第二十八章 自行车后面的反射镜、光纤有什么奥秘吗?全反射及应用

在第二十七章介绍了光的反射、折射现象,这一章接着介绍光的反射一种特殊的情况:光的全反射。

全反射

如图1所示,当光由光密介质(即介质的折射率较大)入射到光疏介质(即介质的折射率较小)的界面时,折射角将大于入射角;并且入射角越大,折射角也越大。

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图1 光的反射、折射

当入射角增大到某一临界数值时,折射角将达到90°,此时折射光沿着界面传播,在光疏介质中将不出现折射光线,如图2所示(此时的入射角称为全反射临界角)。

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图2 全反射临界角

只要入射角大于上述的全反射临界角,光入射到两种介质界面时,全部被反射回原介质内,只产生反射而不再产生折射,这样的现象就是全反射,如图3所示。

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图3 全反射

总结产生全反射的条件:①光必须由光密介质入射向光疏介质;②入射角必须大于临界角。这两个条件必须同时具备,缺一不可。

全反射应用

光纤:光纤是光导纤维的简称,由高透明玻璃、塑料或有机金属钙钛矿制成的纤维,纤维芯折射率高,外面包裹低折射率反光材料而成,可作为光传导工具。光线从光纤一端入射,进入光纤内部传导,在光纤内壁发生全反射,不会折射到外面,这样光线就可以从光纤另一端射出。图4是光纤传导原理示意图。

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图4 光纤传导原理

用大量的光纤并成一束,光在各纤维之间不会“串行”,可以传播图像。

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图5 光纤传播图像

现在,光纤的应用越来越广泛、普及。不但可以传输光信号,做到光缆到家,满足快速上网需求,制作成各种内窥镜,更方便医生医疗病人、抢险救灾寻找被掩埋人员,还可以制作成孩子玩具、节日彩灯等。

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图6 光纤灯

棱镜:有多个棱构成的透明柱体都称为棱镜。有三角棱镜、五角棱镜、角锥棱镜和倒向棱镜等,是许多光学仪器的组成部件之一。棱镜可以使光束转向,测折射率或作为色散元件。

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图7 各种棱镜

图8是组合波罗棱镜,正立的物可以向下平移成倒立的像,可用于望远镜正像系统像面旋转180度。

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图8 组合波罗棱镜

图9是后反射直角棱镜:这是一种四面体,光束在侧面入射,经过其余三个面的全反射后,沿原路返回。

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图9 后反射直角棱镜

把多达几十个、上百个这样的微小后反射直角棱镜组合在一起,制作成反射镜,有许多实际应用,比如:

在激光测距中把它当作被测目标的反射器,不仅减少能量损失,而且减少了瞄准调整的困难。

在月球上放置后反射直角棱镜,可以在地球上向月球发射激光,通过收到从月球反射回来的激光讯号时间,可以测算月球与地球的距离。通过持续几十年的不间断测量,发现月地距离以每年3.8厘米的速率不断地逐渐增加。

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图10 后反射直角棱镜反射镜

在自行车后面、侧面安装后反射直角棱镜反射镜,可以让晚间行驰的汽车司机看到自行车反光;在高速公路上,这样的反射镜常用来作“无源路灯”,保障路上行车安全。

迷幻的海市蜃楼,也可以利用光的反射、折射及全反射得到解释(具体情况,容以后另文介绍)。

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