1、第7章光现象及其应用7.1光的折射与全反射 7.1.1光的折射 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3108 m/s。当光从一种介质进入另一种介质时，则会因折射、反射等产生方向上的变化。光从一种介质斜射入另一种介质时，传播方向会发生改变，从而使光线在不同介质的交界处发生偏折，这种现象称为光的折射。7.1光的折射与全反射 7.1.1光的折射 如图7-1所示，一束入射光AO从空气中斜射向水面后，在水面处将发生折射，折射光为OB。图中，入射光线AO与法线NN的夹角1称为入射角，折射光线OB与法线NN的夹角2称为折射角。图7-17.1光的折射与全反射 7.1.1光的折射 1621
2、年，荷兰数学家斯涅耳（15801626）在分析了大量的数据后找到了两者之间的关系，总结出了光的折射定律：折射光线与入射光线、法线处于同一平面内，折射光线和入射光线分居法线两侧，入射角的正弦值与折射角的正弦值成正比，即:7.1光的折射与全反射 7.1.1光的折射 式中的n12是比例常数。经过长期的理论和实验研究，人们发现它与入射角和折射角的大小无关，而与光在介质中的传播速度有关。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。在实际应用中，遇到最多的情况是光从空气入射到其他介质中，或从其他介质中入射到空气中，而空气对光的传播的影响很小，可以作为真空处理。这时，常数n12可以简单地记为
3、n。7.1光的折射与全反射 7.1.1光的折射 我们把光在真空中的速度c和光在介质中的速度v之比称为介质的折射率，用n表示，即:由于光在真空中的速度大于光在任何介质中的速度，所以其他介质的折射率都大于1。7.1光的折射与全反射 7.1.1光的折射 例7-1:如图7-2（a）所示，一束光自空气垂直射入玻璃三棱镜的AB面，从AC面射出时偏离原方向为=15，棱镜的顶角=30，求光在该棱镜中的折射率和传播速度。精选例题 图7-27.1光的折射与全反射 7.1.1光的折射 解:根据题意，画出光在AC面发生折射时的光路图，如图7-2（b）所示，则由几何知识可知根据折射定律可得于是即光在该棱镜中的折射率为，
4、在棱镜中的传播速度约为2.12108 m/s。精选例题27.1光的折射与全反射 7.1.2光的反射和全反射 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。光密介质与光疏介质是相对的，同一种介质，到底是光密介质还是光疏介质是不确定的。例如，水、水晶和金刚石三种物质相比较，水晶对水来说是光密介质，对金刚石来说则是光疏介质。7.1光的折射与全反射 7.1.2光的反射和全反射 由折射定律可知，光从光疏介质射向光密介质（如从空气射向玻璃）时，折射角小于入射角；光从光密介质射向光疏介质（如从玻璃射向空气）时，折射角总是大于入射角。7.1光的折射与全反射 7.1.2光的反射和全反射 如图7
5、-3所示，让一束光沿着半圆形玻璃砖的半径射到它的直边上时，一部分光从玻璃砖的直边上折射到空气中，另一部分光会改变传播方向而返回玻璃砖内。逐渐增大入射角，观察入射光线和反射光线的变化。图7-3演示实验7.1光的折射与全反射 7.1.2光的反射和全反射 光照到两种介质的分界面上时，有一部分改变传播方向而返回原介质的现象称为光的反射。用几何图示画出光反射的光路图及其名称，如图7-4所示。图7-4演示实验7.1光的折射与全反射 7.1.2光的反射和全反射 从上述实验可以得出，当光从光密介质射向光疏介质时，同时发生折射和反射。如果入射角逐渐增大，折射光线会远离法线，且越来越弱，反射光越来越强。当入射角增
6、大到某一角度，使折射角达到90时，折射光完全消失，只剩下反射光，这种现象称为全反射，这时的入射角称为临界角，用C表示。7.1光的折射与全反射 7.1.2光的反射和全反射根据折射定律可得: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。7.1光的折射与全反射 7.1.2光的反射和全反射 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同。介质的折射率越大，发生全反射的临界角就越小。例如，水的临界角为48.8，玻璃的临界角为3242，金刚石的临界角为24.5。7.1光的折射与全反射 7.1.2光的反射和全反射实验表明，光的反射遵循以下规律：（1）反射光位于
7、入射光和法线所确定的平面内，反射光线和入射光线分别位于法线的两侧。（2）在光的反射现象中光路是可逆的，且反射角等于入射角（光的反射定律）。（3）无论反射面是平面还是曲面，光的反射都遵从反射定律。7.1光的折射与全反射 7.1.2光的反射和全反射例7-2:如图7-5所示，一个用透明材料制成的截面为直角三角形的三棱ABC，现在有一束单色光从空气中以1=45的入射角自直角边AB射入，折射时的偏向角为15，然后光线射到AC面时刚好发生了全反射。求：（1）材料的折射率。（2）全反射的临界角。精选例题图7-57.1光的折射与全反射 7.1.2光的反射和全反射解:（1）设光从空气射入玻璃的折射角为2，光线以
8、1=45 的入射角自直角边AB射入，折射时的偏向角为15，所以折射角为30，光路的几何图示如图7-6所示。精选例题图7-67.1光的折射与全反射 7.1.2光的反射和全反射由折射定律可得折射率n为:即该材料的折射率为。（2）因光线在AC面恰好发生全反射，则可得因此C=45，即全反射的临界角为45。精选例题27.1光的折射与全反射 7.1.2光的反射和全反射 水 中 或 玻 璃中的气泡看起来特别亮，是因为光从水或玻璃中射向气泡时，一部分光在界面上发生了全反射。7.1光的折射与全反射 7.1.2光的反射和全反射 金刚石经过一定方式的切割，进入其中的光线在金刚石内部经过多次全反射后可以从某个表面射出
