4.4 光导纤维及其应用 分层练习 -2025--2026学年高二上学期物理鲁科版选择性必修第一册

4.4 光导纤维及其应用 梯度分层 基础巩固：课堂衔接，回归教材，夯实根本 拔高提升：进阶训练，聚焦核心，提炼重难 思维拓展：情景构建，素养提升，高阶训练 ( 基础巩固 1 ) 1.自行车的尾灯采用了全反射棱镜，虽然它本身不发光，但在夜间骑行时，从后面驶来的汽车发出的强光照到尾灯后，会有较强的光被反射回去，使汽车司机注意到前面有自行车.尾灯由透明介质制成，其外形如图所示，下列说法正确的是( ) A.汽车灯光从左面射过来，在尾灯的左表面发生全反射 B.汽车灯光从左面射过来，在尾灯的右表面发生全反射 C.汽车灯光从右面射过来，在尾灯的左表面发生全反射 D.汽车灯光从右面射过来，在尾灯的右表面发生全反射 2.光纤已经被广泛应用于我们的生产和生活中，比如内窥镜、光纤通信等。光纤的结构如图所示，其中纤芯和包层是由折射率不同的两种材料制成的。已知光在真空中的传播速度为，下列说法正确的是( ) A.光纤是利用光的衍射原理 B.纤芯的折射率比包层的折射率大 C.光信号是在包层中传播的 D.光信号在光纤中的传播速度为 3.如图所示，楔形玻璃的横截面为直角三角形，顶角为45°，OA边上的点光源S到点O的距离为L，光在玻璃中的折射率为，光线射向OB边，不考虑多次反射，OB边上有光射出部分的长度为( ) A. B. C. D. ( 拔高提升 2 ) 4.光纤通信采用的光导纤维由内芯和外套组成，如图所示，一复色光以入射角射入光导纤维后分为a、b两束单色光，a、b两单色光在内芯和外套界面发生全反射，下列说法正确的是( ) A.内芯折射率小于外套的折射率 B.a光光子的能量大于b光光子的能量 C.在内芯介质中单色光a的传播速度比b大 D.入射角由逐渐增大时，b光全反射现象先消失 5.光纤通讯中信号传播的主要载体是光纤，它的结构如图甲所示。一束激光由光导纤维左端的点O以的入射角射入一直线光导纤维内，恰好在光导纤维的侧面（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( ) A.光纤内芯的折射率比外套的小 B.频率越大的光在光纤中传播的速度越小 C.光从左端空气中进入光纤内芯后，其频率变大 D. 6.如图，一束复色光以入射角i（）从空气射入由内芯和外套组成的光导纤维后分成了a、b两束单色光，下列说法正确的是( ) A.内芯的折射率大于外套的折射率 B.a光的频率小于b光的频率 C.在光导纤维内，a光的传播速度小于b光的传播速度 D.i越大，a、b光越容易在内芯和外套的交界面上发生全反射 7.光纤通信中信号传播的主要载体是光导纤维，它的结构如图所示，其内芯和外套材料不同，光在内芯中传播.下列关于光导纤维的说法中正确的是( ) A.内芯的折射率比外套的大，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的小，光传播时在内芯与外套的界面上发生全反射 C.波长越短的光在光纤中传播的速度越大 D.频率越大的光在光纤中传播的速度越小 ( 思维拓展 3 ) 8.华裔科学家高锟获得2009年诺贝尔物理学奖，他被誉为“光纤通信之父”.如图所示为一光导纤维（可简化为一长玻璃丝）的示意图，玻璃丝长为L，折射率为，AB代表一侧端面，已知光在真空中的传播速度为c，则下列说法正确的是( ) A.AB端面的入射角变化时，光线可能会有一部分从光纤射入空气而损耗 B.无论AB端面的入射角怎样变化，光线都可无损耗地传到另一端面 C.光线从玻璃丝的AB端面传播到另一端面的时间与AB端面的入射角有关，入射角越小，传播时间越长 D.光线从玻璃丝的AB端面传播到另一端面所需的最长时间大于 9.人们常用“井底之蛙”形容见识短浅的人.如图所示，在一口较浅的枯井的正中间有一只青蛙（看成质点），设井深为h且可视为圆柱体，井口的直径为，水的折射率，当井灌满水时，青蛙能够看到整片天空，则下列说法正确的是( ) A.井深 B.青蛙能够看到整片天空是因为光通过井口时发生了反射 C.当井灌满水时，地面上的人看到的井深比实际更浅 D.当井灌满水时，地面上的人看到的井深比实际更深 10.光导纤维是一种由玻璃或塑料制成的双层光传导工具。较好的光导纤维，其光传输损失极少。如图所示，一条长直光导纤维的长度，内芯的折射率，在内芯与包层的分界面发生全反射的临界角。现一束细光从左端面中点射入内芯，下列说法正确的是( ) A.光导纤维中内芯材料的折射率应小于包层材料的折射率 B.为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应为 C.若从左端射入的光能够传送到右端（无损失），则光在光导纤维内传输的最长时间约为 D.若从左端射入的光能够传送到右端（无损失），则光在光导纤维内传输的最短时间约为 11.光纤通信中信号传播的主要载体是光导纤维，它的结构如图所示，其纤芯和包层材料不同，光在纤芯中传播。下列关于光导纤维的说法正确的是( ) A.纤芯的折射率比外套的大，光传播时在纤芯与包层的界面上发生全反射 B.