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2019-2020年高三物理 第十九章 光的傳播 三、全反射(備課資料) ●備課資料 1.關(guān)于全反射的應(yīng)用 全反射規(guī)律應(yīng)用的關(guān)鍵是掌握（1）臨界角概念（sinC=）;（2）產(chǎn)生全反射的條件；光從光密介質(zhì)射向光疏介質(zhì)且入射角大于或等于臨界角；（3）對(duì)綜合題必須要畫(huà)出全反射光路圖（一般是入射角等于臨界角時(shí)的光路圖），結(jié)合直角三角形的有關(guān)性質(zhì)進(jìn)行分析. ［例1］一置于空氣中用玻璃制成的透明體的臨界角為30.其截面如圖19—41所示，其中ab是半徑為R的圓弧，ac⊥bc,∠aOc=60，當(dāng)一束平行光垂直照射到ac上時(shí)，ab圓弧部分的外表面只有一部分是黃亮的，其余是暗的，則黃亮部分的弧長(zhǎng)為多少？ 圖19—41 分析:依題意畫(huà)出臨界光線AP；如圖19—42，再分析可知圓弧aP部分沒(méi)有光透射出來(lái)，弧長(zhǎng)Pb部分有光透出，其弧長(zhǎng)為R. 圖19—42 ［例2］如圖19—43所示，一個(gè)橫截面為矩形，折射率為n=1.5的玻璃條被彎成90，一束平行光由A端面射入.若矩形邊長(zhǎng)為d，證明只要曲率半徑R≥2d，光均能從B端射出. 圖19—43 分析：由圖可知，只要a光線能發(fā)生全反射，則所有從A端入射的光均能發(fā)生全反射： sini=≥sinC== 解得R≥2d. 可見(jiàn)，光纖通信中，只要光導(dǎo)纖維彎曲滿足R≥，則光導(dǎo)纖維可以足夠細(xì). 2.光導(dǎo)纖維的應(yīng)用 20世紀(jì)70年代，人們發(fā)現(xiàn)用玻璃材料做成的光學(xué)纖維可以做光信號(hào)的傳輸線路.起先制出來(lái)的光纖對(duì)傳輸光信號(hào)造成的能量損失比較大，通信距離不長(zhǎng)，后來(lái)經(jīng)過(guò)努力，制造出了光能量損失極低的光纖，同時(shí)制造激光器的技術(shù)也有了進(jìn)步，制造出性能好、使用壽命又長(zhǎng)的激光器.于是以光波做傳遞信息的載體，以光纖做信息傳遞線路的通信技術(shù)終于成功了.一根比頭發(fā)絲還細(xì)的光纖，可以同時(shí)傳輸幾萬(wàn)路電話或者幾千路電視.用20根光纖組成如鉛筆般粗細(xì)的光纜，每天可以通過(guò)它傳遞7萬(wàn)多人次的電話，相比之下，由1800根銅線組成的通信電纜，每天只能傳送約900人次的電話.另外，光纖通信還有保密性好，抗干擾能力強(qiáng)，通信質(zhì)量高等特點(diǎn).所以，各國(guó)都大力發(fā)展光纖通信，鋪設(shè)市內(nèi)電話、城際電話的光纖通信線路.美國(guó)已有50多個(gè)城市的市內(nèi)電話采用光纖通信線路，還建了幾條城際長(zhǎng)途光纖通信線路，比如連接華盛頓、紐約和波士頓的光纖通信線路，全長(zhǎng)1249公里；連接美國(guó)東、西海岸、全長(zhǎng)1920公里的光纖通信系統(tǒng)；以及號(hào)稱“太平洋走廊”、全長(zhǎng)824公里的光纖通信系統(tǒng).日本也建立了許多中、短距離光纖通信系統(tǒng)，預(yù)計(jì)在1995年年底建成連接到家庭的光纖通信系統(tǒng).我國(guó)的光纖通信技術(shù)發(fā)展也很快，到1995年，我國(guó)郵電公用網(wǎng)一級(jí)干線光纜總長(zhǎng)度約2萬(wàn)公里，二級(jí)干線市內(nèi)電話、農(nóng)村通信的光纖通信線路43500公里.到本世紀(jì)末，還將建成2.8萬(wàn)公里光纜通信線路.為適應(yīng)國(guó)際往來(lái)頻繁的需要，各國(guó)之間也鋪設(shè)了許多條國(guó)際光纜通信線路.到1994年，開(kāi)通的國(guó)際光纖通信線路已有11條，預(yù)計(jì)到1996年還有兩條線路投入運(yùn)營(yíng). 為什么光線可以在光纖中傳輸而損耗很小呢？讓我們先看一下醫(yī)院中常用的內(nèi)窺鏡的工作原理.最簡(jiǎn)單的內(nèi)窺鏡是一個(gè)中空的圓柱形軟導(dǎo)管，直徑有鉛筆粗細(xì).導(dǎo)管內(nèi)壁噴鍍了一層金屬，使它像鏡子一樣具有極佳的反射效果.對(duì)于經(jīng)過(guò)導(dǎo)管的光束，導(dǎo)管的作用等同于水流經(jīng)過(guò)的水管，運(yùn)動(dòng)的水流通過(guò)和水管內(nèi)壁相碰而曲折前進(jìn)，然后流向出口，而導(dǎo)管中的光線行進(jìn)的路線也是如此，并相對(duì)準(zhǔn)直為一束光.