物理(通用類)第7章課件

1、第7章光現(xiàn)象及其應(yīng)用7.1光的折射與全反射 7.1.1光的折射 在同種均勻的介質(zhì)中光是沿直線傳播的，光在真空中的傳播速度為3108 m/s。當(dāng)光從一種介質(zhì)進(jìn)入另一種介質(zhì)時(shí)，則會(huì)因折射、反射等產(chǎn)生方向上的變化。 光從一種介質(zhì)斜射入另一種介質(zhì)時(shí)，傳播方向會(huì)發(fā)生改變，從而使光線在不同介質(zhì)的交界處發(fā)生偏折，這種現(xiàn)象稱為光的折射。7.1光的折射與全反射 7.1.1光的折射 如圖7-1所示，一束入射光AO從空氣中斜射向水面后，在水面處將發(fā)生折射，折射光為OB。圖中，入射光線AO與法線NN的夾角1稱為入射角，折射光線OB與法線NN的夾角2稱為折射角。 圖7-17.1光的折射與全反射 7.1.1光的折射 16

2、21年，荷蘭數(shù)學(xué)家斯涅耳（15801626）在分析了大量的數(shù)據(jù)后找到了兩者之間的關(guān)系，總結(jié)出了光的折射定律：折射光線與入射光線、法線處于同一平面內(nèi)，折射光線和入射光線分居法線兩側(cè)，入射角的正弦值與折射角的正弦值成正比，即:7.1光的折射與全反射 7.1.1光的折射 式中的n12是比例常數(shù)。經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期的理論和實(shí)驗(yàn)研究，人們發(fā)現(xiàn)它與入射角和折射角的大小無(wú)關(guān)，而與光在介質(zhì)中的傳播速度有關(guān)。因此，當(dāng)光從真空射入其他不同的介質(zhì)時(shí)，會(huì)發(fā)生不同程度的偏折。在實(shí)際應(yīng)用中，遇到最多的情況是光從空氣入射到其他介質(zhì)中，或從其他介質(zhì)中入射到空氣中，而空氣對(duì)光的傳播的影響很小，可以作為真空處理。這時(shí)，常數(shù)n12可以簡(jiǎn)單地

3、記為n。7.1光的折射與全反射 7.1.1光的折射 我們把光在真空中的速度c和光在介質(zhì)中的速度v之比稱為介質(zhì)的折射率，用n表示，即:由于光在真空中的速度大于光在任何介質(zhì)中的速度，所以其他介質(zhì)的折射率都大于1。7.1光的折射與全反射 7.1.1光的折射 例7-1:如圖7-2（a）所示，一束光自空氣垂直射入玻璃三棱鏡的AB面，從AC面射出時(shí)偏離原方向?yàn)?15，棱鏡的頂角=30，求光在該棱鏡中的折射率和傳播速度。精選例題 圖7-27.1光的折射與全反射 7.1.1光的折射 解:根據(jù)題意，畫(huà)出光在AC面發(fā)生折射時(shí)的光路圖，如圖7-2（b）所示，則由幾何知識(shí)可知根據(jù)折射定律可得于是即光在該棱鏡中的折射率

4、為，在棱鏡中的傳播速度約為2.12108 m/s。精選例題7.1光的折射與全反射 7.1.2光的反射和全反射 兩種介質(zhì)相比較，折射率大的稱為光密介質(zhì)，折射率小的稱為光疏介質(zhì)。光密介質(zhì)與光疏介質(zhì)是相對(duì)的，同一種介質(zhì)，到底是光密介質(zhì)還是光疏介質(zhì)是不確定的。例如，水、水晶和金剛石三種物質(zhì)相比較，水晶對(duì)水來(lái)說(shuō)是光密介質(zhì)，對(duì)金剛石來(lái)說(shuō)則是光疏介質(zhì)。7.1光的折射與全反射 7.1.2光的反射和全反射 由折射定律可知，光從光疏介質(zhì)射向光密介質(zhì)（如從空氣射向玻璃）時(shí)，折射角小于入射角；光從光密介質(zhì)射向光疏介質(zhì)（如從玻璃射向空氣）時(shí)，折射角總是大于入射角。7.1光的折射與全反射 7.1.2光的反射和全反射 如圖

