第4节 光导纤维及其应用（课件PPT）-【新课程学案】2024-2025学年高中物理选择性必修第一册（鲁科版2019 福建专版）

光导纤维及其应用(强基课—逐点理清物理观念) 第4节 课标要求 学习目标 1.初步了解光纤的工作原理。 2.知道光纤技术在生活中的应用。 1.了解光缆的结构，了解光导纤维的工作原理。 2.会解决光导纤维在现实生活中的实际问题。 1 逐点清(一) 光导纤维的工作原理 2 逐点清(二) 光纤通信 3 课时跟踪检测 CONTENTS 目录 逐点清(一) 光导纤维的工作原理 1．光纤的构造：把石英玻璃拉成直径几微米到几十微米的细丝，再包上折射率比它____的材料，就制成了光导纤维，简称光纤。 2．光导纤维的工作原理：全反射是光导纤维的基本工作原理。内芯的折射率比外层的大，光传播时在内芯与外层的界面上不断发生_______。 多维度理解 小 全反射 光纤与相对折射率 1．判断下列说法是否正确。 (1)光纤是由高级金属制成的，所以它比普通电线容量大。 ( ) (2)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。 ( ) 全方位练明 × × (3)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。 ( ) (4)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。 ( ) √ × 2．(2024·宁德高二检测)如图所示，光纤灯是现代装饰照明的新型灯具，由光源、反光镜、滤光片及光纤组成，点状光源通过反光镜后，形成一束近似平行光，又通过滤光片，最后进入光纤，形成一根根色彩斑斓的柔性光柱。下列说法正确的是(　 ) A．点状光源发出的光可通过平面镜反射后形成平行光 B．光纤内芯的折射率应大于外套材料的折射率 C．光在光纤中的传播是利用了光的衍射原理 D．光在光纤中传播时，颜色会发生变化，从而创造出绚烂多彩的效果 √ 解析：点状光源发出的光可通过凹面镜反射后形成近似平行光，故A错误； 光在光纤中传播时，发生全反射，所以要求光纤内芯的折射率应大于外套材料的折射率，故B正确，C错误； 通过反光镜反射后形成的近似平行光通过滤光片后颜色会发生变化，从而创造出绚烂多彩的效果，故D错误。 3．(2024·玉溪高二检测)根据报道，光纤通信速率创造出了新的纪录，每秒可以传达1.84 Pbit，这相当于每秒可以传输约236个1 TB 硬盘的数据。目前正常的网速想要传输1 TB 硬盘的数据，需要花费四到八小时以上，如果这项技术能大规模商用，网速将得到大幅提升。光纤通信中信号传播的主要载体是光纤，它的结构如图甲所示。若对某段光纤内芯进行研究，一束激光由内芯左端的点O以α＝60°的入射角射入一直内芯内，恰好在内芯的侧面(侧面与过O的法线平行)发生全反射，如图乙所示。下列说法中正确的是(　 ) √ 解析：激光在内芯和外套的界面上发生全反射，所以内芯是光密介质，外套是光疏介质，即光纤内芯的折射率比外套的大，故A错误； 光从左端空气中进入光纤内芯后，波速变小，但频率不变，根据v＝λf，可知波长变短，故B错误； 逐点清(二) 光纤通信 1．________是光纤的一个重要应用。 2．光纤通信中，先将传送的信息转换为光信号，通过光纤将光信号传输到接收端，接收端再将光信号还原为原信息。 3．作用：________是信息社会的重要基石，“___________”是信息社会的重要标志。 多维度理解 光纤通信 光纤网 光纤到户 4．应用 (1)利用光缆构成的电视网，能同时传送上千套电视信号，使人们可选择收看各种各样的电视节目。 (2)许多光纤通信设备已在舰艇、飞机上安装使用。 (3)将光缆引入家庭，可将电视、电话、计算机和传真机结合在一起，发挥更大的作用，光缆大大增加了声音、图像和数据量的传输。 (4)其他应用：光纤作为一种性能优良的光学元件，不但在__________和_______________领域发挥着重要的作用，而且在光学仪器和电子器件制造方面得到了广泛的应用，如医用____________。 光纤通信 图像信息处理 光纤内窥镜 [典例]　一段长为L的直线光导纤维的内芯如图所示，一单色光从左端面射入光纤，已知光纤对该单色光的折射率为n，光在真空中传播速度大小为c。 1．判断下列说法是否正确。 (1)光纤通信时，输入的光信号在内芯与外套处的入射角必须大于等于临界角。 ( ) (2)光纤通信的主要优点是容量大。 ( ) (3)光导纤维传递光信号是利用光的直线传播的原理。 ( ) 全方位练明 √ √ × 2．(2024·邵武高二检测)医院给病人做肠镜、 胃镜、喉镜等检查时都要用到内窥镜，如图所示， 内窥镜应用到了光的(　 ) A．直线传播 B．衍射 C．干涉 D．全反射 解析：医用光纤内窥镜利用了光的全反射。故选D。 √ 3．(2024·宁德高二模拟)(多选)光导纤维具有传输速度快、带宽大、抗干扰能力强、传输距离远等优点，被广泛应用于通信、广播、电视、医疗、科学研究等领域。关于光导纤维，下列说法正确的是(　 ) A．光纤通信是光的折射定律的应用 B．光纤通信用到了光的全反射原理 C．频率越高的光在同种光纤中传播的速度越慢 D．在光纤中内芯的折射率比外套的折射率小 √ √ 解析：光纤通信用到了光的全反射原理，A错误，B正确； 课时跟踪检测 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 A级——基础达标 1.光导纤维是利用光的全反射来传输光信号的。如图所示，一光导纤维内芯折射率为n1，外层折射率为n2，一束光信号与界面夹角为α，由内芯射向外层，要在界面发生全反射，必须满足的条件是(　 ) 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 √ 6 7 8 9 10 11 12 解析：光在内芯和外层的界面上发生全反射，则内芯的折射率n1大于外层的折射率n2，由于入射角要大于等于临界角，所以α应小于某一值。故A正确，B、C、D错误。 1 2 3 4 5 1 5 6 7 8 9 10 11 12 2．世界园艺博览会中为保证通信畅通，各场馆间都铺设了光缆。甲、乙、丙、丁四种介质的折射率如表所示，现欲从中选出两种介质作为光导纤维的内芯和外层，则所列A、B、C、D四种方案中你认为合理的方案是(　 ) 2 3 4 介质 甲 乙 丙 丁 折射率 1.70 1.89 1.60 1.38 1 5 6 7 8 9 10 11 12 A．内芯选乙，外层选丁 B．内芯选丙，外层选乙 C．内芯选丁，外层选甲 D．内芯选丁，外层选丙 解析：要发生全反射，首先光需从折射率大的光密介质射向折射率小的光疏介质，即内芯的折射率大于外层的折射率。故选A。 2 3 4 √ 1 5 6 7 8 9 10 11 12 3．关于光的全反射和光纤的应用，下列说法错误的是(　 ) A．光由不同介质射入真空或空气时临界角不同 B．光导纤维内芯的折射率大于外套的折射率 C．玻璃是光密介质 D．光导纤维的工作原理是光的全反射 2 3 4 √ 1 5 6 7 8 9 10 11 12 2 3 4 光密介质和光疏介质是相对而言的，不是绝对的，故C错误； 光纤利用了全反射的原理，光在内芯与外套的界面发生全反射，内芯的折射率大于外套的折射率，故B、D正确。 1 5 6 7 8 9 10 11 12 4．(2024·漳州高二模拟)光纤通信中信号传播的 关键载体是光导纤维，其内芯和外套的材料不同， 光在内芯中传播，如图所示。