高中物理 第4章 光的波動(dòng)性 4_6 全反射與光導(dǎo)纖維 4_7 激光教師用書 滬科版選修3-4
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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(jìn)行有關(guān)計(jì)算.(重點(diǎn),難點(diǎn)) 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(diǎn),難點(diǎn)) 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(shí),若入射角增大到某一角度,折射光線就會(huì)消失,只剩下反射光線的現(xiàn)象. (2)臨界角:剛好發(fā)生全反射(即折射角等于90)時(shí)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(shí),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(shí),一部分光會(huì)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(n=1.55)對玻璃(n=1.5)是光密介質(zhì),而對金剛石(n=2.42)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(shí),由折射定律可知: n1sin θ1=n2sin θ2,n1v1=n2v2, 由此可知:當(dāng)光從光密介質(zhì)傳播到光疏介質(zhì)時(shí),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(shí),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(qiáng),折射光的能量逐漸減弱,當(dāng)入射角等于臨界角時(shí),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(jìn)入光疏介質(zhì)發(fā)生全反射時(shí),仍然遵守反射定律,有關(guān)計(jì)算仍依據(jù)反射定律進(jìn)行. 1.下列選項(xiàng)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(玻璃的折射率為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】 ACD 3.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(shí)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】 如圖所示,根據(jù)折射定律: n= ① 由題意可知sin C= ② 而C=90-r ③ 由②③得cos r= ④ 而cos r= 代入④得= ⑤ 聯(lián)立①和⑤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(jìn)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(jìn)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(shí),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(shí),仍遵循光的反射定律和光路可逆性. 4.認(rèn)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)造和原理 光導(dǎo)纖維是非常細(xì)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(shí)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(shí)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(diǎn)是容量大.(√) 微細(xì)的光纖封裝在塑料護(hù)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,其臨界角約為42. (2)改變光的傳播方向: ①當(dāng)光垂直于截面的直角邊射入棱鏡時(shí),光在截面的斜邊上發(fā)生全反射,光射出棱鏡時(shí),傳播方向改變了90. ②當(dāng)光垂直于截面的斜邊射入棱鏡時(shí),在兩個(gè)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(diǎn): ①與平面鏡相比,全反射棱鏡反射率高,幾乎可達(dá)100%. ②反射面不必涂任何反光物質(zhì),反射失真小. ③克服了平面鏡成多個(gè)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(shí)際用的光導(dǎo)纖維是非常細(xì)的特制玻璃絲,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(jìn)一步提高了光纖的強(qiáng)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(shí),由光密介質(zhì)入射到光疏介質(zhì),若入射角i≥C(臨界角),光就會(huì)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(gè)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(shí)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(gè)折射率為n=1.5的全反射玻璃棱鏡.在框內(nèi)畫出兩個(gè)棱鏡的放置方式并作出光路圖. 圖463 【答案】 5.華裔科學(xué)家高錕獲得2009年諾貝爾物理獎(jiǎng),他被譽(yù)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(shí)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(gè)端面射入,從另一端面射出所需的最長時(shí)間為多少?(設(shè)光在真空中的光速為c) 圖465 【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(shí)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C=arcsin.光在光導(dǎo)纖維中傳播的路程為d==nL,光在光導(dǎo)纖維中傳播的速度為v=,所需的最長時(shí)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θ1時(shí),進(jìn)入端面的折射光線傳到側(cè)面時(shí)恰好發(fā)生全發(fā)射,如圖466所示,則有:sin C=,n=,C+θ2=90,由以上各式可得: 圖466 sin θ1=. 