5、7-3所示，讓一束光沿著半圓形玻璃磚的半徑射到它的直邊上時(shí)，一部分光從玻璃磚的直邊上折射到空氣中，另一部分光會(huì)改變傳播方向而返回玻璃磚內(nèi)。逐漸增大入射角，觀察入射光線和反射光線的變化。 圖7-3演示實(shí)驗(yàn)7.1光的折射與全反射 7.1.2光的反射和全反射 光照到兩種介質(zhì)的分界面上時(shí)，有一部分改變傳播方向而返回原介質(zhì)的現(xiàn)象稱為光的反射。用幾何圖示畫(huà)出光反射的光路圖及其名稱，如圖7-4所示。 圖7-4演示實(shí)驗(yàn)7.1光的折射與全反射 7.1.2光的反射和全反射 從上述實(shí)驗(yàn)可以得出，當(dāng)光從光密介質(zhì)射向光疏介質(zhì)時(shí)，同時(shí)發(fā)生折射和反射。如果入射角逐漸增大，折射光線會(huì)遠(yuǎn)離法線，且越來(lái)越弱，反射光越來(lái)越強(qiáng)。當(dāng)入

6、射角增大到某一角度，使折射角達(dá)到90時(shí)，折射光完全消失，只剩下反射光，這種現(xiàn)象稱為全反射，這時(shí)的入射角稱為臨界角，用C表示。7.1光的折射與全反射 7.1.2光的反射和全反射根據(jù)折射定律可得:當(dāng)光從光密介質(zhì)射向光疏介質(zhì)時(shí)，如果入射角等于或大于臨界角，就發(fā)生全反射現(xiàn)象。7.1光的折射與全反射 7.1.2光的反射和全反射 不同的介質(zhì)，由于折射率不同，在空氣中發(fā)生全反射現(xiàn)象的臨界角也不同。介質(zhì)的折射率越大，發(fā)生全反射的臨界角就越小。例如，水的臨界角為48.8，玻璃的臨界角為3242，金剛石的臨界角為24.5。7.1光的折射與全反射 7.1.2光的反射和全反射實(shí)驗(yàn)表明，光的反射遵循以下規(guī)律：（1）反射

7、光位于入射光和法線所確定的平面內(nèi)，反射光線和入射光線分別位于法線的兩側(cè)。（2）在光的反射現(xiàn)象中光路是可逆的，且反射角等于入射角（光的反射定律）。（3）無(wú)論反射面是平面還是曲面，光的反射都遵從反射定律。7.1光的折射與全反射 7.1.2光的反射和全反射例7-2:如圖7-5所示，一個(gè)用透明材料制成的截面為直角三角形的三棱ABC，現(xiàn)在有一束單色光從空氣中以1=45的入射角自直角邊AB射入，折射時(shí)的偏向角為15，然后光線射到AC面時(shí)剛好發(fā)生了全反射。求：（1）材料的折射率。（2）全反射的臨界角。精選例題圖7-57.1光的折射與全反射 7.1.2光的反射和全反射解:（1）設(shè)光從空氣射入玻璃的折射角為2，

8、光線以1=45 的入射角自直角邊AB射入，折射時(shí)的偏向角為15，所以折射角為30，光路的幾何圖示如圖7-6所示。精選例題圖7-67.1光的折射與全反射 7.1.2光的反射和全反射由折射定律可得折射率n為:即該材料的折射率為。（2）因光線在AC面恰好發(fā)生全反射，則可得因此C=45，即全反射的臨界角為45。精選例題7.1光的折射與全反射 7.1.2光的反射和全反射 水中或玻璃中的氣泡看起來(lái)特別亮，是因?yàn)楣鈴乃虿Ａе猩湎驓馀輹r(shí)，一部分光在界面上發(fā)生了全反射。7.1光的折射與全反射 7.1.2光的反射和全反射 金剛石經(jīng)過(guò)一定方式的切割，進(jìn)入其中的光線在金剛石內(nèi)部經(jīng)過(guò)多次全反射后可以從某個(gè)表面射出，因

