9.2 光的全反射现象的应用 同步作业 -2025-2026学年高二下学期(中职)物理高教版(2021)机械建筑类
2026-01-31
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内容正文:
主题九 光现象及其应用 第二节 光的全反射现象的应用同步作业
一、选择题(本题共12小题,每小题3分,共36分。每小题只有一项符合题目要求)
1. 下列应用中,主要利用光的全反射原理的是( )
A. 建筑幕墙的镜面反光 B. 机械零件检测用的光纤传输信号
C. 插入水中的钢筋看起来弯折 D. 建筑采光窗的光线折射
2. 光纤通信中,光信号能长距离无泄漏传输的关键原因是( )
A. 光纤的外壳对光有吸收作用 B. 光在光纤内芯与外套界面发生全反射
C. 光在光纤内沿直线传播 D. 光纤的内芯材料能放大光信号
3. 关于全反射棱镜的说法,正确的是( )
A. 全反射棱镜的折射率小于空气 B. 光在棱镜内发生反射时入射角小于临界角
C. 机械光学仪器中常用其改变光路方向 D. 其工作原理与平面镜完全相同
4. 建筑工程中,用于检测墙体垂直度的激光准直仪,部分核心部件利用了全反射原理,该部件最可能是( )
A. 平面镜 B. 凸透镜 C. 光纤 D. 凹透镜
5. 发生全反射的两个必要条件是( )
A. 光从光疏介质射入光密介质,入射角≥临界角
B. 光从光密介质射入光疏介质,入射角≥临界角
C. 光从光疏介质射入光密介质,入射角≤临界角
D. 光从光密介质射入光疏介质,入射角≤临界角
6. 光从介质甲斜射入空气的临界角为45°,则介质甲的折射率为( )
A. √2/2 B. √2 C. 1 D. 2
7. 机械检测用光纤的内芯折射率n₁=1.52,外套折射率n₂=1.48,光从内芯射向外套时的临界角为( )
A. arcsin(1.48/1.52) B. arcsin(1.52/1.48) C. arcsin(1/1.52) D. arcsin(1/1.48)
8. 关于光的全反射应用,下列说法错误的是( )
A. 全反射棱镜的反射效率比平面镜高
B. 光纤通信的信号衰减主要来自全反射损耗
C. 建筑中的激光测距仪可能用到全反射部件
D. 机械中的光学传感器可利用全反射检测零件位置
9. 光在某种介质中的传播速度v=2.2×10⁸m/s(真空中光速c=3×10⁸m/s),则光从该介质斜射入空气时的临界角约为( )
A. 48.8° B. 41.2° C. 60° D. 30°
10. 下列现象中,与光的全反射无关的是( )
A. 光纤传输电视信号 B. 露珠呈现明亮的光斑
C. 建筑玻璃幕墙的反光 D. 潜水艇潜望镜的视野
11. 光从玻璃(n=1.5)斜射入空气,入射角为42°,已知sin41.8°≈0.667,则下列说法正确的是( )
A. 会发生全反射,反射光线强度增强
B. 不会发生全反射,折射角小于42°
C. 临界角约为41.8°,折射光线消失
D. 临界角约为41.8°,折射角大于42°
12. 机械工程中,利用全反射原理设计的光学探头,其核心要求是( )
A. 探头材料的折射率小于空气 B. 光在探头与空气界面的入射角≥临界角
C. 探头材料的折射率与空气相同 D. 光在探头内沿曲线传播
二、填空题(本题共6小题,每空2分,共24分)
13. 光的全反射现象在机械建筑领域应用广泛,常见的应用有__________、__________和激光准直仪等,其核心是利用光从__________介质射入__________介质时的全反射特性。
14. 光纤的结构由__________和__________组成,其中__________的折射率大于__________的折射率,确保光信号在界面发生全反射。
15. 全反射棱镜的优点是反射时无光线折射泄漏,__________比平面镜高,在机械光学仪器中常用来__________或__________光路。
16. 临界角的计算公式为C=arcsin(1/n),其中n是__________的折射率(相对空气);当介质的折射率越大,临界角越__________,越容易发生全反射。
17. 建筑中使用的激光测距仪,其内部的光信号传输可能用到光纤,光纤传输信号的特点是__________、__________,适合长距离精准传输。
18. 光从介质A斜射入空气的临界角为37°,则介质A的折射率为__________(sin37°≈0.6),光在介质A中的传播速度为__________m/s(c=3×10⁸m/s)。
三、简答题(本题共2小题,每小题8分,共16分)
19. 结合机械零件检测,说明光纤传输光信号的原理,并解释为什么光纤的内芯折射率必须大于外套折射率。
20. 建筑工程中,激光准直仪可用于检测墙体是否竖直、路面是否平整,部分型号利用了全反射原理。请简要说明其工作原理,并列举1-2个全反射在建筑工程中的其他应用。
四、综合应用题(本题共2小题,第1题10分,第2题14分,共24分)
21. 某机械检测用光纤,内芯折射率n₁=1.55,外套折射率n₂=1.50,真空中的光速c=3×10⁸m/s。求:
(1)光在光纤内芯中的传播速度;
(2)光从内芯射向外套时的临界角大小(结果保留1位小数);
(3)若光信号在光纤内的入射角为55°,是否会发生全反射?请说明理由。
22. 建筑工程中使用的激光探头,其核心介质的折射率n=1.6,真空中的光速c=3×10⁸m/s。求:
(1)该介质的临界角(结果保留1位小数);
(2)光在该介质中的传播速度;
(3)若激光从该介质射向空气时,入射角为35°,是否会发生全反射?请计算折射角并说明;
(4)若要使激光在介质与空气界面发生全反射,入射角至少为多少?
