光的全反射應(yīng)用實例試卷一、選擇題（每題5分，共30分）下列現(xiàn)象中，屬于光的全反射現(xiàn)象的是（）A.雨后天空出現(xiàn)彩虹B.水中筷子看起來變彎C.海市蜃樓D.陽光下水面波光粼粼光導(dǎo)纖維能夠高效傳輸光信號，其主要原理是（）A.光的折射B.光的干涉C.光的全反射D.光的衍射關(guān)于全反射現(xiàn)象，下列說法正確的是（）A.光從光疏介質(zhì)射向光密介質(zhì)時可能發(fā)生全反射B.全反射時沒有折射光線，只有反射光線C.發(fā)生全反射時，反射光線強(qiáng)度小于入射光線強(qiáng)度D.臨界角大小與介質(zhì)折射率無關(guān)下列光學(xué)儀器中，沒有應(yīng)用全反射原理的是（）A.光導(dǎo)纖維內(nèi)窺鏡B.自行車尾燈C.照相機(jī)鏡頭D.全反射棱鏡海市蜃樓現(xiàn)象主要是由于光的什么現(xiàn)象形成的（）A.折射B.反射C.全反射D.干涉某透明介質(zhì)的折射率為√2，則該介質(zhì)的臨界角為（）A.30°B.45°C.60°D.90°二、填空題（每空3分，共30分）發(fā)生全反射現(xiàn)象需要滿足兩個條件：一是光從______介質(zhì)進(jìn)入______介質(zhì)，二是入射角______臨界角。光導(dǎo)纖維由______和______兩部分組成，其中______的折射率大于______的折射率。自行車尾燈是由許多互成______角的小平面鏡組成，利用光的______現(xiàn)象使后方車輛司機(jī)能看到前方的自行車。全反射棱鏡與普通平面鏡相比，其優(yōu)點是反射率______，幾乎沒有______損失。臨界角的計算公式是______，其中n是光密介質(zhì)的折射率。三、簡答題（每題10分，共40分）簡述光纖通信的工作原理及其主要優(yōu)點。解釋海市蜃樓現(xiàn)象的形成原因。說明全反射棱鏡在光學(xué)儀器中的作用，并舉例說明。潛水鏡是如何利用光的全反射原理幫助潛水者看清水中物體的？四、計算題（每題15分，共30分）已知水的折射率為1.33，空氣的折射率為1.00。當(dāng)光從水中射向空氣時，求臨界角的大小。若入射角為50°，判斷是否會發(fā)生全反射現(xiàn)象。某光導(dǎo)纖維內(nèi)芯折射率為1.50，外套折射率為1.45。求光在內(nèi)芯與外套界面處發(fā)生全反射的臨界角。若光導(dǎo)纖維長度為1km，光在其中傳播的最短時間是多少？（光在真空中的速度c=3×10^8m/s）五、實驗題（20分）某同學(xué)利用如圖所示裝置研究全反射現(xiàn)象。裝置由半圓形玻璃磚、激光筆、量角器等組成。（1）請寫出實驗步驟，以測量玻璃磚的臨界角。（2）若測得該玻璃磚的臨界角為42°，求該玻璃磚的折射率。（3）若保持入射光方向不變，將玻璃磚繞圓心緩慢旋轉(zhuǎn)，描述觀察到的現(xiàn)象。六、綜合應(yīng)用題（30分）光纖通信系統(tǒng)（1）畫出光纖通信系統(tǒng)的基本組成框圖，并說明各部分的作用。（2）某光纖通信系統(tǒng)中，光信號在光纖中傳播時，每公里衰減0.5dB。若發(fā)射端光功率為1mW，接收端最小可檢測光功率為1μW，求該系統(tǒng)的最大傳輸距離。（已知：衰減量(dB)=10lg(P1/P2)）全反射在醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用（1）簡述纖維內(nèi)窺鏡的工作原理。