到達小截面的最短距離為L，光在光纖中的傳播速度v=cn，則光通過此光纖到達小截面的最短時間為t=Lv=nLc，故B錯誤。 C、通過光纖側面全反射后再從上方截面射出的光束與垂直射出上方截面的光束不平行，故C錯誤。 D、設臨界角為C，則sinC=1n.到達光纖側面光線入射角等于θ，當θ>C，即有sinθ>1n，則光在第一次到達光纖側面時發(fā)生全反射，不會從光纖側面射出，故D正確。 故選：AD。 11. 用同一光電管研究a、b兩種單色光產生的光電效應，得到光電流I與光電管兩極間所加電壓U的關系如圖.則這兩種光(　　) A. 照射該光電管時a光使其逸出的光電子最大初動能大 B. 從同種玻璃射入空氣發(fā)生全反射時，a光的臨界角大 C. 通過同一裝置發(fā)生雙縫干涉，a光的相鄰條紋間距大 D. 通過同一玻璃三棱鏡時，a光的偏折程度大 【答案】BC 【解析】解：A、由光電效應方程12mvm2=hν?W0，由題圖可得b光照射光電管時使其逸出的光電子最大初動能大，b光的頻率大，波長小，故A錯誤； B、b光的頻率大，在玻璃中的折射率nb大，由C=arcsin1n可知：從同種玻璃射入空氣發(fā)生全反射時，b光的臨界角小，a光大，故B正確； C、發(fā)生雙縫干涉時，△x=dLλ，b光波長小，相鄰條紋間距b光小，a光大，故C正確； D、在玻璃中的折射率nb>na，b光的偏折程度大，故D錯誤． 故選BC． 12. 下述現(xiàn)象哪些是由于全反射造成的(　　) A. 露水珠或噴泉的水珠，在陽光照耀下格外明亮 B. 烈日下飛機看起來有時特別刺眼 C. 用光導纖維傳輸光信號、圖象信號 D. 在盛水玻璃杯中放一空試管，用燈光照亮玻璃杯側面，在水面上觀察水中的試管，看到試管壁特別明亮 【答案】ACD 【解析】解：A、露水珠或噴泉的水珠，在陽光照耀下在部分位置發(fā)生全反射，所以格外明亮，故A正確； B、飛機在陽光下作特技飛行時，有時會看到飛機變得非常明亮，是由于光的反射形成的.故B錯誤； C、由于光導纖維能全反射，故用來傳輸光信號、圖象信號.故C正確； D、盛水的玻璃杯中放一空試管，用燈光照亮玻璃杯側面，在水面上觀察水中的試管，看到試管壁特別明亮，是由于發(fā)生了全反射.故D正確； 故選：ACD． 三、計算題 13. 如圖所示為一直角三棱鏡的截面，∠B=90°，∠A=60°，現(xiàn)有一束單色光垂直照射到AC面上，從O點進入，經AB面反射，在BC面上折射光線與入射光線的偏向角為30°． ①求棱鏡對光的折射率； ②試證明光在AB面上會發(fā)生全反射． 【答案】解：①光經AB面反射，在BC面上的折射與反射光路如圖所示，由幾何關系可知，光在BC面上的入射角i=30° 由于在BC面上折射光線與入射光線的偏向角為30°，因此光在BC面上的折射角為r=60° 由折射定律得n=sinrsini=sin60°sin30°=3 ②由幾何關系可知，光在AB面的入射角為60°，光從棱鏡進入空氣發(fā)生全反射的臨界角的正弦為sinC=1n=33<32=sin60° 即60°>C，因此光線在AB面上會發(fā)生全反射． 答： ①棱鏡對光的折射率是3.　 ②見解析． 【解析】①作出光線經AB面反射，在BC面上的折射與反射的光路圖，由幾何關系可求得光在BC面上的入射角，結合偏向角求得光在BC面上的折射角，從而求得折射率． ②光從棱鏡進入空氣發(fā)生全反射的臨界角為C時，有sinC=1n，求臨界角C，將光在AB面上的入射角與C比較分析． 