9、此所有方向都能看到從金剛石中射出的光線，所以金剛石在光照下顯得璀璨奪目。7.1光的折射與全反射 7.1.3光導(dǎo)纖維 光導(dǎo)纖維簡(jiǎn)稱光纖，它就是利用全反射現(xiàn)象傳遞信息的。光導(dǎo)纖維是一種透明的玻璃纖維絲，直徑在幾微米到一百微米之間，由內(nèi)芯和外套組成。內(nèi)芯材料的折射率比外套的大，在內(nèi)芯中傳播的光會(huì)在內(nèi)芯和外套的界面上發(fā)生全反射，使得光在光纖中沿內(nèi)芯傳播，如圖7-7所示。圖7-77.1光的折射與全反射 7.1.3光導(dǎo)纖維 如果把光導(dǎo)纖維聚集成束，使纖維在兩端排列的相對(duì)位置一樣，圖像就可以從一端傳到另一端。醫(yī)學(xué)上常用來(lái)檢查人體腸、胃等內(nèi)臟的內(nèi)窺鏡就是用光導(dǎo)纖維制成的。內(nèi)窺鏡中裝有兩組光纖，一組把光傳送到人

10、體內(nèi)部進(jìn)行照明，另一組把體內(nèi)的圖像傳出供醫(yī)生觀察。7.1光的折射與全反射 練習(xí)7.11.下面各種現(xiàn)象中，屬于全反射的是（）。A露珠閃亮B玻璃中的氣泡看上去特別光亮C直尺斜插在水中時(shí)，呈彎折現(xiàn)象D夜間行車時(shí)，裝在汽車后的尾燈發(fā)光7.1光的折射與全反射 練習(xí)7.12.下列關(guān)于全反射的說(shuō)法正確的是（）。A.光只有從光密介質(zhì)射向光疏介質(zhì)時(shí)才能發(fā)生全反射B.如果條件允許，光從光疏介質(zhì)射向光密介質(zhì)時(shí)也可能發(fā)生全反射C.只有在入射角等于臨界角時(shí)才能發(fā)生全反射D.發(fā)生全反射時(shí)，折射光線完全消失，反射光的能量幾乎等于入射光的能量7.2激光 7.2.1激光的特點(diǎn)1.相干性好 光是由原子的自發(fā)輻射產(chǎn)生的。光源中處于

11、高能級(jí)的原子自發(fā)地躍遷到低能級(jí)，同時(shí)放出一個(gè)光子，這種現(xiàn)象稱為自發(fā)輻射。由普通光源發(fā)出的光子狀態(tài)是各不相同的，不僅波長(zhǎng)不同，發(fā)射的方向也不同，即發(fā)出的光是雜亂無(wú)章的。7.2激光 7.2.1激光的特點(diǎn)1.相干性好 當(dāng)兩個(gè)獨(dú)立的普通光源發(fā)出的光發(fā)生疊加時(shí)，一會(huì)兒在空間的某點(diǎn)加強(qiáng)，一會(huì)兒又在這點(diǎn)相互削弱，不能形成穩(wěn)定的亮區(qū)和暗區(qū)，不會(huì)發(fā)生干涉。這樣的光是非相干光。激光是一種人工產(chǎn)生的頻率相同、相位差恒定、偏振方向一致的相干光，具有高度的相干性。7.2激光 7.2.1激光的特點(diǎn)1.相干性好 激光是相干光，因此能像無(wú)線電波那樣進(jìn)行調(diào)制，用來(lái)傳遞信息。我們前面所講的光纖通信就是利用激光和光纖相結(jié)合實(shí)現(xiàn)的。