9、，因此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。7.1光的折射与全反射 7.1.3光导纤维 光导纤维简称光纤，它就是利用全反射现象传递信息的。光导纤维是一种透明的玻璃纤维丝，直径在几微米到一百微米之间，由内芯和外套组成。内芯材料的折射率比外套的大，在内芯中传播的光会在内芯和外套的界面上发生全反射，使得光在光纤中沿内芯传播，如图7-7所示。图7-77.1光的折射与全反射 7.1.3光导纤维 如果把光导纤维聚集成束，使纤维在两端排列的相对位置一样，图像就可以从一端传到另一端。医学上常用来检查人体肠、胃等内脏的内窥镜就是用光导纤维制成的。内窥镜中装有两组光纤，一组把光传送
10、到人体内部进行照明，另一组把体内的图像传出供医生观察。7.1光的折射与全反射 练习7.11.下面各种现象中，属于全反射的是（）。A露珠闪亮B玻璃中的气泡看上去特别光亮C直尺斜插在水中时，呈弯折现象D夜间行车时，装在汽车后的尾灯发光7.1光的折射与全反射 练习7.12.下列关于全反射的说法正确的是（）。A.光只有从光密介质射向光疏介质时才能发生全反射B.如果条件允许，光从光疏介质射向光密介质时也可能发生全反射C.只有在入射角等于临界角时才能发生全反射D.发生全反射时，折射光线完全消失，反射光的能量几乎等于入射光的能量7.2激光 7.2.1激光的特点1.相干性好 光是由原子的自发辐射产生的。光源中
11、处于高能级的原子自发地跃迁到低能级，同时放出一个光子，这种现象称为自发辐射。由普通光源发出的光子状态是各不相同的，不仅波长不同，发射的方向也不同，即发出的光是杂乱无章的。7.2激光 7.2.1激光的特点1.相干性好 当两个独立的普通光源发出的光发生叠加时，一会儿在空间的某点加强，一会儿又在这点相互削弱，不能形成稳定的亮区和暗区，不会发生干涉。这样的光是非相干光。激光是一种人工产生的频率相同、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激光的特点1.相干性好 激光是相干光，因此能像无线电波那样进行调制，用来传递信息。我们前面所讲的光纤通信就是利用激光和光纤相结合实现
12、的。信息论的理论告诉我们，电磁波的频率越高，它所携带的信息量越大，所以激光可以比无线电波传递更多的信息。7.2激光 7.2.1激光的特点2.亮度高 激光是现代最亮的光源，它可以在很小的空间和很短的时间内集中很大的能量。如果把强大的激光束会聚起来照射到物体上，可以使物体的被照部分在不到千分之一秒的时间内产生几千万度的高温，即使最难熔化的物质在这一高温下也会瞬间汽化了。7.2激光 7.2.1激光的特点3.单色性好 光的颜色是由光的波长（或频率）决定的，一定的波长对应一定的颜色。太阳辐射出的可见光段的波长分布为0.40.76 m，对应的颜色共有7种，所以太阳光不是单色光，而是复色光。在自然界中几乎找
13、不到波长纯粹的光，各种波长的光总是混杂在一起。而激光的波长分布范围非常窄，因此颜色极纯，是一种理想的单色光源。7.2激光 7.2.1激光的特点4.方向性好 激光的第四个特点是方向性好。太阳、电灯等几乎所有的普通光源都是向四面八方同时发光的，而激光器发射的激光只朝一个方向射出，光束的发散角度非常小（大约只有0.001弧度），接近平行。如果将激光射向月球，其光束在月球上仅留下一个半径为2 km 的光斑，而以聚光效果很好看似平行的探照灯光柱射向月球，其光斑可覆盖整个月球。7.2激光 7.2.2激光的应用 1960年，美国物理学家梅曼（见图7-8）发明了世界上第一台激光器，为光通信提供了良好的光源。图
14、7-87.2激光 7.2.2激光的应用 1961年，我国也研制出了第一台红宝石激光器，如图7-9所示。图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进行穿孔、切割和焊接等特种加工。激光加工作为先进制造技术已广泛应用于汽车、电子、航空、冶金等广大重要行业，对提高产品质量、提高劳动生产率、减少材料消耗等起到越来越重要的作用。7.2.2激光的应用7.2激光2.激光通信 激光通信包括激光大气传输通信、卫星激光通信、光纤通信和水下激光通信等多种方式。激光大气通信的发送设备主要由激光器（光源）、光调制器、光学发射天线（透镜）等组成；接收设备主要由光学接收天线、
15、光检测器等组成。激光通信具有信息容量大、传送线路多、保密性强、可传送距离远、设备轻便、费用低廉等优点。7.2.2激光的应用7.2激光3.激光手术 由于激光具有亮度高、能量大的特点，因此医学上可以用激光做“光刀”来做手术。激光手术有传统手术无法比拟的优越性。激光手术不需要住院治疗，手术切口小，术中不出血，创伤轻，无疤痕。那些由于容易出现出血多而无法进行的内窥镜手术，则可由激光切割代替完成。7.2.2激光的应用7.2激光4.激光武器 激光武器是一种利用定向发射的激光束直接攻击目标，使其毁伤或失效的定向能武器。根据作战用途的不同，激光武器可分为战术激光武器和战略激光武器两大类。激光武器系统主要由激光器和跟踪、瞄准、发射装置等部分组成。激光武器有很多独特的优点，如速度快、能量集中、无污染等。7.2.2激光的应用练习7.21.下列关于激光的说法正确的是（）。A.激光通信不受气候条件的影响B.激光束不能载有图像信号C.激光的颜色很纯D.激光通信和无线电通信完全不同7.2激光 谢谢大家
