沪科版物理选修34第4章 46 全反射与光导纤维+47 激光.docx

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沪科版物理选修34第4章46全反射与光导纤维+47激光

4.6　全反射与光导纤维

4.7　激光

学习目标

知识脉络

1.知道什么是光疏介质，什么是光密介质.

2.理解光的全反射，进行有关计算.（重点，难点）

3.理解临界角的概念，能判断是否发生全反射，并能解决有关的问题.（重点，难点）

4.知道光导纤维及其应用.

5.了解激光的主要特征和应用.

研究光的全反射现象

1.光疏介质和光密介质

（1）概念：

两种介质比较，折射率小的介质叫做光疏介质，折射率大的介质叫做光密介质.

（2）光在光密介质中的传播速度比在光疏介质中的传播速度小.

2.全反射现象

（1）全反射：

光从光密介质射入光疏介质时，若入射角增大到某一角度，折射光线就会消失，只剩下反射光线的现象.

（2）临界角：

刚好发生全反射（即折射角等于90°）时的入射角.用字母C表示.

（3）临界角与折射率的关系：

光由介质射入空气（真空）时，sinC＝

.

1.密度大的介质就是光密介质.（×）

2.两种介质相比较，折射率大的介质是光密介质.（√）

3.光密介质和光疏介质具有绝对性.（×）

1.只有一种介质能否确定它是光密介质还是光疏介质？

【提示】　不能.光密介质、光疏介质是对确定的两种介质相比较折射率而确定的，只有一种介质是无法比较折射率的，从而无法确定它是光疏介质还是光密介质.

2.为什么水中或玻璃中的气泡看起来特别明亮？

【提示】　水或玻璃中的气泡是光疏介质，光经过水或玻璃照射气泡时，一部分光会发生全反射，相对于其他物体而言，有更多的光反射到人眼中，就好像光是由气泡发出的，因此人眼感觉气泡特别明亮.

1.对光疏介质和光密介质的理解

光疏介质和光密介质是相对而言的，并没有绝对的意义.例如：

水晶（n＝1.55）对玻璃（n＝1.5）是光密介质，而对金刚石（n＝2.42）来说，就是光疏介质.同一种介质到底是光疏介质还是光密介质，不是绝对的.

光疏和光密是从介质的光学特性来说的，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质.

由v＝

可知：

光在光密介质中传播速度比在光疏介质中要小.

光在两种介质中传播时，由折射定律可知：

n1sinθ1＝n2sinθ2，n1v1＝n2v2，

由此可知：

当光从光密介质传播到光疏介质时，折射角大于入射角；当光从光疏介质传播到光密介质时，折射角小于入射角.光在光疏介质中传播的速度大于光在光密介质中传播的速度.

2.对全反射的理解

（1）全反射是光的折射的特殊现象，全反射现象还可以从能量变化角度加以理解.当光从光密介质射入光疏介质，在入射角逐渐增大的过程中，反射光的能量逐渐增强，折射光的能量逐渐减弱，当入射角等于临界角时，折射光的能量已经减弱为零，发生了全反射.

（2）全反射遵循的规律：

光从光密介质进入光疏介质发生全反射时，仍然遵守反射定律，有关计算仍依据反射定律进行.

1.下列选项所示光线由空气透过半圆形玻璃砖，再射入空气的光路图中，正确的是（玻璃的折射率为1.5）（　　）

【解析】　

【答案】　BDE

2.已知水、水晶、玻璃和二硫化碳的折射率分别为1.33、1.55、1.60和1.63，如果光按以下几种方式传播，可能发生全反射的是（　　）

A.从玻璃射入水晶

B.从水射入二硫化碳

C.从玻璃射入水中

D.从水晶射入水

E.从玻璃射入二硫化碳

【解析】　发生全反射的条件之一是光从光密介质射入光疏介质，光密介质折射率较大，故A、C、D正确.

【答案】　ACD

3.为了测定某种材料制成的长方体的折射率，用一束光线从AB面以60°入射角射入长方体时光线刚好不能从BC面射出，如图461所示，该材料的折射率是多少？

图461

【解析】　如题图所示，根据折射定律：

n＝

①

由题意可知sinC＝

②

而C＝90°－r③

由②③得cosr＝

④

而cosr＝

代入④得

＝

⑤

联立①和⑤解得n＝

.

【答案】　

全反射定律的应用技巧

1.首先判断是否为光从光密介质进入光疏介质，如果是，下一步就要再利用入射角和临界角的关系进一步判断，如果不是则直接应用折射定律解题即可.

2.分析光的全反射时，根据临界条件找出临界状态是解决这类题目的关键.

3.当发生全反射时，仍遵循光的反射定律和光路可逆性.

4.认真规范作出光路图，是正确求解这类题目的重要保证.

全反射现象的应用

1.全反射棱镜

顶角是直角的等腰三棱镜叫做全反射棱镜，沿棱镜的任何一面垂直射入棱镜的光都将发生全反射.