参考答案
一、选择题(每小题3分,共36分)
1. B 解析:建筑幕墙反光是光的反射,A错误;光纤传输利用全反射,B正确;钢筋弯折是光的折射,C错误;采光窗利用折射,D错误。
2. B 解析:光纤内芯折射率大于外套,光在界面发生全反射,避免信号泄漏,B正确;A、C、D均不符合光纤传输原理。
3. C 解析:全反射棱镜折射率大于空气,A错误;光在棱镜内发生全反射时入射角≥临界角,B错误;机械光学仪器中常用其改变光路(如90°、180°偏转),C正确;其原理是全反射,与平面镜的镜面反射不同,D错误。
4. C 解析:激光准直仪中光纤利用全反射传输激光,保证光路精准,C正确;平面镜利用反射,凸透镜、凹透镜利用折射,A、B、D错误。
5. B 解析:全反射的必要条件:光从光密介质射入光疏介质,入射角≥临界角,B正确。
6. B 解析:由C=arcsin(1/n),得n=1/sinC=1/sin45°=√2,B正确。
7. A 解析:光从内芯(光密)射向外套(光疏),临界角C=arcsin(n₂/n₁)=arcsin(1.48/1.52),A正确。
8. B 解析:光纤通信的信号衰减主要来自材料吸收、散射,而非全反射损耗,全反射能减少泄漏,B错误;A、C、D均正确。
9. A 解析:介质折射率n=c/v=3×10⁸/2.2×10⁸≈1.36,临界角C=arcsin(1/1.36)≈48.8°,A正确。
10. C 解析:玻璃幕墙反光是镜面反射,与全反射无关,C正确;A、B、D均与全反射相关。
11. A 解析:玻璃临界角C=arcsin(1/1.5)≈41.8°,入射角42°>41.8°,发生全反射,折射光线消失,反射光线强度增强,A正确。
12. B 解析:光学探头利用全反射,需满足光从光密介质射入光疏介质,且入射角≥临界角,B正确;A、C、D均不符合要求。
二、填空题(每空2分,共24分)
13. 光纤传输;全反射棱镜;光密;光疏
14. 内芯;外套;内芯;外套
15. 反射效率;改变方向;偏转
16. 介质;小
17. 损耗小;传输稳定(或抗干扰强)
18. 5/3≈1.67;1.8×10⁸ 解析:n=1/sin37°=1/0.6≈1.67,v=c/n=3×10⁸/(5/3)=1.8×10⁸m/s
三、简答题(每小题8分,共16分)
19. 解析:传输原理:光纤由内芯和外套组成,光信号从发射端射入内芯后,在内外芯的界面上不断发生全反射,使光信号被束缚在内芯中沿光纤传播,不会泄漏到外套,从而实现长距离稳定传输(4分)。
内芯折射率必须大于外套的原因:全反射的前提是光从光密介质射入光疏介质。只有内芯折射率(n₁)大于外套折射率(n₂),才能满足“光密→光疏”的传播条件,光在界面的入射角才有可能大于等于临界角,进而发生全反射;若n₁≤n₂,光会折射泄漏,无法实现信号的有效传输(4分)。
20. 解析:工作原理:激光准直仪的核心部件(如光纤或全反射棱镜)利用全反射原理,使激光束沿固定光路传播,激光具有方向性强的特点,通过接收反射回来的激光信号,可判断墙体是否竖直、路面是否平整(4分)。
其他应用:①建筑激光测距仪,利用全反射传输激光信号,精准测量两点间距离;②玻璃幕墙的全反射采光设计,通过特殊角度的玻璃使光线发生全反射,优化室内采光且减少光污染;③地下工程的激光导向,利用光纤全反射传输激光,为隧道挖掘提供精准导向(4分,答出2点即可)。
四、综合应用题(共24分)
21. 解析:(1)光在內芯中的传播速度v₁=c/n₁=3×10⁸/1.55≈1.94×10⁸m/s(3分);
(2)临界角C=arcsin(n₂/n₁)=arcsin(1.50/1.55)≈75.1°(3分);
(3)会发生全反射(2分);理由:光信号的入射角55°<临界角75.1°?修正:55°小于75.1°,不满足全反射条件?重新计算:n₁=1.55,n₂=1.50,C=arcsin(1.50/1.55)≈75.1°,入射角55°<75.1°,不会发生全反射(修正理由:入射角小于临界角,不满足全反射条件,光会发生折射和反射,不会全反射)(4分)。
答:(1)约1.94×10⁸m/s;(2)约75.1°;(3)不会,理由见解析。
22. 解析:(1)临界角C=arcsin(1/n)=arcsin(1/1.6)≈38.7°(3分);
(2)光在介质中的传播速度v=c/n=3×10⁸/1.6≈1.875×10⁸m/s(3分);
(3)不会发生全反射(2分);由折射定律sini/sinr=n,得sinr=sini/n=sin35°/1.6≈0.5736/1.6≈0.3585,折射角r≈20.9°(3分);
(4)发生全反射的最小入射角等于临界角,即至少为38.7°(3分)。
答:(1)约38.7°;(2)约1.875×10⁸m/s;(3)不会,折射角约20.9°;(4)至少38.7°。
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