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文档简介
第一节
光的折射与全反射一、光的折射二、全反射
一、光的折射在初中我们已经学过,在同种均匀的介质中光是沿直线传播的,光在真空中的传播速度为3×108
m/s。当光从一种介质进入另一种介质时,会产生方向上的变化,光的这种方向变化叫作折射。为了描述介质的这种性质,人们把光在真空中的速度c和光在介质中的速度v
之比叫作介质的折射率,用n表示:光为什么会发生折射现象呢?经过长期的理论和实验的研究,人们发现折射现象与光在介质中的传播速度有关。光在真空中的速度最大,在其他介质中的速度都小于此值。因此当光从真空射入其他不同的介质时,会发生不同程度的偏折,这种现象显示了介质对光的一种性质。几种介质的折射率金刚石
2.42二硫化碳
1.6玻璃
1.5~1.9树脂
1.5~1.8水晶
1.55
甘油
1.47
酒精
1.36
水
1.33
冰
1.31
空气
1.00028由表中可以看出,空气的折射率非常接近于1(真空的折射率),有时我们就忽略这种差异,认为空气的折射率为1。由于光在真空中的速度大于光在任何介质中的速度,所以,其他介质的折射率都大于1。下表列出了几种介质的折射率。当光从介质n1
射入介质n2(例如从空气射入玻璃)时,入射光线和法线间的夹角θ1
叫作入射角,折射光线和法线间的夹角θ2
叫作折射角,如右图所示。n1sinθ1=n2sinθ2人们把这个规律叫作光的折射定律,也叫斯涅耳定律。它们之间的定量关系是1621年荷兰数学家斯涅耳发现的:
二、全反射两种介质相比较,折射率大的称为光密介质,折射率小的称为光疏介质。光从光密介质射向光疏介质(例如从玻璃射向空气)时,入射角总是小于折射角。当入射角大于某一角度时,就出现了一种奇特现象。演示实验当光从光密介质射向光疏介质,并且当入射角大于某一角度时,折射光完全消失,只剩下反射光,这种现象叫作全反射现象。在全反射现象中,刚好发生全反射,即折射角等于90°时的入射角是一个很重要的物理量,叫作临界角。当光从光密介质射向光疏介质时,如果入射角等于或大于临界角,就发生全反射现象,如下图所示。n
sinC=1×sin90°不同的介质,由于折射率不同,在空气中发生全反射现象的临界角也不一样。根据折射定律可得从折射率表中查出物质的折射率,就可以用上式求出光从这种介质射到空气(或真空)时的临界角。水的临界角为48.8°,各种玻璃的临界角为32°~42°,金刚石的临界角为24.5°。金刚石经过一定方式的切割,进入其中的光线在金刚石内经过多次全反射后可以从某个表面射出。由于几乎所有方向都能看到从金刚石中射出的光线,所以金刚石在光照下显得璀璨夺目,如下图所示。人们常说的信息高速公路,就是用光导纤维来构架的通信网络。光导纤维简称光纤,是利用全反射现象传递信息的。市面上有一种儿童玩具叫“满天星”,由一个发光系统和数百根塑料丝组成。启动开关后,它一边发光,一边旋转,给人带来满天星斗的感觉。它的原理是:从塑料丝一端射进塑料丝内的光线,在丝的内壁多次发生全反射,沿着锯齿形路线由丝的另一端传出来。塑料丝就像光导纤维一样。实用的光导纤维是用纯度极高的石英拉制成的极细的丝,直径在几微米到一百微米之间,由纤芯和包层组成。纤芯材料的折射率比包层的大,在纤芯中传播的光会在纤芯和包层的界面上发生全反射,使得光在光纤中沿纤芯传播,如右图所示。实际的光纤在包层外面还有一层缓冲涂覆层,其作用是保护光纤免受环境污染和机械损伤。医学上用光导纤维制成内窥镜,如右图所示,用来检查人体胃、肠、气管等器官。实际的内窥镜装有两组光纤,一组用来把光传送到人体内部用于照明,另一组用来观察。载有声音、图像以及各种数字信号的激光从光纤的一端输入,可以沿着光纤传输到千里以外的另一端,实现光纤通信。光纤通信的主要优点是容量大、衰减小、抗干扰能力强。一对光纤的传输能力理论值为二十亿路电话,一千万路电视。现在网络已成为人们的生活必需品,各式各样的网络不论是电话网络,计算机网络,甚至是移动电话的GSM、CDMA网络,最终还是要靠光纤网络来连接。由于光纤传输的频宽是电缆传输的数百倍,且光纤通信的技术仍在不断地突破中,未来光纤网络仍具有相当的成长性,因此有人说20世纪是电的世纪,21世纪则是光的世纪。练习6-1
1.若玻璃的折射率是1.52,水的折射率是1.33,求光在玻璃和水中的传播速度分别是多少?答案:
2.0×108
m/s;
2.3×108
m/s。
2.当光由水射向玻璃时,会不会发生全反射?答案:不会。
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