46 全反射與光導(dǎo)纖維47 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 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，進行有關(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(dǎo)纖維及其應(yīng)用.5.了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，若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、2)臨界角：剛好發(fā)生全反射(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明亮？【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

3、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，就好像光是由氣泡發(fā)出的，因此人眼感覺氣泡特別明亮.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(xué)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(dāng)

4、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(dāng)光從光疏介質(zhì)傳播到光密介質(zhì)時，折射角小于入射角.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(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程中，反射光的能量逐漸增強，折射光的能量逐漸減弱，當(dāng)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)計算仍依據(jù)反射定律進行.1.下列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，正確的是(玻璃的折射率

5、為1.5)()【解析】【答案】BDE2.已知水、水晶、玻璃和二硫化碳的折射率分別為1.33、1.55、1.60和1.63，如果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°入射角射入長方體時光線剛好不能從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

6、圖所示，根據(jù)折射定律：n由題意可知sin C而C90°r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)，如果是，下一步就要再利用入射角和臨界角的關(guān)系進一步判斷，如果不是則直接應(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(dāng)發(fā)生全反射時，仍遵循光的反射定律和光路可逆性.4.認真規(guī)范作出光路圖，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(dǎo)纖維(1)構(gòu)

7、造和原理光導(dǎo)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(dǎo)纖維可應(yīng)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，使得它能夠彎曲而不至于斷裂，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

8、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，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(dāng)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.克服了平面鏡成多個像的問題.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實際用的光導(dǎo)纖維是非常細的特制玻璃

9、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，再把若干根光纖集成一束，制成光纜，進一步提高了光纖的強度.(2)原理：全反射是光導(dǎo)纖維的基本工作原理.光在光纖內(nèi)傳播時，由光密介質(zhì)入射到光疏介質(zhì)，若入射角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(dǎo)纖維的一個重要應(yīng)用.載有聲音、圖像以及各種數(shù)字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

10、路圖.圖4­6­3【答案】5.華裔科學(xué)家高錕獲得2009年諾貝爾物理獎，他被譽為“光纖通訊之父”.光纖通訊中信號傳播的主要載體是光導(dǎo)纖維，它的結(jié)構(gòu)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(dǎo)纖維，它的折射率為n.光從它的一個端面射入，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4­

11、6­5【解析】該題考查光導(dǎo)纖維的全反射及光速問題.由題中的已知條件可知，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)歷的時間最長，就必須使光線的路徑最長，即光對光導(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，所需的最長時間為tmax.【答案】對光導(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，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，則有：sin C，n，C290°，由以

12、上各式可得：圖4­6­6sin 1.由圖4­6­6可知：(1)當(dāng)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(dāng)190°時，若C，則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(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)定的干涉現(xiàn)象光纖通信方向性好平行度：激光的平行度非常好，傳播很遠的距離發(fā)散角只有0.06°激光測距

13、，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)核反應(yīng)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涉原理.1.激光可以進行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距離，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

14、性好所謂相干性好，是指容易產(chǎn)生干涉現(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)出的激光的頻率幾乎是單一的，并且滿足其他的相干條件.所以，現(xiàn)在我們做雙縫干涉實驗時，無需在雙縫前放一個單縫，而是用激光直接照射雙縫，就能得到既明亮又清晰的干涉條紋.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電話和一千萬套電視，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)才能發(fā)展.2.激光的平行度非常好與普通光相比，傳播相同距離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，利用這一點可以精確測距.

15、現(xiàn)在利用激光測量地月距離精確度已達到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.如果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，否則會傷害眼睛.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，下列說法中正確的是()A.光纖通信是應(yīng)用激光相干好的特點對信號進行調(diào)制，使其在光導(dǎo)纖維中進行信息傳遞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行的C.醫(yī)學(xué)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標(biāo)的距離是應(yīng)用

16、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(zhǔn)分子激光器利用氬氣和氟氣的混合物產(chǎn)生激光刀，可用于進行近視眼的治療.用這樣的激光刀對近視眼進行手術(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

17、性，用激光刀可以在非常小的面積上對眼睛進行手術(shù)C.激光治療近視眼手術(shù)是對視網(wǎng)膜進行修復(fù)D.激光治療近視眼手術(shù)是對角膜進行切削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.人的眼睛是一個光學(xué)成像系統(tǒng)，角膜和晶狀體相當(dāng)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(dāng)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行手術(shù)，B對、E錯；激光手術(shù)不是修復(fù)視網(wǎng)膜，而是對角膜進行切削，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涉條紋，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.若照相時，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