设光导纤维长度为s，内芯相对外套的折射率为n，下列说法正确的是(　 ) A．光纤通信比传统通信抗干扰性强，一根光纤同时段只能传输一个信号 B．内芯的折射率比外套的大，光传播时在外套与内芯的界面上发生全反射 2 3 4 √ 1 5 6 7 8 9 10 11 12 2 3 4 解析：光纤通信比传统通信抗干扰性强，一根光纤同时段可以传输多个信号，A错误； 发生全反射的条件是光从光密介质向光疏介质传播，因此内芯的折射率比外套的大，光传播时在外套与内芯的界面上发生全反射，B正确； 1 5 6 7 8 9 10 11 12 2 3 4 1 5 6 7 8 9 10 11 12 2 3 4 5．如图甲所示，将塑料瓶下侧开一个小孔，瓶中灌入清水，水就从小孔流出。用激光水平射向塑料瓶小孔，发现激光会沿着水流传播，像是被束缚在水流中一样，产生该现象的原理与光导纤维的原理相同。紧靠出水口的一小段水柱的竖直截面如图乙所示， 1 5 6 7 8 9 10 11 12 2 3 4 1 5 6 7 8 9 10 11 12 2 3 4 √ 1 5 6 7 8 9 10 11 12 6．(2024·深圳高二模拟)光纤通信采用的光导 纤维由内芯和外套组成，其侧截面如图所示，一复色光以一定的入射角(i≠0)从轴心射入光导纤维后分为a、b两束单色光，下列说法不正确的是(　 ) A．内芯介质对a的折射率比对b的折射率小 B．入射角i由0逐渐增大时，a单色光的全反射现象先消失 C．从空气射入内芯，a、b单色光的波长都变长 D．在内芯介质中a单色光的传播速度比b单色光大 2 3 4 √ 1 5 6 7 8 9 10 11 12 2 3 4 1 5 6 7 8 9 10 11 12 2 3 4 1 5 6 7 8 9 10 11 12 2 3 4 √ 1 5 6 7 8 9 10 11 12 2 3 4 1 5 6 7 8 9 10 11 12 2 3 4 1 5 6 7 8 9 10 11 12 2 3 4 √ 1 5 6 7 8 9 10 11 12 9．(2024·南安高二检测)折射率为n、长度为L的玻璃纤维置于空气中，若从A端射入的光线能在玻璃纤维中发生全反射，最后从B端射出，如图所示，光在真空中的传播速度为c，求： 2 3 4 1 5 6 7 8 9 10 11 12 (1)光在A端上的入射角θ应满足的条件？ (2)若光在纤维中恰能发生全反射，由A端射入到从B端射出经历的时间是多少？ (3)若要使从A端射入的光线不论入射角多大，都能在纤维中发生全反射，而从B端射出，纤维的折射率不能小于多少？ 2 3 4 1 5 6 7 8 9 10 11 12 2 3 4 1 5 6 7 8 9 10 11 12 2 3 4 1 5 6 7 8 9 10 11 12 2 3 4 1 5 6 7 8 9 10 11 12 B级——综合应用 10．(多选)在光纤制造过程中，由于拉伸速度不均匀， 会使得拉出的光纤偏离均匀的圆柱体，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， 真空中光速为c。现光从下方垂直射入下台面，则(　 ) 2 3 4 1 5 6 7 8 9 10 11 12 2 3 4 √ √ 1 5 6 7 8 9 10 11 12 解析：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，故A正确； 2 3 4 1 5 6 7 8 9 10 11 12 通过光纤侧面全反射后再从上台面射出的光束与垂直射出上台面的光束不平行，故C错误； 2 3 4 1 5 6 7 8 9 10 11 12 2 3 4 1 5 6 7 8 9 10 11 12 2 3 4 √ √ 1 5 6 7 8 9 10 11 12 2 3 4 1 5 6 7 8 9 10 11 12 2 3 4 1 5 6 7 8 9 10 11 12 2 3 4 1 5 6 7 8 9 10 11 12 (2)若从左端射入的光能够不损失的传送到右端，则光在光导纤维内传输的时间最长为多少？