（2）說明全反射原理在激光手術(shù)中的應(yīng)用。七、論述題（20分）論述全反射原理在現(xiàn)代科技發(fā)展中的重要意義，并舉例說明其在不同領(lǐng)域的應(yīng)用。結(jié)合實際，談?wù)勎磥砣瓷浼夹g(shù)可能的發(fā)展方向。參考答案及解析一、選擇題C解析：海市蜃樓是由于光的全反射形成的；彩虹是光的色散現(xiàn)象；水中筷子變彎是光的折射現(xiàn)象；水面波光粼粼是光的反射現(xiàn)象。C解析：光導(dǎo)纖維利用光的全反射原理傳輸光信號，使光能夠在纖維中長距離傳播而損失很小。B解析：全反射發(fā)生的條件是光從光密介質(zhì)射向光疏介質(zhì)，且入射角大于等于臨界角；全反射時折射光線消失，只有反射光線，且反射光線強(qiáng)度等于入射光線強(qiáng)度；臨界角大小與介質(zhì)折射率有關(guān)，公式為sinC=1/n。C解析：照相機(jī)鏡頭主要利用光的折射原理，其表面的增透膜是利用光的干涉原理；其他三項均應(yīng)用了全反射原理。C解析：海市蜃樓是由于不同高度空氣的折射率不同，光在傳播過程中發(fā)生折射和全反射形成的虛像。B解析：根據(jù)臨界角公式sinC=1/n，可得C=arcsin(1/√2)=45°。二、填空題光密；光疏；大于等于內(nèi)芯；外套；內(nèi)芯；外套直角；反射高；能量sinC=1/n三、簡答題光纖通信的工作原理是利用光的全反射現(xiàn)象。光信號從光導(dǎo)纖維的一端射入，在纖維內(nèi)壁之間不斷發(fā)生全反射，沿著光纖向前傳播，最終從另一端射出。其主要優(yōu)點包括：傳輸容量大、傳輸損耗小、抗電磁干擾能力強(qiáng)、保密性好、重量輕、體積小等。海市蜃樓現(xiàn)象主要是由于不同高度的空氣層密度不同，導(dǎo)致折射率不同。當(dāng)光線從密度大的空氣層（光密介質(zhì)）射向密度小的空氣層（光疏介質(zhì)）時，入射角逐漸增大，當(dāng)超過臨界角時發(fā)生全反射。遠(yuǎn)處物體的光線通過這種折射和全反射后，進(jìn)入人眼，人眼逆著光線方向看到物體的虛像，形成海市蜃樓。全反射棱鏡利用全反射原理改變光路方向，與普通平面鏡相比，具有反射率高、幾乎無能量損失、成像質(zhì)量好等優(yōu)點。例如，在潛望鏡中，全反射棱鏡用于改變光的傳播方向；在單反相機(jī)中，五棱鏡利用全反射原理將光線反射到取景器中。潛水鏡的鏡片采用特殊的光學(xué)設(shè)計，其折射率大于水的折射率。當(dāng)潛水者在水下觀察時，光線從水中射向鏡片（光密介質(zhì)到光疏介質(zhì)），如果入射角大于臨界角，就會發(fā)生全反射。這種設(shè)計可以減少光線在界面的折射損失，使更多的光線進(jìn)入人眼，從而讓潛水者能夠看清水下物體。同時，潛水鏡還能防止水進(jìn)入眼睛，保護(hù)眼睛免受水的刺激。四、計算題解：根據(jù)臨界角公式sinC=1/n，其中n=1.33sinC=1/1.33≈0.7519，所以C≈48.75°因為入射角50°大于臨界角48.75°，所以會發(fā)生全反射現(xiàn)象。解：（1）臨界角sinC=n外套/n內(nèi)芯=1.45/1.50≈0.9667，所以C≈75.5°（2）光在光纖中的傳播速度v=c/n內(nèi)芯=3×10^8/1.50=2×10^8m/s光在光纖中傳播的最短距離為光纖長度1km=1000m最短時間t=1000/(2×10^8)=5×10^-6s=5μs五、實驗題（1）實驗步驟：①將半圓形玻璃磚放在白紙上，畫出其直徑和圓心。