第4章 4.6 全反射與光導纖維+4.7 激光

1、.4.6全反射與光導纖維4.7激光學 習 目 標知 識 脈 絡(luò)1.知道什么是光疏介質(zhì)，什么是光密介質(zhì).2.理解光的全反射，進展有關(guān)計算.重點，難點3.理解臨界角的概念，能判斷是否發(fā)生全反射，并能解決有關(guān)的問題.重點，難點4.知道光導纖維及其應(yīng)用.5.理解激光的主要特征和應(yīng)用.研 究 光 的 全 反 射 現(xiàn) 象1.光疏介質(zhì)和光密介質(zhì)1概念：兩種介質(zhì)比較，折射率小的介質(zhì)叫做光疏介質(zhì)，折射率大的介質(zhì)叫做光密介質(zhì).2光在光密介質(zhì)中的傳播速度比在光疏介質(zhì)中的傳播速度小.2.全反射現(xiàn)象1全反射：光從光密介質(zhì)射入光疏介質(zhì)時，假設(shè)入射角增大到某一角度，折射光線就會消失，只剩下反射光線的現(xiàn)象.2臨界角：剛好發(fā)生

2、全反射即折射角等于90時的入射角.用字母C表示.3臨界角與折射率的關(guān)系：光由介質(zhì)射入空氣真空時，sin C.1.密度大的介質(zhì)就是光密介質(zhì).2.兩種介質(zhì)相比較，折射率大的介質(zhì)是光密介質(zhì).3.光密介質(zhì)和光疏介質(zhì)具有絕對性.1.只有一種介質(zhì)能否確定它是光密介質(zhì)還是光疏介質(zhì)？【提示】不能.光密介質(zhì)、光疏介質(zhì)是對確定的兩種介質(zhì)相比較折射率而確定的，只有一種介質(zhì)是無法比較折射率的，從而無法確定它是光疏介質(zhì)還是光密介質(zhì).2.為什么水中或玻璃中的氣泡看起來特別亮堂？【提示】水或玻璃中的氣泡是光疏介質(zhì)，光經(jīng)過水或玻璃照射氣泡時，一部分光會發(fā)生全反射，相對于其他物體而言，有更多的光反射到人眼中，就好似光是由氣泡發(fā)

3、出的，因此人眼感覺氣泡特別亮堂.1.對光疏介質(zhì)和光密介質(zhì)的理解光疏介質(zhì)和光密介質(zhì)是相對而言的，并沒有絕對的意義.例如：水晶n1.55對玻璃n1.5是光密介質(zhì)，而對金剛石n2.42來說，就是光疏介質(zhì).同一種介質(zhì)到底是光疏介質(zhì)還是光密介質(zhì)，不是絕對的.光疏和光密是從介質(zhì)的光學特性來說的，并不是它的密度大小.例如，酒精的密度比水小，但酒精和水相比酒精是光密介質(zhì).由v可知：光在光密介質(zhì)中傳播速度比在光疏介質(zhì)中要小.光在兩種介質(zhì)中傳播時，由折射定律可知：n1sin 1n2sin 2，n1v1n2v2，由此可知：當光從光密介質(zhì)傳播到光疏介質(zhì)時，折射角大于入射角；當光從光疏介質(zhì)傳播到光密介質(zhì)時，折射角小于入

4、射角.光在光疏介質(zhì)中傳播的速度大于光在光密介質(zhì)中傳播的速度.2.對全反射的理解1全反射是光的折射的特殊現(xiàn)象，全反射現(xiàn)象還可以從能量變化角度加以理解.當光從光密介質(zhì)射入光疏介質(zhì)，在入射角逐漸增大的過程中，反射光的能量逐漸增強，折射光的能量逐漸減弱，當入射角等于臨界角時，折射光的能量已經(jīng)減弱為零，發(fā)生了全反射.2全反射遵循的規(guī)律：光從光密介質(zhì)進入光疏介質(zhì)發(fā)生全反射時，仍然遵守反射定律，有關(guān)計算仍根據(jù)反射定律進展.1.以下選項所示光線由空氣透過半圓形玻璃磚，再射入空氣的光路圖中，正確的選項是玻璃的折射率為1.5【解析】【答案】BDE2.水、水晶、玻璃和二硫化碳的折射率分別為1.33、1.55、1.6