(保留3位有效数字) 解析：(1)设光从左端面射入时的入射角为θ，折射角为α，则α＝90°－C＝30° 2 3 4 1 5 6 7 8 9 10 11 12 2 3 4 1．相对折射率：在折射现象中，设光由介质1进入介质2，这时的折射率称为介质2相对介质1的相对折射率，通常用n21表示。n21＝，式中n1和n2是介质1和介质2的绝对折射率。 2．全反射临界角：光由介质射入空气(或真空)时，sin C＝(公式)。光由介质1进入介质2时，sin C＝。 A．光纤内芯的折射率比外套的小 B．光从左端空气中进入光纤内芯后，其波长增大 C．频率越大的光在光纤中传播的速度越大 D．内芯对这种激光的折射率n＝ 频率越大的光，介质对它的折射率越大，根据v＝，可知光在光纤中传播的速度越小，故C错误； 根据折射定律得n＝，根据全反射公式n＝，联立解得n＝，故D正确。 (1)求该单色光在光纤中传播的最短时间； (2)已知光纤对该单色光的折射率n＝，当该单色光以入射角i＝45°从左端面射入，求此单色光从左端面传播到右端面所用的时间。 [解析](1)当光线垂直于左端面射入时，光在光纤中传播的路径最短x＝L 由n＝得光在光纤中传播速度大小为v＝ 光在光纤中传播的最短时间为tmin＝ 联立解得tmin＝。 (2)由于n＝，得r＝30°　 该单色光在光纤中传播的路程s＝＝L　 传播时间t＝ 联立解得t＝。 [答案](1)　(2) 频率越高的光在同种光纤中折射率越大，根据v＝可知传播的速度越慢，C正确； 根据发生全反射的条件可知，在光纤中内芯的折射率比外套的折射率大，D错误。 解析：由临界角公式sin C＝知，全反射临界角和介质的折射率有关，光由不同介质射入真空或空气时临界角不同，故A正确； C．光在这段光纤中传输的最长时间为s D．蓝光比红光在光纤中传播的速度大 设内芯折射率为n1，外套折射率为n2，光在内芯中传播的最长路程为l＝，传播速度为v＝，sin C＝＝，故最长时间t＝＝＝，C错误； 蓝光频率大于红光，光导纤维对蓝光的折射率大于红光，所以蓝光比红光在光纤中传播的速度小，D错误。 ad和bc可视为以O为圆心的同心圆弧，圆弧ad的半径Oa长为R，且b在Oa上。光线垂直ab边射入，若水的折射率为，只考虑在截面abcd内的光线，要求光线第一次射到ad边时均不能从该水柱射出，ab边的长度最大为(　 ) A.R　　　 B.R　　 　C.R　　　 D.R 解析：由全反射条件知，临界角的正弦值sin C＝＝，光线垂直ab边射入，当从b端射入的激光在ad边的入射角恰好等于临界角时，光线均不能从ad边射出，此时ab边的长度为lab＝R－Rsin C＝R。故选B。 解析：根据光路图可知，两种光从空气射入内芯后a光的折射角大于b光的折射角，根据折射定律n＝，可知内芯介质对a的折射率比对b的折射率小，A正确； 由以上分析可知，内芯介质对a的折射率比对b的折射率小，根据n＝，所以a光的临界角大，所以入射角i由0逐渐增大时，a单色光的全反射现象先消失，B正确； 光从空气射入内芯时，根据n＝，可知光的传播速度变小，再根据波速、频率与波长的关系λ＝，可知波长变短，C错误； 因为内芯介质对a的折射率比对b的折射率小，根据v＝，可知在内芯介质中a单色光的传播速度比b单色光大，D正确。 7.如图所示，由某种透明介质制成的长直细圆柱体置于真空中。某种单色光在介质中传输，经过多次全反射后从右端射出。若以全反射临界角传输的光线刚好从右端以张角2θ出射，则此介质的折射率为(　 ) A. B. C. D. 