2.光导纤维

（1）构造和原理

光导纤维是非常细的特制玻璃丝，直径从几微米到几十微米之间，由内芯和外层透明介质两层组成.内芯的折射率比外套的折射率大，光传播时在内芯与外套的界面上发生全反射.

（2）应用：

光导纤维可应用于医学上的内窥镜和光纤通信.

1.光从密度大的介质射入密度小的介质时一定能发生全反射.（×）

2.全反射棱镜和平面镜都是根据全反射原理.（×）

3.光纤通信的主要优点是容量大.（√）

微细的光纤封装在塑料护套中，使得它能够弯曲而不至于断裂，光纤为什么要由两层介质构成？

【提示】　光纤的工作原理是全反射，要由两种介质配合才能产生全反射现象.

1.全反射棱镜

（1）用玻璃制成的截面为等腰直角三角形的棱镜，其临界角约为42°.

（2）改变光的传播方向：

①当光垂直于截面的直角边射入棱镜时，光在截面的斜边上发生全反射，光射出棱镜时，传播方向改变了90°.

②当光垂直于截面的斜边射入棱镜时，在两个直角边上各发生一次全反射，使光的传播方向改变了180°.

（3）全反射棱镜特点：

①与平面镜相比，全反射棱镜反射率高，几乎可达100%.

②反射面不必涂任何反光物质，反射失真小.

③克服了平面镜成多个像的问题.

2.光导纤维

（1）构造：

光导纤维一般由折射率较大的玻璃内芯和折射率较小的外层透明介质组成，如图462所示.

图462

实际用的光导纤维是非常细的特制玻璃丝，直径只有几微米到一百微米之间，外层包上折射率比它小的材料，再把若干根光纤集成一束，制成光缆，进一步提高了光纤的强度.

（2）原理：

全反射是光导纤维的基本工作原理.光在光纤内传播时，由光密介质入射到光疏介质，若入射角i≥C（临界角），光就会在光纤内不断发生全反射.

（3）应用：

光纤通信是光导纤维的一个重要应用.载有声音、图像以及各种数字信号的激光从光纤一端输入，就可以传到千里之外的另一端，实现光纤通信.

4.空气中两条光线a和b从方框左侧入射，分别从方框下方和上方射出，其框外光线如图463所示，方框内有两个折射率为n＝1.5的全反射玻璃棱镜.在框内画出两个棱镜的放置方式并作出光路图.

图463

【答案】　

5.华裔科学家高锟获得2009年诺贝尔物理奖，他被誉为“光纤通讯之父”.光纤通讯中信号传播的主要载体是光导纤维，它的结构如图464所示，其内芯和外套材料不同，光在内芯中传播.内芯的折射率比外套的________，光传播时在内芯与________的界面上发生全反射.

图464

【解析】　光纤内芯比外套折射率大，在内芯与外套的界面上发生全反射.

【答案】　大　外套

6.如图465所示，一根长为L的直光导纤维，它的折射率为n.光从它的一个端面射入，从另一端面射出所需的最长时间为多少？

（设光在真空中的光速为c）

图465

【解析】　该题考查光导纤维的全反射及光速问题.由题中的已知条件可知，要使光线从光导纤维的一端射入，然后从它的另一端全部射出，必须使光线在光导纤维中发生全反射现象.要使光线在光导纤维中经历的时间最长，就必须使光线的路径最长，即光对光导纤维的入射角最小，光导纤维的临界角为C＝arcsin

.光在光导纤维中传播的路程为d＝

＝nL，光在光导纤维中传播的速度为v＝

，所需的最长时间为tmax＝

＝

.

【答案】　

对光导纤维折射率的要求

设光导纤维的折射率为n，当入射光线的入射角为θ1时，进入端面的折射光线传到侧面时恰好发生全发射，如图466所示，则有：

sinC＝

，n＝

，C＋θ2＝90°，由以上各式可得：

图466

sinθ1＝

.

由图466可知：

（1）当θ1增大时，θ2增大，而从纤维射向空气中光线的入射角θ减小.

（2）当θ1＝90°时，若θ＝C，则所有进入纤维中的光线都能发生全反射，即有n＝

，以上是光从纤维射向真空时得到的折射率.（3）由于光导纤维包有外套，外套的折射率比真空的折射率大，因此光导纤维折射率要比

大些.

激光

1.激光的特点及应用

特点

性质

应用

单色

性好

相干性：

激光具有单色性好、相干性好，频率严格单一，且在同一个方向上偏振的光能产生稳定的干涉现象

光纤通信

方向

性好

平行度：

激光的平行度非常好，传播很远的距离发散角只有0.06°

激光测距，读取光盘上记录的信息等

亮度高

亮度高：

它可以在很小的空间和很短的时间内聚集起大到难以想象的能量

用激光束切割、焊接、医学上可以用激光做“光刀”、激发核反应等

2.全息照相

（1）与普通照相技术的比较

普通照相技术所记录的只是光波的强弱信息，而全息照相技术还记录了光波的相位信息.