如果用一個(gè)折射率比較高、透明實(shí)心的圓柱形纖維（如玻璃、石英、有機(jī)玻璃以及尼龍類的透明塑料物質(zhì)）代替內(nèi)窺鏡的導(dǎo)管，那么光同樣可以在里面前進(jìn)，其作用和內(nèi)壁噴鍍了金屬的空心導(dǎo)管一樣，原因就在于光線發(fā)生了全反射.這就是光纖可以傳輸光線的原理. 如果光纖的折射率高于外部環(huán)境的介質(zhì)（如空氣）的折射率，那么光線一旦從入口進(jìn)入光纖內(nèi)部，就會(huì)因在光纖的側(cè)面發(fā)生全反射而被封閉在光纖里面，不會(huì)從側(cè)面出去，只能曲折前進(jìn)直到出口.事實(shí)上，根據(jù)折射定律，當(dāng)光線從一種介質(zhì)進(jìn)入另一種介質(zhì)時(shí)將發(fā)生折射，也就是說(shuō)光的前進(jìn)路徑會(huì)發(fā)生偏折.當(dāng)從折射率大的介質(zhì)（稱為光密介質(zhì)）進(jìn)入折射率較小的介質(zhì)（稱為光疏介質(zhì)）時(shí)，可能發(fā)生兩種現(xiàn)象：入射角小于臨界角時(shí)發(fā)生折射，折射角將大于入射角；入射角大于臨界角時(shí)，光線將不會(huì)進(jìn)入光疏介質(zhì)而被界面全部反射回光密介質(zhì)，這就是全反射.如果第一種材料是玻璃，第二種材料是空氣，可以計(jì)算出臨界角為42度.因?yàn)楣饫w的截面與其長(zhǎng)度相比非常小，所以進(jìn)入光纖的光線的入射角大部分都大于42度，因此就會(huì)封閉在光纖中，并沿光纖前進(jìn)了. 在某些情況下，光纖的直徑和其柔韌性是相互矛盾的.光導(dǎo)管必須具有一定的柔韌性，因?yàn)椴徽撌窃谟^察病人體內(nèi)的解剖構(gòu)造，還是在鋪設(shè)通信線路時(shí)，路徑都是彎彎曲曲的.要具備這種柔韌性，光纖的直徑就要盡量小.而另一方面，為了使視野足夠?qū)掗?，光纖的直徑必須盡量大.解決的辦法就是用很多很細(xì)的光纖組成光纖束.玻璃或石英絲，更不用說(shuō)尼龍絲都很容易變曲而沒(méi)有折斷之虞.在醫(yī)用內(nèi)窺鏡中，使用的玻璃光纖的直徑大約為1/4毫米；一些光纖用于檢查器官時(shí)的照亮，另一些光纖把圖像送到體外，或者把圖像發(fā)送到彩色顯示器上. 廣泛的應(yīng)用 在光通信領(lǐng)域，光纖則從信號(hào)源向信號(hào)接收裝置傳輸一個(gè)很細(xì)的激光束.要傳輸?shù)碾娦盘?hào)被調(diào)制到光波上傳送，而在信號(hào)接收端通過(guò)一個(gè)光檢測(cè)器再還原成電信號(hào).與使用傳統(tǒng)的電纜或者無(wú)線電波相比，由于光的頻率相當(dāng)高，所以用光纖傳遞信息的優(yōu)點(diǎn)就在于它可以承載大量的信息.從理論上講，一條光纖可以同時(shí)傳送670萬(wàn)個(gè)頻道的電視節(jié)目. 采用今天可以得到的高質(zhì)量的玻璃，光纖的損耗可以很低.在傳送1公里后，光的強(qiáng)度還可以保持80%以上.如果傳送的距離很長(zhǎng)，為了保持光信號(hào)的強(qiáng)度，必須在傳送的路徑中間設(shè)置中間放大器. 光纖探測(cè)還被應(yīng)用到其他許多領(lǐng)域，比如，探測(cè)復(fù)雜的機(jī)械結(jié)構(gòu)，像飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的磨損狀況等.隨著科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展，光導(dǎo)纖維現(xiàn)已在通信、電子和電力等領(lǐng)域日益擴(kuò)展，成為大有前途的新型基礎(chǔ)材料.與之相伴的光纖技術(shù)也以新奇、便捷贏得人們的青睞.例如，美國(guó)一家公司成功地運(yùn)用光纖完成了輸電功能，在電力領(lǐng)域中開(kāi)拓出一條嶄新的途徑.澳大利亞一家公司，最近研制出了一種光纖秤，利用一根光纖和一個(gè)激光器就可以給卡車(chē)稱重.這種光纖秤利用了一種電阻特性非常特別的光纖，當(dāng)它受到壓力或張力時(shí)，光纖會(huì)發(fā)生輕微的變形，導(dǎo)致激光的特征發(fā)生變化.這時(shí)，探測(cè)器會(huì)立即將這一變化獲悉并轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的變化. 一個(gè)簡(jiǎn)單的玩具 光纖在娛樂(lè)領(lǐng)域也大有用武之地.一個(gè)眾所周知的應(yīng)用就是“江噴泉”，它由一束光纖、一只手電筒和一個(gè)花瓶構(gòu)成，讀者可根據(jù)喜好自己動(dòng)手制作光纖壓扁或使之發(fā)生變形.你會(huì)注意到，盡管光纖是透明的，但并不會(huì)閃閃發(fā)亮，這正是因?yàn)閹缀鯖](méi)有任何光線從它的壁透出，而在內(nèi)部發(fā)生了全反射.但是，你會(huì)在每根光纖的出口處看到點(diǎn)狀的強(qiáng)烈發(fā)光.