解析：设介质中发生全反射的临界角为α，如图，则由全反射临界角与折射率的关系可知：sin α＝，光线经多次全反射后从右端射出时，入射角和折射角满足：n＝，联立两式可得n＝，选项D正确。 8．(2024·成都高二质检)光纤在现代通信中有着巨大作用，如图所示，由透明材料制成的光纤纤芯折射率大于包层折射率，若纤芯的折射率为n1，包层材料的折射率为n2，则当光由纤芯射向包层时，发生全反射的临界角C满足sin C＝。若光纤纤芯的半径为a，现有一细束单色光垂直于左端面沿轴线入射，为保证光信号一定能发生全反射，则在铺设光纤时，光纤轴线的转弯半径不能低于(　 ) A. B. C. D. 解析：设光纤轴线的最小转弯半径为R，根据题意，由几何关系可知sin C＝＝，解得R＝，即光纤轴线的转弯半径不能小于，故A正确。 解析：(1)光路如图所示，要在纤维中发生全反射，设其临界角为C，有 sin C＝ 折射角 θ2＝90°－C 所以cos θ2＝，sin θ2＝ 由折射定律得sin θ1＝nsin θ2＝ 故入射角的最大值 θ1＝arcsin，光在A端上的入射角应满足θ<arcsin。 (2)光在纤维中传播的速度v＝ 光在沿纤维轴线方向上的速度分量v1＝vcos θ2＝＝ 所用时间t＝＝。 (3)当入射角θ1＝90°时，由(1)得n＝ 纤维的折射率不能小于。 答案：(1)θ<arcsin　(2)　(3)不能小于 A．光从真空射入光纤，光的频率不变 B．光通过此光纤到达上台面的最短时间为 C．从上台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 光通过此光纤到达上台面的最短距离为L，光在光纤中的传播速度v＝，则光通过此光纤到达上台面的最短时间为t＝＝，故B错误； 设临界角为C，则sin C＝，到达光纤侧面的光线入射角等于θ，当θ>C时，即有sin θ>，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，故D正确。 11．(2024·宁德高二质检)(多选)如图所示，真空环境下某光纤弯曲部分两侧面圆弧的半径分别为R和2R，圆心为O，光纤的笔直部分的长度为L，现有两束光线a、b垂直于端面AB入射，光线a的入射点距O点为R，光线b的入射点距O点为R，光纤对两光线的折射率均为，光速为c，则(　 ) A．光线b能在该光纤内全反射传播 B．光线a、b在光纤内的传播速度均为c C．光线a第一次在圆弧面射出的折射角为45° D．光线b在光纤内传播时间后从CD面射出 解析：全反射的临界角正弦值sin C＝＝＞sin 30°＝，a光和b光的光路图如图所示，由几何关系知，a光和b光的入射角分别为30°和60°，所以b光可以发生全反射，故A正确； 光线a、b在光纤内的传播速度均为v＝＝，故B错误； 光线a第一次在圆弧面F点射出，有n＝，解得α＝60°，故C错误； b光在介质中传播的距离x＝R＋2R＋2R＋＝3R＋，传播的时间为t＝＝，故D正确。 12.一条长直光导纤维的长度l＝30 km，内芯的折射率n＝1.6，在内芯与包层的分界面发生全反射的临界角C＝60°，一细束光从左端面中点射入内芯。已知真空中光速c＝3.0×108 m/s；取sin 37°＝0.60，cos 37°＝0.80。求： (1)使射入的光在内芯与包层的界面恰好发生全反射，光在左端面的入射角为多少？ 由折射定律，有n＝， 解得sin θ＝nsin α＝1.6·sin 30°＝0.8 可得θ＝53°。 (2)光在内芯中的传播速度为v＝ 当光射到内芯与包层分界面的入射角等于临界角C时，光传输的时间最长，此时光传播的路程为s＝，则最长时间为tmax＝＝＝ s≈1.85×10－4 s。 答案：(1)53°　(2)1.85×10－4 s $$