5、0和1.63，假如光按以下幾種方式傳播，可能發(fā)生全反射的是A.從玻璃射入水晶B.從水射入二硫化碳C.從玻璃射入水中D.從水晶射入水E.從玻璃射入二硫化碳【解析】發(fā)生全反射的條件之一是光從光密介質(zhì)射入光疏介質(zhì)，光密介質(zhì)折射率較大，故A、C、D正確.【答案】ACD3.為了測定某種材料制成的長方體的折射率，用一束光線從AB面以60入射角射入長方體光陰線剛好不能從BC面射出，如圖461所示，該材料的折射率是多少？圖461【解析】如題圖所示，根據(jù)折射定律：n由題意可知sin C而C90r由得cos r而cos r代入得聯(lián)立和解得n.【答案】全反射定律的應(yīng)用技巧1.首先判斷是否為光從光密介質(zhì)進入光疏介質(zhì)，

6、假如是，下一步就要再利用入射角和臨界角的關(guān)系進一步判斷，假如不是那么直接應(yīng)用折射定律解題即可.2.分析光的全反射時，根據(jù)臨界條件找出臨界狀態(tài)是解決這類題目的關(guān)鍵.3.當發(fā)生全反射時，仍遵循光的反射定律和光路可逆性.4.認真標準作出光路圖，是正確求解這類題目的重要保證.全 反 射 現(xiàn) 象 的 應(yīng) 用1.全反射棱鏡頂角是直角的等腰三棱鏡叫做全反射棱鏡，沿棱鏡的任何一面垂直射入棱鏡的光都將發(fā)生全反射.2.光導纖維1構(gòu)造和原理光導纖維是非常細的特制玻璃絲，直徑從幾微米到幾十微米之間，由內(nèi)芯和外層透明介質(zhì)兩層組成.內(nèi)芯的折射率比外套的折射率大，光傳播時在內(nèi)芯與外套的界面上發(fā)生全反射.2應(yīng)用：光導纖維可應(yīng)

7、用于醫(yī)學上的內(nèi)窺鏡和光纖通信.1.光從密度大的介質(zhì)射入密度小的介質(zhì)時一定能發(fā)生全反射.2.全反射棱鏡和平面鏡都是根據(jù)全反射原理.3.光纖通信的主要優(yōu)點是容量大.微細的光纖封裝在塑料護套中，使得它可以彎曲而不至于斷裂，光纖為什么要由兩層介質(zhì)構(gòu)成？【提示】光纖的工作原理是全反射，要由兩種介質(zhì)配合才能產(chǎn)生全反射現(xiàn)象.1.全反射棱鏡1用玻璃制成的截面為等腰直角三角形的棱鏡，其臨界角約為42.2改變光的傳播方向：當光垂直于截面的直角邊射入棱鏡時，光在截面的斜邊上發(fā)生全反射，光射出棱鏡時，傳播方向改變了90.當光垂直于截面的斜邊射入棱鏡時，在兩個直角邊上各發(fā)生一次全反射，使光的傳播方向改變了180.3全反

8、射棱鏡特點：與平面鏡相比，全反射棱鏡反射率高，幾乎可達100%.反射面不必涂任何反光物質(zhì)，反射失真小.抑制了平面鏡成多個像的問題.2.光導纖維1構(gòu)造：光導纖維一般由折射率較大的玻璃內(nèi)芯和折射率較小的外層透明介質(zhì)組成，如圖462所示.圖462實際用的光導纖維是非常細的特制玻璃絲，直徑只有幾微米到一百微米之間，外層包上折射率比它小的材料，再把假設(shè)干根光纖集成一束，制成光纜，進一步進步了光纖的強度.2原理：全反射是光導纖維的根本工作原理.光在光纖內(nèi)傳播時，由光密介質(zhì)入射到光疏介質(zhì)，假設(shè)入射角iC臨界角，光就會在光纖內(nèi)不斷發(fā)生全反射.3應(yīng)用：光纖通信是光導纖維的一個重要應(yīng)用.載有聲音、圖像以及各種數(shù)字