（2）原理：

全息照片的拍摄利用了光的干涉原理.

1.激光可以进行光纤通信是利用了相干性好的特点.（√）

2.激光可用做“光刀”来切开皮肤是利用激光的相干性好.（×）

3.全息照相技术只能记录光波的强弱信息.（×）

利用激光测量地球到月球的距离，应用了激光哪方面的性质？

【提示】　应用了“平行度”非常好的性质.

1.激光的相干性好

所谓相干性好，是指容易产生干涉现象.普通光源发出的光（即使是所谓的单色光）频率是不一样的，而激光器发出的激光的频率几乎是单一的，并且满足其他的相干条件.所以，现在我们做双缝干涉实验时，无需在双缝前放一个单缝，而是用激光直接照射双缝，就能得到既明亮又清晰的干涉条纹.利用相干光易于调制的特点传输信息，所能传递的信息密度极高，一条细细的激光束通过光缆可以同时传送一百亿路电话和一千万套电视，全国人民同时通话还用不完它的通讯容量，而光纤通信就必须借助激光技术才能发展.

2.激光的平行度非常好

与普通光相比，传播相同距离的激光束的扩散程度小，光线仍能保持很大的强度，保持它的高能量，利用这一点可以精确测距.现在利用激光测量地月距离精确度已达到1m.

3.激光的亮度非常高

它可以在很小的空间和很短的时间内集中很大的能量.如果把强大的激光束会聚起来，可使物体被照部分在千分之一秒的时间内产生几千万度的高温.不能直接照射眼睛，否则会伤害眼睛.

4.激光单色性很好

激光的频率范围极窄，颜色几乎是完全一致的.

7.关于激光的应用，下列说法中正确的是（　　）

A.光纤通信是应用激光相干好的特点对信号进行调制，使其在光导纤维中进行信息传递

B.计算机内用“磁头”可读出光盘上记录的信息是应用了激光平行度好的特点来进行的

C.医学中用激光作“光刀”来切除肿瘤是应用了激光亮度高的特点

D.“激光测距雷达”利用激光测量很远目标的距离是应用了激光亮度高的特点

E.激光打孔是应用了激光相干性好的特点

【解析】　光纤通信主要利用激光的相干性好的特点，选项A正确；计算机内的“磁头”可读出光盘上的信息主要应用了激光的平行度好的特点，选项B正确；医疗中用激光作“光刀”和工业上用激光打孔都是利用了激光的亮度高的特点，选项C正确，E错误；激光测距利用的是激光的平行度好的特点，选项D错误.

【答案】　ABC

8.准分子激光器利用氩气和氟气的混合物产生激光刀，可用于进行近视眼的治疗.用这样的激光刀对近视眼进行手术，手术时间短、效果好、无痛苦.关于这个治疗，以下说法中正确的是（　　）

A.近视眼是物体成像在眼球中的视网膜的前面，使人不能看清物体

B.激光具有很好的方向性，用激光刀可以在非常小的面积上对眼睛进行手术

C.激光治疗近视眼手术是对视网膜进行修复

D.激光治疗近视眼手术是对角膜进行切削

E.激光治疗近视眼手术是利用激光的相干性好

【解析】　激光手术是物理技术用于临床医学的最新成果.人的眼睛是一个光学成像系统，角膜和晶状体相当于一个凸透镜，物体通过凸透镜成像在视网膜上，人就能看清楚物体.当角膜和晶状体组成的这个凸透镜的焦距比较小，物体成像在视网膜的前面时，人就不能看清物体，这就是近视眼，A对；激光具有很好的方向性，用激光刀可以在非常小的面积上对眼睛进行手术，B对、E错；激光手术不是修复视网膜，而是对角膜进行切削，改变角膜的形状，使眼球中的凸透镜的焦距适当变大，物体经过角膜和晶状体后成像在视网膜上，C错、D对.

【答案】　ABD

9.激光全息照片的底片上记录了光的干涉条纹，含有被拍摄物体反射的光的所有信息，实现了照片的立体性.若照相时，被摄物体被挡住一部分，通过调整视线仍可看见被挡部分.照片被切开成两半，从一半上仍可看到物体的全像，照片就像一个观察物体的窗口.激光全息照相利用了激光________的性质.

【解析】　全息照相利用激光的频率单一、相干性好的特点，使参考光和物光有很高的相干性，拍摄立体照片.

【答案】　相干性好

激光的特点及其应用

特点

作用

应用实例

相干相好

可进行调制、传递信息

光纤通信、全息照相

平行度非常好

传播很远距离仍能保持一定强度，可精确测距、测速

激光雷达

平行度非常好

可会聚于很小的一点，记录信息密度高

DVD机，CD唱机、计算机的光驱

亮度高

可在很小空间、短时间内集中很大能量

激光切割、焊接、打孔、医疗手术

亮度高

产生高压引起核聚变

人工控制聚变反应