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）對綜合題必須要畫出全反射光路圖（一般是入射角等于臨界角時的光路圖），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1941所示，其中ab是半徑為R的圓弧，acbc,aOc=60，當(dāng)一束平行光垂直照射到ac上時，ab圓弧部分的外表面只有一部分是黃亮的，其余是暗的，則黃亮部分的弧長為多少？圖1941分析:依題意畫出臨界光線AP；如圖1942，再分析可知圓弧aP部分沒有光透射出來，弧長Pb部分有光透出，其弧長為R.圖1942例2如圖1943所示，一個橫截面為矩形，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.若矩形邊長為d，證明只要曲率半徑R2d，光均能從B端射出.圖1943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R2d.可見，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)纖維可以做光信號的傳輸線路.起先制出來的光纖對傳輸光信號造成的能量損失比較大，通信距離不長，后來經(jīng)過努力，制造出了光能量損失極低的光纖，同時制造激光器的技術(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，可以同時傳輸幾萬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，每天可以通過它傳遞7萬多人次的電話，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，通信質(zhì)量高等特點.所以，各國都大力發(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.美國已有50多個城市的市內(nèi)電話采用光纖通信線路，還建了幾條城際長途光纖通信線路，比如連接華盛頓、紐約和波士頓的光纖通信線路，全長1249公里；連接美國東、西海岸、全長1920公里的光纖通信系統(tǒng)；以及號稱“太平洋走廊”、全長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)計在1995年年底建成連接到家庭的光纖通信系統(tǒng).我國的光纖通信技術(shù)發(fā)展也很快，到1995年，我國郵電公用網(wǎng)一級干線光纜總長度約2萬公里，二級干線市內(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2.8萬公里光纜通信線路.為適應(yīng)國際往來頻繁的需要，各國之間也鋪設(shè)了許多條國際光纜通信線路.到1994年，開通的國際光纖通信線路已有11條，預(yù)計到1996年還有兩條線路投入運營.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.最簡單的內(nèi)窺鏡是一個中空的圓柱形軟導(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.對于經(jīng)過導(dǎo)管的光束，導(dǎo)管的作用等同于水流經(jīng)過的水管，運動的水流通過和水管內(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，并相對準(zhǔn)直為一束光.如果用一個折射率比較高、透明實心的圓柱形纖維（如玻璃、石英、有機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，不會從側(cè)面出去，只能曲折前進(jìn)直到出口.事實上，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)時將發(fā)生折射，也就是說光的前進(jìn)路徑會發(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，可能發(fā)生兩種現(xiàn)象：入射角小于臨界角時發(fā)生折射，折射角將大于入射角；入射角大于臨界角時，光線將不會進(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，可以計算出臨界角為42度.因為光纖的截面與其長度相比非常小，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，因為不論是在觀察病人體內(nèi)的解剖構(gòu)造，還是在鋪設(shè)通信線路時，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，更不用說尼龍絲都很容易變曲而沒有折斷之虞.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，光纖則從信號源向信號接收裝置傳輸一個很細(xì)的激光束.要傳輸?shù)碾娦盘柋徽{(diào)制到光波上傳送，而在信號接收端通過一個光檢測器再還原成電信號.與使用傳統(tǒng)的電纜或者無線電波相比，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，一條光纖可以同時傳送670萬個頻道的電視節(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，光的強度還可以保持80%以上.如果傳送的距離很長，為了保持光信號的強度，必須在傳送的路徑中間設(shè)置中間放大器.光纖探測還被應(yīng)用到其他許多領(lǐng)域，比如，探測復(fù)雜的機械結(jié)構(gòu)，像飛機發(fā)動機的磨損狀況等.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，美國一家公司成功地運用光纖完成了輸電功能，在電力領(lǐng)域中開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激光器就可以給卡車稱重.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，光纖會發(fā)生輕微的變形，導(dǎo)致激光的特征發(fā)生變化.這時，探測器會立即將這一變化獲悉并轉(zhuǎn)換為電信號的變化.一個簡單的玩具光纖在娛樂領(lǐng)域也大有用武之地.一個眾所周知的應(yīng)用就是“江噴泉”，它由一束光纖、一只手電筒和一個花瓶構(gòu)成，讀者可根據(jù)喜好自己動手制作光纖壓扁或使之發(fā)生變形.你會注意到，盡管光纖是透明的，但并不會閃閃發(fā)亮，這正是因為幾乎沒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，你會在每根光纖的出口處看到點狀的強烈發(fā)光.