2019-2020年高三物理 第十九章 光的传播 三、全反射(备课资料).doc

2019-2020年高三物理 第十九章 光的传播 三、全反射(备课资料)备课资料1.关于全反射的应用全反射规律应用的关键是掌握（1）临界角概念（sinC=）;（2）产生全反射的条件；光从光密介质射向光疏介质且入射角大于或等于临界角；（3）对综合题必须要画出全反射光路图（一般是入射角等于临界角时的光路图），结合直角三角形的有关性质进行分析.例1一置于空气中用玻璃制成的透明体的临界角为30.其截面如图1941所示，其中ab是半径为R的圆弧，acbc,aOc=60，当一束平行光垂直照射到ac上时，ab圆弧部分的外表面只有一部分是黄亮的，其余是暗的，则黄亮部分的弧长为多少？图1941分析:依题意画出临界光线AP；如图1942，再分析可知圆弧aP部分没有光透射出来，弧长Pb部分有光透出，其弧长为R.图1942例2如图1943所示，一个横截面为矩形，折射率为n=1.5的玻璃条被弯成90，一束平行光由A端面射入.若矩形边长为d，证明只要曲率半径R2d，光均能从B端射出.图1943分析：由图可知，只要a光线能发生全反射，则所有从A端入射的光均能发生全反射：sini=sinC=解得R2d.可见，光纤通信中，只要光导纤维弯曲满足R，则光导纤维可以足够细.2.光导纤维的应用20世纪70年代，人们发现用玻璃材料做成的光学纤维可以做光信号的传输线路.起先制出来的光纤对传输光信号造成的能量损失比较大，通信距离不长，后来经过努力，制造出了光能量损失极低的光纤，同时制造激光器的技术也有了进步，制造出性能好、使用寿命又长的激光器.于是以光波做传递信息的载体，以光纤做信息传递线路的通信技术终于成功了.一根比头发丝还细的光纤，可以同时传输几万路电话或者几千路电视.用20根光纤组成如铅笔般粗细的光缆，每天可以通过它传递7万多人次的电话，相比之下，由1800根铜线组成的通信电缆，每天只能传送约900人次的电话.另外，光纤通信还有保密性好，抗干扰能力强，通信质量高等特点.所以，各国都大力发展光纤通信，铺设市内电话、城际电话的光纤通信线路.美国已有50多个城市的市内电话采用光纤通信线路，还建了几条城际长途光纤通信线路，比如连接华盛顿、纽约和波士顿的光纤通信线路，全长1249公里；连接美国东、西海岸、全长1920公里的光纤通信系统；以及号称“太平洋走廊”、全长824公里的光纤通信系统.日本也建立了许多中、短距离光纤通信系统，预计在1995年年底建成连接到家庭的光纤通信系统.我国的光纤通信技术发展也很快，到1995年，我国邮电公用网一级干线光缆总长度约2万公里，二级干线市内电话、农村通信的光纤通信线路43500公里.到本世纪末，还将建成2.8万公里光缆通信线路.为适应国际往来频繁的需要，各国之间也铺设了许多条国际光缆通信线路.到1994年，开通的国际光纤通信线路已有11条，预计到1996年还有两条线路投入运营.为什么光线可以在光纤中传输而损耗很小呢？让我们先看一下医院中常用的内窥镜的工作原理.最简单的内窥镜是一个中空的圆柱形软导管，直径有铅笔粗细.导管内壁喷镀了一层金属，使它像镜子一样具有极佳的反射效果.对于经过导管的光束，导管的作用等同于水流经过的水管，运动的水流通过和水管内壁相碰而曲折前进，然后流向出口，而导管中的光线行进的路线也是如此，并相对准直为一束光.如果用一个折射率比较高、透明实心的圆柱形纤维（如玻璃、石英、有机玻璃以及尼龙类的透明塑料物质）代替内窥镜的导管，那么光同样可以在里面前进，其作用和内壁喷镀了金属的空心导管一样，原因就在于光线发生了全反射.这就是光纤可以传输光线的原理.如果光纤的折射率高于外部环境的介质（如空气）的折射率，那么光线一旦从入口进入光纤内部，就会因在光纤的侧面发生全反射而被封闭在光纤里面，不会从侧面出去，只能曲折前进直到出口.事实上，根据折射定律，当光线从一种介质进入另一种介质时将发生折射，也就是说光的前进路径会发生偏折.当从折射率大的介质（称为光密介质）进入折射率较小的介质（称为光疏介质）时，可能发生两种现象：入射角小于临界角时发生折射，折射角将大于入射角；入射角大于临界角时，光线将不会进入光疏介质而被界面全部反射回光密介质，这就是全反射.如果第一种材料是玻璃，第二种材料是空气，可以计算出临界角为42度.因为光纤的截面与其长度相比非常小，所以进入光纤的光线的入射角大部分都大于42度，因此就会封闭在光纤中，并沿光纤前进了.在某些情况下，光纤的直径和其柔韧性是相互矛盾的.光导管必须具有一定的柔韧性，因为不论是在观察病人体内的解剖构造，还是在铺设通信线路时，路径都是弯弯曲曲的.要具备这种柔韧性，光纤的直径就要尽量小.而另一方面，为了使视野足够宽阔，光纤的直径必须尽量大.解决的办法就是用很多很细的光纤组成光纤束.玻璃或石英丝，更不用说尼龙丝都很容易变曲而没有折断之虞.在医用内窥镜中，使用的玻璃光纤的直径大约为1/4毫米；一些光纤用于检查器官时的照亮，另一些光纤把图像送到体外，或者把图像发送到彩色显示器上.广泛的应用在光通信领域，光纤则从信号源向信号接收装置传输一个很细的激光束.要传输的电信号被调制到光波上传送，而在信号接收端通过一个光检测器再还原成电信号.与使用传统的电缆或者无线电波相比，由于光的频率相当高，所以用光纤传递信息的优点就在于它可以承载大量的信息.从理论上讲，一条光纤可以同时传送670万个频道的电视节目.采用今天可以得到的高质量的玻璃，光纤的损耗可以很低.在传送1公里后，光的强度还可以保持80%以上.如果传送的距离很长，为了保持光信号的强度，必须在传送的路径中间设置中间放大器.光纤探测还被应用到其他许多领域，比如，探测复杂的机械结构，像飞机发动机的磨损状况等.随着科学技术的迅速发展，光导纤维现已在通信、电子和电力等领域日益扩展，成为大有前途的新型基础材料.与之相伴的光纤技术也以新奇、便捷赢得人们的青睐.例如，美国一家公司成功地运用光纤完成了输电功能，在电力领域中开拓出一条崭新的途径.澳大利亚一家公司，最近研制出了一种光纤秤，利用一根光纤和一个激光器就可以给卡车称重.这种光纤秤利用了一种电阻特性非常特别的光纤，当它受到压力或张力时，光纤会发生轻微的变形，导致激光的特征发生变化.这时，探测器会立即将这一变化获悉并转换为电信号的变化.一个简单的玩具光纤在娱乐领域也大有用武之地.一个众所周知的应用就是“江喷泉”，它由一束光纤、一只手电筒和一个花瓶构成，读者可根据喜好自己动手制作光纤压扁或使之发生变形.你会注意到，尽管光纤是透明的，但并不会闪闪发亮，这正是因为几乎没有任何光线从它的壁透出，而在内部发生了全反射.但是，你会在每根光纤的出口处看到点状的强烈发光.