1、第二章第二章 动能动能 动能定理动能定理 2势能势能 机械能守恒定律机械能守恒定律 3 第一章第一章 光的全反射光的全反射1第二章第二章 激光的特性及应用激光的特性及应用 2一一光的全反光的全反射现象射现象二光导纤维光导纤维 当光从玻璃斜射向空气时，折射角大于当光从玻璃斜射向空气时，折射角大于入射角，如图入射角，如图6-3(a)所示；所示；随着入射角的增大，折射光线逐渐减弱随着入射角的增大，折射光线逐渐减弱，而反射光线逐渐增强，如图，而反射光线逐渐增强，如图6-3（b）；）；当入射角增大到某一角度，折射角达到当入射角增大到某一角度，折射角达到90时时，折射光完全消失，只剩下反射光，如图，折射光
2、完全消失，只剩下反射光，如图6-3(c)所示所示，这种现象叫做，这种现象叫做全反射全反射。这时对应的入射角叫做。这时对应的入射角叫做临临界角界角。如果入射角大于临界角，就会发生全反射如果入射角大于临界角，就会发生全反射现象。现象。从光密介质射向光疏介质的光，当入射角从光密介质射向光疏介质的光，当入射角大于临界角时，就会出现全反射。大于临界角时，就会出现全反射。例如，海市蜃楼的出现，就是光在密度分例如，海市蜃楼的出现，就是光在密度分布不均匀的空气中发生全反射而形成的。布不均匀的空气中发生全反射而形成的。夏天，海面上的空气，自上而下温度越夏天，海面上的空气，自上而下温度越来越低，而密度越来越大。远
3、处的山峰、船来越低，而密度越来越大。远处的山峰、船舶、集市、庙宇等反射的光线射向空中时，舶、集市、庙宇等反射的光线射向空中时，由于不断被折射越来越偏离法线方向，进入由于不断被折射越来越偏离法线方向，进入上层空气的入射角不断增大，以至发生全反上层空气的入射角不断增大，以至发生全反射，光线反射回地面，人们逆着光线看去，射，光线反射回地面，人们逆着光线看去，就会看到远方的景物悬在空中。就会看到远方的景物悬在空中。实用的实用的光导纤维光导纤维(简称光纤简称光纤)就是用纯度极就是用纯度极高的玻璃等透明材料拉制的，比头发丝还细高的玻璃等透明材料拉制的，比头发丝还细(直径在几微米到直径在几微米到100微米之
4、间微米之间)。它由纤芯和。它由纤芯和包层组成包层组成(如图如图6-8所示所示)。在纤芯中传播的光会在纤芯和包层的界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从面上发生全反射，使得光在光纤中沿纤芯从一端传输到另一端一端传输到另一端(如图如图6-9所示所示)。如果把光导纤维聚集成束，使其两端纤如果把光导纤维聚集成束，使其两端纤维排列的相对位置相同，具有亮暗色彩的图维排列的相对位置相同，具有亮暗色彩的图像就可以从一端传到另一端像就可以从一端传到另一端(如图如图6-10所示所示)。光是一种电磁波，它可以像无线电波光是一种电磁波，它可以像无线电波那样，作为一种载体来传递信息。
5、载有声那样，作为一种载体来传递信息。载有声音、图像等各种数字信号的激光从光纤的音、图像等各种数字信号的激光从光纤的一端输入，就可以沿着光纤传到千里之外一端输入，就可以沿着光纤传到千里之外的另一端。这就是的另一端。这就是光纤通信光纤通信。光导纤维最广泛的应用是在通信领域光导纤维最广泛的应用是在通信领域，即光导纤维通信，即光导纤维通信(简称光纤通信简称光纤通信)。光纤通信中的光缆光纤通信中的光缆(如图如图6-11所示所示)是把若干根光是把若干根光纤集成一束，中心使用钢丝以增强光缆的抗拉强度纤集成一束，中心使用钢丝以增强光缆的抗拉强度。与普通通信电缆相比，光缆具有信息与普通通信电缆相比，光缆具有信息
6、容量大、质量轻、占有空间小、耦合损耗容量大、质量轻、占有空间小、耦合损耗底、串话少、抗电磁干扰性能好、泄漏小底、串话少、抗电磁干扰性能好、泄漏小、保密性极强、价格低、加工方便且节约、保密性极强、价格低、加工方便且节约金属材料、利于资源合理使用等优点。因金属材料、利于资源合理使用等优点。因此，光纤通信取代电缆和微波通信是当今此，光纤通信取代电缆和微波通信是当今通信技术的发展趋势。英国自通信技术的发展趋势。英国自1984年起就年起就不再铺设金属通信电缆了。不再铺设金属通信电缆了。一一离子键离子键二共价键共价键一一离子键离子键二激光的激光的应用应用一一激光的激光的特性特性1.1.方向性好方向性好19