②讓激光筆發(fā)出的激光沿半徑方向射向玻璃磚的圓心處。③緩慢增大入射角，同時觀察折射光線的變化。④當(dāng)折射光線剛好消失時，記錄此時的入射角，即為臨界角。⑤多次測量取平均值。（2）折射率n=1/sinC=1/sin42°≈1.49（3）隨著玻璃磚的旋轉(zhuǎn)，入射角逐漸增大，折射光線逐漸減弱，反射光線逐漸增強(qiáng)；當(dāng)入射角達(dá)到臨界角時，折射光線消失，發(fā)生全反射；繼續(xù)旋轉(zhuǎn)，反射光線的方向發(fā)生變化，但始終遵循反射定律。六、綜合應(yīng)用題（1）光纖通信系統(tǒng)基本組成框圖：發(fā)射端（光源、調(diào)制器）→光纖→接收端（光檢測器、解調(diào)器）各部分作用：光源：產(chǎn)生攜帶信息的光信號調(diào)制器：將電信號加載到光信號上光纖：傳輸光信號的介質(zhì)光檢測器：將光信號轉(zhuǎn)換為電信號解調(diào)器：從電信號中提取原始信息（2）設(shè)最大傳輸距離為L，衰減量=0.5LdB根據(jù)衰減量公式：0.5L=10lg(1mW/1μW)=10lg(1000)=30解得L=60km（1）纖維內(nèi)窺鏡由大量光導(dǎo)纖維組成，分為導(dǎo)光束和導(dǎo)像束。導(dǎo)光束將外部光源的光導(dǎo)入體內(nèi)，照亮觀察部位；導(dǎo)像束利用全反射原理將體內(nèi)器官的圖像傳出體外，醫(yī)生通過目鏡或顯示器觀察。其直徑小、可彎曲，能深入人體內(nèi)部進(jìn)行檢查，減少患者痛苦。（2）在激光手術(shù)中，光纖作為傳輸激光的介質(zhì)，利用全反射原理將高能量激光準(zhǔn)確傳輸?shù)讲∽儾课唬瑢崿F(xiàn)切割、凝固、汽化等治療目的。具有創(chuàng)傷小、精度高、出血少等優(yōu)點，廣泛應(yīng)用于眼科、皮膚科、外科等領(lǐng)域。七、論述題全反射原理在現(xiàn)代科技發(fā)展中具有重要意義，它為信息傳輸、醫(yī)療診斷、能源利用等領(lǐng)域提供了關(guān)鍵技術(shù)支撐。在通信領(lǐng)域，光纖通信基于全反射原理，實現(xiàn)了全球高速信息網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建，極大地促進(jìn)了信息時代的發(fā)展；在醫(yī)療領(lǐng)域，內(nèi)窺鏡利用全反射原理使醫(yī)生能夠無創(chuàng)地觀察人體內(nèi)部，提高了診斷準(zhǔn)確性和治療效果；在光學(xué)儀器方面，全反射棱鏡提高了儀器的性能和可靠性。未來，全反射技術(shù)可能在以下方向發(fā)展：一是新型光導(dǎo)材料的研發(fā)，進(jìn)一步提高光傳輸效率和降低成本；二是全反射在微納光學(xué)中的應(yīng)用，開發(fā)更小、更高效的光學(xué)器件；三是結(jié)合人工智能和物聯(lián)網(wǎng)，拓展全反射技術(shù)在傳感、成像等領(lǐng)域的應(yīng)用；四是在新能源領(lǐng)域，利用全反射原理提高太陽能利用效率等。隨著科技的進(jìn)步，全反射原理將在更多領(lǐng)域發(fā)揮重要作用，推動人類社會的發(fā)展。命題意圖與考查范圍本試卷全面考查學(xué)生對光的全反射原理