第4章 4.6 全反射與光導(dǎo)纖維+4.7 激光

1、.4.6全反射與光導(dǎo)纖維4.7激光學(xué) 習(xí) 目 標(biāo)知 識(shí) 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(jìn)展有關(guān)計(jì)算.重點(diǎn)，難點(diǎn)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(wèn)題.重點(diǎn)，難點(diǎn)4.知道光導(dǎo)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(shí)，假設(shè)入射角增大到某一角度，折射光線就會(huì)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(shí)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(shí)，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(duì)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(duì)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(wú)法比較折射率的，從而無(wú)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(lái)特別亮堂？【提示】水或玻璃中的氣泡是光疏介質(zhì)，光經(jīng)過(guò)水或玻璃照射氣泡時(shí)，一部分光會(huì)發(fā)生全反射，相對(duì)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(jué)氣泡特別亮堂.1.對(duì)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(duì)而言的，并沒(méi)有絕對(duì)的意義.例如：水晶n1.55對(duì)玻璃n1.5是光密介質(zhì)，而對(duì)金剛石n2.42來(lái)說(shuō)，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(duì)的.光疏和光密是從介質(zhì)的光學(xué)特性來(lái)說(shuō)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(shí)，由折射定律可知：n1sin 1n2sin 2，n1v1n2v2，由此可知：當(dāng)光從光密介質(zhì)傳播到光疏介質(zhì)時(shí)，折射角大于入射角；當(dāng)光從光疏介質(zhì)傳播到光密介質(zhì)時(shí)，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(duì)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(dāng)光從光密介質(zhì)射入光疏介質(zhì)，在入射角逐漸增大的過(guò)程中，反射光的能量逐漸增強(qiáng)，折射光的能量逐漸減弱，當(dāng)入射角等于臨界角時(shí)，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(jìn)入光疏介質(zhì)發(fā)生全反射時(shí)，仍然遵守反射定律，有關(guān)計(jì)算仍根據(jù)反射定律進(jìn)展.1.以下選項(xiàng)所示光線由空氣透過(guò)半圓形玻璃磚，再射入空氣的光路圖中，正確的選項(xiàng)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(cè)定某種材料制成的長(zhǎng)方體的折射率，用一束光線從AB面以60入射角射入長(zhǎng)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(jìn)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(jìn)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(shí)，根據(jù)臨界條件找出臨界狀態(tài)是解決這類(lèi)題目的關(guān)鍵.3.當(dāng)發(fā)生全反射時(shí)，仍遵循光的反射定律和光路可逆性.4.認(rèn)真標(biāo)準(zhǔn)作出光路圖，是正確求解這類(lèi)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(dǎo)纖維1構(gòu)造和原理光導(dǎo)纖維是非常細(xì)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(shí)在內(nèi)芯與外套的界面上發(fā)生全反射.2應(yīng)用：光導(dǎo)纖維可應(yīng)

7、用于醫(yī)學(xué)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(shí)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(diǎn)是容量大.微細(xì)的光纖封裝在塑料護(hù)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(dāng)光垂直于截面的直角邊射入棱鏡時(shí)，光在截面的斜邊上發(fā)生全反射，光射出棱鏡時(shí)，傳播方向改變了90.當(dāng)光垂直于截面的斜邊射入棱鏡時(shí)，在兩個(gè)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(diǎn)：與平面鏡相比，全反射棱鏡反射率高，幾乎可達(dá)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(gè)像的問(wèn)題.2.光導(dǎo)纖維1構(gòu)造：光導(dǎo)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(shí)際用的光導(dǎo)纖維是非常細(xì)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(jìn)一步進(jìn)步了光纖的強(qiáng)度.2原理：全反射是光導(dǎo)纖維的根本工作原理.光在光纖內(nèi)傳播時(shí)，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(huì)在光纖內(nèi)不斷發(fā)生全反射.3應(yīng)用：光纖通信是光導(dǎo)纖維的一個(gè)重要應(yīng)用.載有聲音、圖像以及各種數(shù)字

9、信號(hào)的激光從光纖一端輸入，就可以傳到千里之外的另一端，實(shí)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(gè)折射率為n1.5的全反射玻璃棱鏡.在框內(nèi)畫(huà)出兩個(gè)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(hào)傳播的主要載體是光導(dǎo)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(shí)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(zhǎng)為L(zhǎng)的直光導(dǎo)纖維，它的折射率為n.光從它的一個(gè)端面射入，

10、從另一端面射出所需的最長(zhǎng)時(shí)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(dǎo)纖維的全反射及光速問(wèn)題.由題中的條件可知，要使光線從光導(dǎo)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(dǎo)纖維中發(fā)生全反射現(xiàn)象.要使光線在光導(dǎo)纖維中經(jīng)歷的時(shí)間最長(zhǎng)，就必須使光線的途徑最長(zhǎng)，即光對(duì)光導(dǎo)纖維的入射角最小，光導(dǎo)纖維的臨界角為Carcsin.光在光導(dǎo)纖維中傳播的路程為dnL，光在光導(dǎo)纖維中傳播的速度為v，所需的最長(zhǎng)時(shí)間為tmax.【答案】對(duì)光導(dǎo)纖維折射率的要求設(shè)光導(dǎo)纖維的折射率為n，當(dāng)入射光線的入射角為1時(shí)，進(jìn)入端面的折射光線傳到側(cè)面時(shí)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(dāng)1增大時(shí)，2增大，而從纖維射向空氣中光線的入射角減小.2當(dāng)190時(shí)，假設(shè)C，那么所有進(jìn)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(shí)得到的折射率.3由于光導(dǎo)纖維包有外套，外套的折射率比真空的折射率大，因此光導(dǎo)纖維折射率要比大些.激 光1.激光的特點(diǎn)及應(yīng)用特點(diǎn)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(yán)格單一，且在同一個(gè)方向上偏振的光能產(chǎn)生穩(wěn)定的干預(yù)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(yuǎn)的間隔 發(fā)散角只有0.06激光測(cè)距，讀取光盤(pán)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(shí)