9、信號的激光從光纖一端輸入，就可以傳到千里之外的另一端，實現(xiàn)光纖通信.4.空氣中兩條光線a和b從方框左側(cè)入射，分別從方框下方和上方射出，其框外光線如圖463所示，方框內(nèi)有兩個折射率為n1.5的全反射玻璃棱鏡.在框內(nèi)畫出兩個棱鏡的放置方式并作出光路圖.圖463【答案】5.光纖通訊中信號傳播的主要載體是光導纖維，它的構(gòu)造如圖464所示，其內(nèi)芯和外套材料不同，光在內(nèi)芯中傳播.內(nèi)芯的折射率比外套的_，光傳播時在內(nèi)芯與_的界面上發(fā)生全反射.圖464【解析】光纖內(nèi)芯比外套折射率大，在內(nèi)芯與外套的界面上發(fā)生全反射.【答案】大外套6.如圖465所示，一根長為L的直光導纖維，它的折射率為n.光從它的一個端面射入，

10、從另一端面射出所需的最長時間為多少？設(shè)光在真空中的光速為c圖465【解析】該題考察光導纖維的全反射及光速問題.由題中的條件可知，要使光線從光導纖維的一端射入，然后從它的另一端全部射出，必須使光線在光導纖維中發(fā)生全反射現(xiàn)象.要使光線在光導纖維中經(jīng)歷的時間最長，就必須使光線的途徑最長，即光對光導纖維的入射角最小，光導纖維的臨界角為Carcsin.光在光導纖維中傳播的路程為dnL，光在光導纖維中傳播的速度為v，所需的最長時間為tmax.【答案】對光導纖維折射率的要求設(shè)光導纖維的折射率為n，當入射光線的入射角為1時，進入端面的折射光線傳到側(cè)面時恰好發(fā)生全發(fā)射，如圖466所示，那么有：sin C，n，C

11、290，由以上各式可得：圖466sin 1.由圖466可知：1當1增大時，2增大，而從纖維射向空氣中光線的入射角減小.2當190時，假設(shè)C，那么所有進入纖維中的光線都能發(fā)生全反射，即有n，以上是光從纖維射向真空時得到的折射率.3由于光導纖維包有外套，外套的折射率比真空的折射率大，因此光導纖維折射率要比大些.激 光1.激光的特點及應(yīng)用特點性質(zhì)應(yīng)用單色性好相干性：激光具有單色性好、相干性好，頻率嚴格單一，且在同一個方向上偏振的光能產(chǎn)生穩(wěn)定的干預現(xiàn)象光纖通信方向性好平行度：激光的平行度非常好，傳播很遠的間隔 發(fā)散角只有0.06激光測距，讀取光盤上記錄的信息等亮度高亮度高：它可以在很小的空間和很短的時

12、間內(nèi)聚集起大到難以想象的能量用激光束切割、焊接、醫(yī)學上可以用激光做“光刀、激發(fā)核反響等2.全息照相1與普通照相技術(shù)的比較普通照相技術(shù)所記錄的只是光波的強弱信息，而全息照相技術(shù)還記錄了光波的相位信息.2原理：全息照片的拍攝利用了光的干預原理.1.激光可以進展光纖通信是利用了相干性好的特點.2.激光可用做“光刀來切開皮膚是利用激光的相干性好.3.全息照相技術(shù)只能記錄光波的強弱信息.利用激光測量地球到月球的間隔 ，應(yīng)用了激光哪方面的性質(zhì)？【提示】應(yīng)用了“平行度非常好的性質(zhì).1.激光的相干性好所謂相干性好，是指容易產(chǎn)生干預現(xiàn)象.普通光源發(fā)出的光即使是所謂的單色光頻率是不一樣的，而激光器發(fā)出的激光的頻率