7、62年，人类第一次使用激光照射月球年，人类第一次使用激光照射月球，地球与月球的平均距离约，地球与月球的平均距离约38104km但激光但激光在月球表面的光斑不到在月球表面的光斑不到2km。若以聚光效果。若以聚光效果很好，看似平行的探照灯光柱射向月球，其很好，看似平行的探照灯光柱射向月球，其光斑直径将覆盖整个月球。激光器发射的激光斑直径将覆盖整个月球。激光器发射的激光，能够朝一个方向射出，光束的发散度极光，能够朝一个方向射出，光束的发散度极小，接近平行，方向性极好。小，接近平行，方向性极好。2.2.能量集中能量集中激光能使物体被照部分在不到千分之一激光能使物体被照部分在不到千分之一秒的时间内产生几
8、千万度的高温，在切割、秒的时间内产生几千万度的高温，在切割、焊接、打孔等领域有着广泛的应用。焊接、打孔等领域有着广泛的应用。3.3.单色性好单色性好激光器输出的光，波长分布范围非常小激光器输出的光，波长分布范围非常小，例如输出红光的氦氖激光器，其光的波长，例如输出红光的氦氖激光器，其光的波长宽度可以窄到宽度可以窄到3.3310-9m，因此颜色极纯。，因此颜色极纯。1.1.工业中的运用工业中的运用（1）激光切割。激光可以用来切割）激光切割。激光可以用来切割(如图如图6-12)、焊、焊接、打孔与打标接、打孔与打标(如图如图6-13)等。等。（2）激光存储。激光可以增大）激光存储。激光可以增大DVD
9、，CD等计算等计算机光盘信息的密度；可以储存和阅读大量的信息。机光盘信息的密度；可以储存和阅读大量的信息。（3）激光防伪。激光出现后，全息照相得到了飞）激光防伪。激光出现后，全息照相得到了飞速的发展，使防伪技术在日常生活中有了广泛的应速的发展，使防伪技术在日常生活中有了广泛的应用。用。（4）激光核聚变。核聚变反应需要初始高温，一）激光核聚变。核聚变反应需要初始高温，一种可行的方法是把核燃料制成小颗粒，用激光从各种可行的方法是把核燃料制成小颗粒，用激光从各个方向对它进行照射，利用多路强激光产生高温和个方向对它进行照射，利用多路强激光产生高温和高压，从而使核聚变在人为控制下进行。高压，从而使核聚变
10、在人为控制下进行。2.2.生物领域中的应用生物领域中的应用 激光的照射可以使受照射部位的生物组激光的照射可以使受照射部位的生物组织结构或机能发生变化。织结构或机能发生变化。例如，利用激光照射种子，可培育出小例如，利用激光照射种子，可培育出小麦、大豆、油菜等作物的优良品种，也可以麦、大豆、油菜等作物的优良品种，也可以改造果树性能，培育出优良水果品种。改造果树性能，培育出优良水果品种。3.3.医疗领域中的应用医疗领域中的应用 激光用于手术，一些由激光用于手术，一些由于出血多而无法进行的内于出血多而无法进行的内窥镜手术，可由激光切割窥镜手术，可由激光切割代替完成代替完成(如图如图6-14)。激光还可
11、应用于美容中激光还可应用于美容中。4.4.军事中的应用军事中的应用激光武器可以分为激光武器可以分为3类：一是致盲型，使类：一是致盲型，使敌方丧失视觉；二是近距离战术型，可用来敌方丧失视觉；二是近距离战术型，可用来击落导弹和飞机；三是激光测距，激光可以击落导弹和飞机；三是激光测距，激光可以用来精确测距。用来精确测距。对准目标发出激光脉冲，测出发射与接对准目标发出激光脉冲，测出发射与接收到反射光的时间间隔，就可以求出目标的收到反射光的时间间隔，就可以求出目标的距离。根据这个原理可制成激光测距雷达。距离。根据这个原理可制成激光测距雷达。3.3.焦耳的实验焦耳的实验 英国物理学家焦耳从英国物理学家焦耳
12、从1840年开始用了近年开始用了近40年的时间研究做功和热传递对物体热力学能年的时间研究做功和热传递对物体热力学能的影响。的影响。焦耳经过反复实验计算出重物下降过程焦耳经过反复实验计算出重物下降过程中所做的机械功和水温升高所吸收的热量，中所做的机械功和水温升高所吸收的热量，确定了做功和热传递这两种改变物体热力学确定了做功和热传递这两种改变物体热力学能的方法是等价的，并测出功与热量在数量能的方法是等价的，并测出功与热量在数量上的对应关系。上的对应关系。4.4.热力学第一定律热力学第一定律 既然做功和热传递在改变物体热力学能方面是既然做功和热传递在改变物体热力学能方面是等价的，那么当外界既对物体做