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(xué)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(qiáng)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(yù)原理.1.激光可以進(jìn)展光纖通信是利用了相干性好的特點(diǎn).2.激光可用做“光刀來(lái)切開(kāi)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(qiáng)弱信息.利用激光測(cè)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(yù)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(yù)實(shí)驗(yàn)時(shí)，無(wú)需在雙縫前放一個(gè)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(yù)條紋.利用相干光易于調(diào)制的特點(diǎn)傳輸信息，所能傳遞的信息密度極高，一條細(xì)細(xì)的激光束通過(guò)光纜可以同時(shí)傳送一百億路 和一千萬(wàn)套電視，全國(guó)人民同時(shí)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(kāi)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(kuò)散程度小，光線仍能保持很大的強(qiáng)度，保持它的高能量，利用這一點(diǎn)可以準(zhǔn)確測(cè)距.如今利用激光測(cè)量地月間隔 準(zhǔn)確度已到達(dá)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(shí)間內(nèi)集中很大的能量.假如

14、把強(qiáng)大的激光束會(huì)聚起來(lái)，可使物體被照部分在千分之一秒的時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生幾千萬(wàn)度的高溫.不能直接照射眼睛，否那么會(huì)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(shuō)法中正確的選項(xiàng)是A.光纖通信是應(yīng)用激光相干好的特點(diǎn)對(duì)信號(hào)進(jìn)展調(diào)制，使其在光導(dǎo)纖維中進(jìn)展信息傳遞B.計(jì)算機(jī)內(nèi)用“磁頭可讀出光盤(pán)上記錄的信息是應(yīng)用了激光平行度好的特點(diǎn)來(lái)進(jìn)展的C.醫(yī)學(xué)中用激光作“光刀來(lái)切除腫瘤是應(yīng)用了激光亮度高的特點(diǎn)D.“激光測(cè)距雷達(dá)利用激光測(cè)量很遠(yuǎn)目的的間隔 是應(yīng)用了激光亮度高的特點(diǎn)E.激光打孔是應(yīng)用了激光相干性好的特點(diǎn)【解析】光纖通信主要利用激光的相干性好的特點(diǎn)，選項(xiàng)A正確；計(jì)算

15、機(jī)內(nèi)的“磁頭可讀出光盤(pán)上的信息主要應(yīng)用了激光的平行度好的特點(diǎn)，選項(xiàng)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(diǎn)，選項(xiàng)C正確，E錯(cuò)誤；激光測(cè)距利用的是激光的平行度好的特點(diǎn)，選項(xiàng)D錯(cuò)誤.【答案】ABC8.準(zhǔn)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(jìn)展近視眼的治療.用這樣的激光刀對(duì)近視眼進(jìn)展手術(shù)，手術(shù)時(shí)間短、效果好、無(wú)痛苦.關(guān)于這個(gè)治療，以下說(shuō)法中正確的選項(xiàng)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(duì)眼睛進(jìn)展手術(shù)C.激光治療近視眼手術(shù)是對(duì)視網(wǎng)膜進(jìn)展修復(fù)D.激光治療近視眼手術(shù)是對(duì)角膜進(jìn)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(xué)的最新成果.人的眼睛是一個(gè)光學(xué)成像系統(tǒng)，角膜和晶狀體相當(dāng)于一個(gè)凸透鏡，物體通過(guò)凸透鏡成像在視網(wǎng)膜上，人就能看清楚物體.當(dāng)角膜和晶狀體組成的這個(gè)凸透鏡的焦距比較小，物體成像在視網(wǎng)膜的前面時(shí)，人就不能看清物體，這就是近視眼，A對(duì)；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(duì)眼睛進(jìn)展手術(shù)，B對(duì)、E錯(cuò)；激光手術(shù)不是修復(fù)視網(wǎng)膜，而是對(duì)角膜進(jìn)展切削，改變角膜的形狀，使眼球中的凸透鏡的焦距適當(dāng)變大，物體經(jīng)過(guò)角膜和晶狀體后成像在視網(wǎng)膜上，C錯(cuò)、D對(duì).【答案】ABD9.激光全息照片的底片上記錄了光的干預(yù)條紋，含有被拍攝物體反射的光的所有信息，實(shí)現(xiàn)了照片的立體性.假設(shè)照相時(shí)，被攝物體被擋住一部分，通過(guò)調(diào)整視線仍可看見(jiàn)被擋部分.照片被切開(kāi)成兩半，從一半上仍可看到物體的全像