13、幾乎是單一的，并且滿足其他的相干條件.所以，如今我們做雙縫干預實驗時，無需在雙縫前放一個單縫，而是用激光直接照射雙縫，就能得到既亮堂又明晰的干預條紋.利用相干光易于調(diào)制的特點傳輸信息，所能傳遞的信息密度極高，一條細細的激光束通過光纜可以同時傳送一百億路 和一千萬套電視，全國人民同時通話還用不完它的通訊容量，而光纖通信就必須借助激光技術(shù)才能開展.2.激光的平行度非常好與普通光相比，傳播一樣間隔 的激光束的擴散程度小，光線仍能保持很大的強度，保持它的高能量，利用這一點可以準確測距.如今利用激光測量地月間隔 準確度已到達1 m.3.激光的亮度非常高它可以在很小的空間和很短的時間內(nèi)集中很大的能量.假如

14、把強大的激光束會聚起來，可使物體被照部分在千分之一秒的時間內(nèi)產(chǎn)生幾千萬度的高溫.不能直接照射眼睛，否那么會傷害眼睛.4.激光單色性很好激光的頻率范圍極窄，顏色幾乎是完全一致的.7.關(guān)于激光的應(yīng)用，以下說法中正確的選項是A.光纖通信是應(yīng)用激光相干好的特點對信號進展調(diào)制，使其在光導纖維中進展信息傳遞B.計算機內(nèi)用“磁頭可讀出光盤上記錄的信息是應(yīng)用了激光平行度好的特點來進展的C.醫(yī)學中用激光作“光刀來切除腫瘤是應(yīng)用了激光亮度高的特點D.“激光測距雷達利用激光測量很遠目的的間隔 是應(yīng)用了激光亮度高的特點E.激光打孔是應(yīng)用了激光相干性好的特點【解析】光纖通信主要利用激光的相干性好的特點，選項A正確；計算

15、機內(nèi)的“磁頭可讀出光盤上的信息主要應(yīng)用了激光的平行度好的特點，選項B正確；醫(yī)療中用激光作“光刀和工業(yè)上用激光打孔都是利用了激光的亮度高的特點，選項C正確，E錯誤；激光測距利用的是激光的平行度好的特點，選項D錯誤.【答案】ABC8.準分子激光器利用氬氣和氟氣的混合物產(chǎn)生激光刀，可用于進展近視眼的治療.用這樣的激光刀對近視眼進展手術(shù)，手術(shù)時間短、效果好、無痛苦.關(guān)于這個治療，以下說法中正確的選項是A.近視眼是物體成像在眼球中的視網(wǎng)膜的前面，使人不能看清物體B.激光具有很好的方向性，用激光刀可以在非常小的面積上對眼睛進展手術(shù)C.激光治療近視眼手術(shù)是對視網(wǎng)膜進展修復D.激光治療近視眼手術(shù)是對角膜進展切

16、削E.激光治療近視眼手術(shù)是利用激光的相干性好【解析】激光手術(shù)是物理技術(shù)用于臨床醫(yī)學的最新成果.人的眼睛是一個光學成像系統(tǒng)，角膜和晶狀體相當于一個凸透鏡，物體通過凸透鏡成像在視網(wǎng)膜上，人就能看清楚物體.當角膜和晶狀體組成的這個凸透鏡的焦距比較小，物體成像在視網(wǎng)膜的前面時，人就不能看清物體，這就是近視眼，A對；激光具有很好的方向性，用激光刀可以在非常小的面積上對眼睛進展手術(shù)，B對、E錯；激光手術(shù)不是修復視網(wǎng)膜，而是對角膜進展切削，改變角膜的形狀，使眼球中的凸透鏡的焦距適當變大，物體經(jīng)過角膜和晶狀體后成像在視網(wǎng)膜上，C錯、D對.【答案】ABD9.激光全息照片的底片上記錄了光的干預條紋，含有被拍攝物體反射的光的所有信息，實現(xiàn)了照片的立體性.假設(shè)照相時，被攝物體被擋住一部分，通過調(diào)整視線仍可看見被擋部分.照片被切開成兩半，從一半上仍可看到物體的全像