本題是幾何光學問題，作出光路圖是解題的關鍵之處，再運用幾何知識求出入射角、折射角，即能很容易解決此類問題． 14. 如圖所示，一條長度為L=5.0m的光導纖維用折射率為n=2的材料制成.一細束激光由其左端的中心點以α=45°的入射角射入光導纖維內，經過一系列全反射后從右端射出.求： (1)該激光在光導纖維中的速度v是多大？ (2)該激光在光導纖維中傳輸所經歷的時間是多少？ 【答案】解：(1)如圖所示，n=2的材料制成，其左端的中心點以θ=45°的入射角射入， 由折射定律，則有：sinθAsinθ2=n，解得：θ2=30°，所以θc=60° 而有：sinθ=1n，得：θ=45°，能發(fā)生光的全反射現(xiàn)象， 由于AFAC=cosθ2=32， 而光在玻璃中傳播的速度為：v=cn=31082m/s≈2.12108m/s； (2)則光沿著軸線的方向的速度為； 由上分析可得，光從A點射入到從B點射出所經歷的時間為：； 解得：t=2.7210?8s. 答：(1)該激光在光導纖維中的速度是2.12108m/s； (2)激光在光導纖維中傳輸所經歷的時間是2.7210?8s。 【解析】(1)由題，單色光從左端中點A射入恰好能在纖維中發(fā)生全反射，則有sinθc=1n。 (2)根據折射定律，結合入射角θ=45°，求出光在A點的折射角θ2。 (3)根據幾何知識求出光線在光纖中通過的路程，由v=cn求出光在光纖中傳播的速度，再求解光從A點射入到從B點射出所經歷的時間t。 本題考查對“光纖通信”原理的理解，利用全反射的條件求出入射角和折射角正弦，由數(shù)學知識求出光在光纖中通過的路程與L的關系，再所用的時間。 15. 如圖，△ABC是一直角三棱鏡的橫截面，∠A=90°，∠B=60°.一細光束從BC邊的D點折射后，射到AC邊的E點，發(fā)生全反射后經AB邊的F點射出，EG垂直于AC交BC于G，D恰好是CG的中點。不計多次反射。 (i)求出射光相對于D點的入射光的偏角； (ii)為實現(xiàn)上述光路，棱鏡折射率的取值應在什么范圍？ 【答案】解：(i)由于D是CG的中點，GE⊥AC，根據幾何關系可得：光束在D點發(fā)生折射時的折射角為γD=30°； 那么，根據幾何關系可得：在E點的入射角、反射角均為γD+30°=60°；在F點的入射角為αF=30°； 那么，設入射角為αD，可得：折射角γF=αD，故出射光相對于D點的入射光的偏角為60°?αD+γF=60°； (ii)由E點反射角為60°可得：EF//BC； 故根據D點折射角為γD=30°可得：棱鏡折射率n≤1sin30°=2； 根據光束在E點入射角為60°，發(fā)生全反射可得：n≥1sin60°=233，故棱鏡折射率的取值范圍為233≤n≤2； 答：(i)出射光相對于D點的入射光的偏角為60°； (ii)為實現(xiàn)上述光路，棱鏡折射率的取值范圍為233≤n≤2。 【解析】(i)根據幾何關系得到D點折射角，從而得到E點入射角、反射角、F點入射角；再根據折射率相等得到D點入射角和F點折射角，從而求得偏角； (ii)根據光在D、F發(fā)生折射，由折射角求得折射率的最大值；根據光在E點發(fā)生全發(fā)射，由入射角求得折射率的最小值，即可得到折射率的范圍。 光的折射率n=1sinC，故折射率越大，臨界角越??；故發(fā)生全反射，入射角不小于臨界角，求得折射率的下限；發(fā)生折射，折射角不大于臨界角，求得折射率的上限。