纤芯的折射率比外套的小，光传播时在纤芯与包层的界面上发生全反射 C.波长越短的光在光纤中传播的速度越大 D.频率越低的光在光纤中传播的速度越大 答案以及解析 基础巩固 1.答案：C 解析：从题图中取尾灯中的一个凸起为研究对象，作出一条光路如图所示.由图可知，每一个凸起相当于一块全反射棱镜，要想让自行车后的司机看到反射光，光只能从右面射过来，在尾灯的左表面发生全反射，故选项C正确，A、B、D错误. 2.答案：B 解析：A.光纤是利用光的全反射原理，选项A错误；B.根据发生全发射的条件可知，光线必须要从光密介质射向光疏介质，则纤芯的折射率比包层的折射率大，选项B正确；C.光信号是在纤芯中传播的，选项C错误；D.光信号在光纤中的传播速度小于真空中的光速，选项D错误，故选B。 3.答案：C 解析：根据全反射临界角公式有，可知发生全反射的临界角为60°，所以光线可以从O点射出，恰好在OB边发生全反射的光线与OB边的夹角为30°，根据几何关系及正弦定理可知，解得，故选C. 拔高提升 4.答案：C 解析：A.光在内芯和外套界面发生全反射，可知光从光密介质射入光疏介质，则内芯的折射率大于外套的折射率，A错误； B.由图可知，a光射入光导纤维后的折射角大于b光，由折射定律可知光导纤维对a的折射率小于b光的折射率，则a光的频率小于b光，根据光子能量公式，b光子的能量大于a光光子的能量，B错误； C.根据折射率公式 可以判断a光在光导纤维中的速度大于b光，C正确； D.根据 可知，a光的临界角比b光的大，所以入射角由逐渐增大时，a光全反射现象先消失，D错误。 故选C。 5.答案：B 解析：A.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； B.频率越大的光，介质对它的折射率越大，根据 可知光在光纤中传播的速度越小，故B正确； C.光从左端空中进入光纤内芯后，波长和波速会发生变化，但频率和周期不变，故C错误； D.根据折射定律 根据全反射公式 解得 故，故D错误。 故选B。 6.答案：AC 解析：A.发生全反射的必要条件是：光必须从光密介质射入光疏介质，即从折射率大的介质射入折射率小的介质，所以当内芯的折射率比外套的大时，光在内芯与外套的界面上才能发生全反射，故A正确； B.由图可知b光的折射角大，说明光导纤维对b光的折射率小，则b光的频率小，故B错误； C.光导纤维对b光的折射率小，根据公式 可知，在内芯中单色光a的传播速度比b小，故C正确； D.作出光路图如图所示 根据折射定律 若入射角i越大，则折射角r也越大，θ越小，所以a、b光越不容易在内芯和外套的交界面上发生全反射，故D错误； 故选AC。 7.答案：AD 解析：光从光密介质射向光疏介质才能发生全反射，所以内芯的折射率比外套的大，选项A正确，B错误；光的频率越大（波长越短），折射率越大，根据可知，频率越大的光在光纤中传播的速度越小，选项C错误，D正确. 思维拓展 8.答案：BD 解析：在光纤中发生全反射的临界角C满足，解得临界角为45°，则无论AB端面的入射角怎样变化，AB端面的折射角均小于45°，即在从光纤射入空气时，入射角一定大于45°，光线都可在光纤与空气的界面上发生全反射，无损耗地传到另一端面，故A错误，B正确；光在玻璃丝中传播时速度的大小为，设光在AB端面的入射角为θ，折射角为α，则，沿轴线方向的分速度大小为，光线从玻璃丝的AB端面传播到另一端面的时间为，联立可得，其中，可知传播时间与AB端面的入射角有关，入射角越小，光在玻璃丝中传播的时间越短，当入射角为90°时，传播时间最长，此时，因为，则最长时间大于，C错误，D正确. 9.答案：AC 解析：由全反射和光的可逆性可知，进入青蛙眼中的光射到井的边缘时发生全反射，此时青蛙恰能看见整片天空，则，解得，故A正确；青蛙能够看到整片天空是因为光通过井口时发生了折射，从而射到青蛙眼睛里，故B错误；根据光的折射定律，结合光路图可知，当井灌满水时，地面上的人看到的井底在位置，即看到的井深比实际更浅，故C正确，D错误. 10.答案：BC 解析：A.为了在内芯与包层的分界面发生全反射，导纤维中内芯材料的折射率应大于包层材料的折射率，故A错误； B.为使射入的光在内芯与包层的界面恰好发生全反射，设光在左端面的入射角为θ，则有 又 可得 解得，故B正确； CD.光在内芯的传播速度为 当光射向左端面的入射角为时，光在光导纤维内传输的时间最短，则有 当光射到芯层与包层分界面的入射角等于临界角C时，光在光导纤维内传输的时间最长，此时光传播的路程为 则最长时间为 故C正确，D错误。 故选BC。 11.答案：AD 解析：AB、发生全反射的必要条件是光必须从光密介质射入光疏介质，即从折射率大的介质射入折射率小的介质；当纤芯折射率比外套的大时，光传播时在纤芯与外套的界面上才能发生全反射，故A正确，B错误； CD、波长越短的光，频率越大，介质对它的折射率n越大，根据：，可知波长越短的光在光纤中传播速度越小，频率越小的光在光纤中传播速度越大，故C错误，D正确。 学科网（北京）股份有限公司 $