12、信息論的理論告訴我們，電磁波的頻率越高，它所攜帶的信息量越大，所以激光可以比無(wú)線電波傳遞更多的信息。7.2激光 7.2.1激光的特點(diǎn)2.亮度高 激光是現(xiàn)代最亮的光源，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(lái)照射到物體上，可以使物體的被照部分在不到千分之一秒的時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生幾千萬(wàn)度的高溫，即使最難熔化的物質(zhì)在這一高溫下也會(huì)瞬間汽化了。7.2激光 7.2.1激光的特點(diǎn)3.單色性好 光的顏色是由光的波長(zhǎng)（或頻率）決定的，一定的波長(zhǎng)對(duì)應(yīng)一定的顏色。太陽(yáng)輻射出的可見(jiàn)光段的波長(zhǎng)分布為0.40.76 m，對(duì)應(yīng)的顏色共有7種，所以太陽(yáng)光不是單色光，而是復(fù)色光。在自然界中幾乎找不到

13、波長(zhǎng)純粹的光，各種波長(zhǎng)的光總是混雜在一起。而激光的波長(zhǎng)分布范圍非常窄，因此顏色極純，是一種理想的單色光源。7.2激光 7.2.1激光的特點(diǎn)4.方向性好 激光的第四個(gè)特點(diǎn)是方向性好。太陽(yáng)、電燈等幾乎所有的普通光源都是向四面八方同時(shí)發(fā)光的，而激光器發(fā)射的激光只朝一個(gè)方向射出，光束的發(fā)散角度非常?。ù蠹s只有0.001弧度），接近平行。如果將激光射向月球，其光束在月球上僅留下一個(gè)半徑為2 km 的光斑，而以聚光效果很好看似平行的探照燈光柱射向月球，其光斑可覆蓋整個(gè)月球。7.2激光 7.2.2激光的應(yīng)用 1960年，美國(guó)物理學(xué)家梅曼（見(jiàn)圖7-8）發(fā)明了世界上第一臺(tái)激光器，為光通信提供了良好的光源。 圖7

14、-87.2激光 7.2.2激光的應(yīng)用 1961年，我國(guó)也研制出了第一臺(tái)紅寶石激光器，如圖7-9所示。 圖7-97.2激光1.激光加工 激光加工即利用高功率密度的激光束照射工件,使材料熔化或汽化而進(jìn)行穿孔、切割和焊接等特種加工。激光加工作為先進(jìn)制造技術(shù)已廣泛應(yīng)用于汽車、電子、航空、冶金等廣大重要行業(yè)，對(duì)提高產(chǎn)品質(zhì)量、提高勞動(dòng)生產(chǎn)率、減少材料消耗等起到越來(lái)越重要的作用。 7.2.2激光的應(yīng)用7.2激光2.激光通信 激光通信包括激光大氣傳輸通信、衛(wèi)星激光通信、光纖通信和水下激光通信等多種方式。激光大氣通信的發(fā)送設(shè)備主要由激光器（光源）、光調(diào)制器、光學(xué)發(fā)射天線（透鏡）等組成；接收設(shè)備主要由光學(xué)接收天線、光檢測(cè)器等組成。激光通信具有信息容量大、傳送線路多、保密性強(qiáng)、可傳送距離遠(yuǎn)、設(shè)備輕便、費(fèi)用低廉等優(yōu)點(diǎn)。 7.2.2激光的應(yīng)用7.2激光3.激光手術(shù) 由于激光具有亮度高、能量大的特點(diǎn)，因此醫(yī)學(xué)上可以用激光做“光刀”來(lái)做手術(shù)。激光手術(shù)有傳統(tǒng)手術(shù)無(wú)法比擬的優(yōu)越性。激光手術(shù)不需要住院治療，手術(shù)切口小，術(shù)中不出血，創(chuàng)傷輕，無(wú)疤痕。那些由于容易出現(xiàn)出血多而無(wú)法進(jìn)行的內(nèi)窺鏡手術(shù)，則可由激光切割代替完成。 7.2.2激光的應(yīng)用7.2激光4