由圖466可知:(1)當(dāng)θ1增大時(shí),θ2增大,而從纖維射向空氣中光線的入射角θ減小.(2)當(dāng)θ1=90時(shí),若θ=C,則所有進(jìn)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(shí)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(diǎn)及應(yīng)用 特點(diǎn) 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(yán)格單一,且在同一個(gè)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(yuǎn)的距離發(fā)散角只有0.06 激光測距,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(shí)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(qiáng)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(jìn)行光纖通信是利用了相干性好的特點(diǎn).(√) 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(qiáng)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(shí)驗(yàn)時(shí),無需在雙縫前放一個(gè)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(diǎn),傳輸信息,所能傳遞的信息密度極高,一條細(xì)細(xì)的激光束通過光纜可以同時(shí)傳送一百億路電話和一千萬套電視,全國人民同時(shí)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(kuò)散程度小,光線仍能保持很大的強(qiáng)度,保持它的高能量,利用這一點(diǎn)可以精確測距.現(xiàn)在利用激光測量地月距離精確度已達(dá)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(shí)間內(nèi)集中很大的能量.如果把強(qiáng)大的激光束會(huì)聚起來,可使物體被照部分在千分之一秒的時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生幾千萬度的高溫.不能直接照射眼睛,否則會(huì)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(diǎn)對信號進(jìn)行調(diào)制,使其在光導(dǎo)纖維中進(jìn)行信息傳遞 B.計(jì)算機(jī)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(diǎn)來進(jìn)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(diǎn) D.“激光測距雷達(dá)”利用激光測量很遠(yuǎn)目標(biāo)的距離是應(yīng)用了激光亮度高的特點(diǎn) E.激光打孔是應(yīng)用了激光相干性好的特點(diǎn) 【解析】 光纖通信主要利用激光的相干性好的特點(diǎn),選項(xiàng)A正確;計(jì)算機(jī)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(diǎn),選項(xiàng)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(diǎn),選項(xiàng)C正確,E錯(cuò)誤;激光測距利用的是激光的平行度好的特點(diǎn),選項(xiàng)D錯(cuò)誤. 【答案】 ABC 8.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(jìn)行近視眼的治療.用這樣的激光刀對近視眼進(jìn)行手術(shù),手術(shù)時(shí)間短、效果好、無痛苦.關(guān)于這個(gè)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性,用激光刀可以在非常小的面積上對眼睛進(jìn)行手術(shù) C.激光治療近視眼手術(shù)是對視網(wǎng)膜進(jìn)行修復(fù) D.激光治療近視眼手術(shù)是對角膜進(jìn)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(gè)光學(xué)成像系統(tǒng),角膜和晶狀體相當(dāng)于一個(gè)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(gè)凸透鏡的焦距比較小,物體成像在視網(wǎng)膜的前面時(shí),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(jìn)行手術(shù),B對、E錯(cuò);激光手術(shù)不是修復(fù)視網(wǎng)膜,而是對角膜進(jìn)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(cuò)、D對. 【答案】 ABD 9.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(shí)現(xiàn)了照片的立體性.若照相時(shí),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.照片被切開成兩半,從一半上仍可看到物體的全像,照片就像一個(gè)觀察物體的窗口.激光全息照相利用了激光________的性質(zhì). 【解析】 全息照相利用激光的頻率單一、相干性好的特點(diǎn),使參考光和物光有很高的相干性,拍攝立體照片. 【答案】 相干性好 激光的特點(diǎn)及其應(yīng)用 特點(diǎn) 作用 應(yīng)用實(shí)例 相干光 可進(jìn)行調(diào)制、傳遞信息 光纖通信、全息照相 平行度非常好 傳播很遠(yuǎn)距離仍能保持一定強(qiáng)度,可精確測距、測速 激光雷達(dá) 平行度非常好 可會(huì)聚于很小的一點(diǎn),記錄信息密度高 DVD機(jī),CD唱機(jī)、計(jì)算機(jī)的光驅(qū) 亮度高 可在很小空間、短時(shí)間內(nèi)集中很大能量 激光切割、焊接、打孔、醫(yī)療手術(shù) 亮度高 產(chǎn)生高壓引起核聚變 人工控制聚變反應(yīng)- 1.請仔細(xì)閱讀文檔,確保文檔完整性,對于不預(yù)覽、不比對內(nèi)容而直接下載帶來的問題本站不予受理。
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