13、功，又对物体传热等价的，那么当外界既对物体做功，又对物体传热时，热力学能的增加就应该是这两种方式对热力学时，热力学能的增加就应该是这两种方式对热力学能改变的累加。如果用能改变的累加。如果用U表示物体热力学能的增加表示物体热力学能的增加量、用量、用Q表示外界对物体热传递的热量、用表示外界对物体热传递的热量、用W表示表示外界对物体所做的功，则外界对物体所做的功，则 热力学第一定律热力学第一定律 物体的热力学能变化物体的热力学能变化量等于外界向它传递的热量与外界对它所做量等于外界向它传递的热量与外界对它所做功的和。功的和。在热力学第一定律中，如果外界向物体在热力学第一定律中，如果外界向物体传递热量或
14、对它做功，则传递热量或对它做功，则Q为正或为正或W为正；如为正；如果物体向外界传递热量或对外做功，则果物体向外界传递热量或对外做功，则Q为为负或负或W为负。不论为负。不论Q和和W是正还是负，其变化是正还是负，其变化量总是等于二者之和。量总是等于二者之和。【例题【例题3-1】西藏旅游景区门口会供应袋装氧气西藏旅游景区门口会供应袋装氧气，这些氧气是从高压氧气罐中分装的。如果分装时，这些氧气是从高压氧气罐中分装的。如果分装时氧气体积膨胀做功氧气体积膨胀做功30J，同时从周围空气中吸收热量，同时从周围空气中吸收热量5J，氧气的热力学能改变了多少，氧气的热力学能改变了多少?1.1.能量及相互转化能量及相
15、互转化自然界存在各种不同形式的能，如图自然界存在各种不同形式的能，如图3-18所示所示。不同的能量形式与不同的运动形式相对应，如不同的能量形式与不同的运动形式相对应，如物体运动具有机械能、分子运动具有热力学能、电物体运动具有机械能、分子运动具有热力学能、电荷运动具有电能等。荷运动具有电能等。不同形式的能量之间可以相互转化，摩擦生热不同形式的能量之间可以相互转化，摩擦生热是通过克服摩擦做功将机械能转化为热力学能；水是通过克服摩擦做功将机械能转化为热力学能；水壶中的水沸腾时水蒸气顶起壶盖对外做功，是热力壶中的水沸腾时水蒸气顶起壶盖对外做功，是热力学能转化为机械能；电流通过电热丝做功是将电能学能转化
16、为机械能；电流通过电热丝做功是将电能转化为热力学能；等等。转化为热力学能；等等。2.2.能量守恒定律能量守恒定律 能量既不会凭空产生，也不会凭空消失能量既不会凭空产生，也不会凭空消失，只能从一种形式转化为另一种形式或从一，只能从一种形式转化为另一种形式或从一个物体转移到另一个物体，在转化或转移的个物体转移到另一个物体，在转化或转移的过程中，能量的总量保持不变，这就是过程中，能量的总量保持不变，这就是能量能量守恒定律守恒定律。能量守恒定律是自然界中最基本、最普能量守恒定律是自然界中最基本、最普遍的规律之一。例如，机械能守恒定律是动遍的规律之一。例如，机械能守恒定律是动能与势能发生转化时的能量守恒
17、；热力学第能与势能发生转化时的能量守恒；热力学第一定律是热力学能与其他能量发生转化时的一定律是热力学能与其他能量发生转化时的能量守恒。能量守恒。因为不同的能量与不同的运动相对应，因为不同的能量与不同的运动相对应，因此能量守恒定律把自然界各种物质运动有因此能量守恒定律把自然界各种物质运动有机地联系在一起了。机地联系在一起了。与热现象有关的能量转化和转移的过程与热现象有关的能量转化和转移的过程是不可逆的。是不可逆的。能量靠能源提供，目前使用的主要能源能量靠能源提供，目前使用的主要能源是煤、石油、天然气。这些常规能源是不可是煤、石油、天然气。这些常规能源是不可再生的。因此，注意开发新能源，节约使用再生的。因此，注意开发新能源，节约使用现有能源，尽量使用可再生能源，努力提高现有能源，尽量使用可再生能源，努力提高能源利用效率，保障经济社会的可持续发展能源利用效率，保障经济社会的可持续发展，是我们每一个社会成员的共同责任。，是我们每一个社会成员的共同责任。
