第4节光导纤维及其应用（教学课件）物理鲁科版2019选择性

鲁科版2019高中物理选择性必修一第4章光的折射和全反射第4节

光导纤维及其应用新课导入新课导入俄乌战场新“黑科技”崛起，当西方援助的电子战系统干扰了俄罗斯无人机的无线控制时，俄军选择了一个简单直接的解决方案：使用光纤连接。光纤无人机隐蔽精准、抗干扰，与“子母机”协同实现32公里精准猎杀，乌军始料未及，后勤瘫痪导致前线崩溃，你知道这根‘魔法丝线’背后的物理密码吗？物理观念能理解光导纤维的工作原理（基于光的全反射），明确光纤的结构（纤芯、包层）与导光特性的关联，建立对光纤传光规律的物理认知。科学思维能通过分析光纤中光的传播路径，对比光纤通信与传统通信的优势，解释光纤信号传输中减少损耗的原理，提升逻辑分析与对比论证能力。科学探究能参与“模拟光纤传光”实验（如用透明管、激光笔演示光的全反射传光），观察光在不同介质中的传播现象，验证光纤导光原理，提高实验观察与原理验证能力。科学态度与责任通过了解光导纤维在通信、医疗（内窥镜）、传感等领域的应用及发展，认识其对科技进步的推动作用，培养运用物理知识关注科技发展、服务社会的责任意识。

学习目标

重点难点重点理解光导纤维基于全反射的传光原理及核心结构（纤芯、包层）。难点分析光纤中光的传播路径及减少传输损耗的原理。1966年，33岁的华裔科学家高锟博士和GeorgeA.Hockham首先提出光纤可以用于通讯传输的设想,43年后,获得2009年诺贝尔物理学奖。由于高锟制造出世界上第一根光导纤维，被誉为“光纤之父”。一、光导纤维的工作原理1.把石英玻璃拉成直径几微米到几十微米的细丝，再包上折射率比它小的材料，就制成了光导纤维，简称光纤。光纤针眼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（激光可由激光笔产生），观察光的传播路径。水流导光做一做——水流导光模拟光纤模拟光纤2.光导纤维的组成：由折射率较大的内芯和折射率较小的外套组成，光传播时在内芯与外套的界面上发生全反射。实际上，光纤材料的折射率是多层渐变的通常把若干根光纤集成一束，制成光缆。

光纤一般由折射率较高的玻璃内芯和折射率较低的外层透明介质组成。光在光纤内传播时，由光密介质(n1)入射到光疏介质(n2)，若入射角i

≥

C，光会在光纤内不断发生全反射。

光会在光纤中从一端传到另一端，不会在中途漏射出来。03.二、光导纤维应用(1)内窥镜如果把光导纤维聚集成束，使纤维在两端排列的相对位置一样，图像就可以从一端传到另一端。医学上用这种光纤制成内窥镜用来检查人体胃、肠、气管等脏器的内部。实际的内窥镜装有两组光纤，一组把光传送到人体内部进行照明，另一组把体内的图像传出供医生观察。光纤光也可以像无线电波那样，作为载体来传递信息。载有声音、图像以及各种数字信号的激光从光纤的一端输入，就可以传到千里以外的另一端，实现光纤通信。一路光纤的传输能力理论值为二十亿路电话，一千万路电视。虽然光纤通信的发展历史只有20多年的，但是发展的速度是惊人的。(2)光纤通信光纤通信的主要优点：容量大、衰减小、抗干扰性强。光纤通信(3)光纤装饰照明你知道这根‘魔法丝线’背后的物理密码吗？第4节

光导纤维及其应用我们从万家灯火出发，发现了信息传输的新方式——光纤；我们透过显微镜看到了它的‘双层蛋糕’结构；我们用激光和水流见证了全反射的神奇；我们还走进医院、潜入海底、仰望星空，看到了它改变世界的力量。课堂小结1.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B学以致用2.光导纤维的结构如图所示，其内芯和外套材料不同，光在内芯中传播.以下关于光导纤维的说法正确的是(

)A.内芯的折射率比外套大，光传播时在内芯与外套的界面发生全反射B.内芯的折射率比外套小，光传播时在内芯与外套的界面发生全反射C.内芯的折射率比外套小，光传播时在内芯与外套的界面发生折射D.内芯的折射率与外套相同，外套的材料有韧性，可以起保护作用A3.（多选）一根实际的光导纤维从内到外一般由纤芯、包层、涂层和护套四部分组成，光信号在纤芯中传播。如图所示，一束复色光以入射角i从空气射入一段圆柱状光纤的纤芯后分成了a、b两束单色光，已知i=45°，下列说法中正确的是(

)A.纤芯的折射率小于包层的折射率B.a光在光纤内的传播速度大于b光的传播速度C.a光在光纤中传播的时间比b光短D.入射角i越小，a、b光各自在光纤中传播的时间越长BC4.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.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。5.如图所示，一条长度为L=5.0m的光导纤维用折射率为n=的材料制成。一细束激光由其左端的中心点以α=45°的入射角射入光导纤维内，经过一系列全反射后从右端射出。求：

（1）该激光在光导纤维中的速度v是多大？

（2）该激光在光导纤维中传输所经历的时间是多少？解析（1）由n=c/v可得v=2