資源簡介

(共24張PPT)
第四章 光的折射和全反射
第四節 光導纖維及其應用
新課導入
物理學家提出用光導纖維實現高效傳輸信息的設想，由此引發了一場光纖通信的革命，推動了高速互聯網等現代通信的發展。光導纖維是什么？為何能高效傳輸信息？
1.初步了解光導纖維原理及光纖技術對社會經濟生活的重大影響
2.認識光纖技術對經濟、社會、生活的重大影響,體會科學技術對社會進步的作用
學習目標
情境導入
1966 年，33 歲的華裔科學家高錕提出：光通過直徑僅幾微米的玻璃纖維就可以用來傳輸大量信息。高錕因此獲得 2009 年諾貝爾物理學獎。根據這一理論制造的光導纖維（optical fiber）已經普遍應用到通信領域。這其中就用到了全反射原理。
高錕
如圖，激光筆發出的光射入一根彎曲的有機玻璃棒的一端，觀察光傳播的路徑有什么特點。
光導纖維的工作原理
新課講解
光纖一般由折射率較高的玻璃內芯和折射率較低的外層透明介質組成。光在光纖內傳播時，由光密介質(n1)入射到光疏介質(n2)，若入射角i ≥ C，光會在光纖內不斷發生全反射。
光會在光纖中從一端傳到另一端，不會在中途漏射出來
新課講解
實際上，光纖材料的折射率是多層漸變的
通常把若干根光纖集成一束，制成光纜
光纖通信
新課講解
光纖通信是光纖的一個重要應用。光纖通信中，先將傳送的信息轉換為光信號，通過光纖將光信號傳輸到接收端，接收端再將光信號還原為原信息
新課講解
光纖的應用
光導纖維的用途很大，醫學上將其制成內窺鏡，用來檢查人體內臟的內部。
實際的內窺鏡裝有兩組光纖，一組把光傳送到人體內部進行照明，另一組把體內的圖像傳出供醫生觀察。
新課講解
光纖通信
光導纖維
光導纖維的主要優點是傳輸容量大.此外，光纖傳輸還有衰減小、抗干擾性及保密性強等多方面的優點.
本課小結
1
實際上是非常細的特質玻璃絲
當堂檢測
1.光纖已經被廣泛應用于我們的生產和生活中，比如內窺鏡、光纖通信等。光纖的結構如圖所示，其中纖芯和包層是由折射率不同的兩種材料制成的。已知光在真空中的傳播速度為 ，下列說法正確的是( )
A.光纖是利用光的衍射原理
B.纖芯的折射率比包層的折射率大
C.光信號是在包層中傳播的
D.光信號在光纖中的傳播速度為
B
解析：A.光纖是利用光的全反射原理，選項A錯誤；B.根據發生全發射的條件可知，光線必須要從光密介質射向光疏介質，則纖芯的折射率比包層的折射率大，選項B正確；C.光信號是在纖芯中傳播的，選項C錯誤；D.光信號在光纖中的傳搔速度小于真空中的光速 ，選項D錯誤，故選B。
2.光導纖維的結構如圖所示，其內芯和外套材料不同，光在內芯中傳播.以下關于光導纖維的說法正確的是( )
A.內芯的折射率比外套大，光傳播時在內芯與外套的界面發生全反射
B.內芯的折射率比外套小，光傳播時在內芯與外套的界面發生全反射
C.內芯的折射率比外套小，光傳播時在內芯與外套的界面發生折射
D.內芯的折射率與外套相同，外套的材料有韌性，可以起保護作用
A
解析：發生全反射的條件是光由光密介質射入光疏介質，所以內芯的折射率大，且光傳播在內芯與外套的界面上發生全反射。故選A。
3.（多選）一根實際的光導纖維從內到外一般由纖芯、包層、涂層和護套四部分組成，光信號在纖芯中傳播。如圖所示，一束復色光以入射角i從空氣射入一段圓柱狀光纖的纖芯后分成了a、b兩束單色光，已知i = 45°，下列說法中正確的是( )
A.纖芯的折射率小于包層的折射率
B.a光在光纖內的傳播速度大于b光的傳播速度
C.a光在光纖中傳播的時間比b光短
D.入射角i越小，a、b光各自在光纖中傳播的時間越長
BC
解析：A.因在纖芯發生全反射，可知纖芯的折射率大于包層的折射率，故A錯誤；
B.由圖可知，在光導纖維內，a光的折射程度較小，則a光的折射率較小，根據可知，a光的傳播速度大于b光的傳播速度，故B正確；
C.設光射入纖芯的折射角為θ，光纖長度為L，則光的路程為
又 ， 可知光在光纖中傳播的時間為
由題意可知 ，因為a光的折射角大于b光的折射角，所以a光在光纖中傳播的時間比b光短，故C正確；
D.在發生全反射的條件下，i越小，則光在端面上的折射角越小，射到纖芯和包層的交界面上的入射角越大（設為α），則a、b光在纖芯中的傳播時間 則t越小，故D錯誤。
4.光纖通訊中信號傳播的主要載體是光纖，它的結構如圖甲所示。一束激光由光導纖維左端的點O以 的入射角射入一直線光導纖維內，恰好在光導纖維的側面（側面與過O的法線平行）發生全反射，如圖乙所示。下列說法中正確的是( )
A.光纖內芯的折射率比外套的小
B.頻率越大的光在光纖中傳播的速度越小
C.光從左端空氣中進入光纖內芯后，其頻率變大
D.
B
解析：A.激光在內芯和外套的界面上發生全反射，所以內芯是光密介質，外套是光疏介質，即光纖內芯的折射率比外套的大，故A錯誤；
B.頻率越大的光，介質對它的折射率越大，根據 可知光在光纖中傳播的速度越小，故B正確；
C.光從左端空中進入光纖內芯后，波長和波速會發生變化，但頻率和周期不變，故C錯誤；
D.根據折射定律 根據全反射公式
解得
故 ，故D錯誤。
故選B。
5.某工廠研發了一種室內光纖照明系統，如圖甲所示，主要材料為塑料光纖。這種光纖由聚苯乙烯等作為芯層材料，氟塑料等作為皮層材料，具有質輕、柔軟、光傳導能力大的特點。圖乙是光纖中光傳導的原理示意圖。下列說法正確的是( )
A.光在該光纖中的傳播速率大于在真空中的速率，以便于快速傳播
B.光在該光纖中利用全反射現象減小傳輸中的損耗，實現良好照明效果
C.為保證光全被約束在纖芯中，芯層材料的折射率需小于皮層材料的折射率
D.為保證光全被約束在纖芯中，光進入光纖時的入射角只能是90°
B
解析：A.由 ，可知光在該光纖中的傳播速率小于在真空中的速率，故A錯誤；B.光在該光纖中利用全反射現象減小傳輸中的損耗，實現良好照明效果，故B正確；C.為保證光全被約束在纖芯中，芯層材料的折射率需大于皮層材料的折射率，才能保證光從芯層材料射向皮層材料時，發生全反射，故C錯誤；D.由C選項分析可知，光進入光纖時的入射角沒有特殊要求，故D錯誤。故選B。
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