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1、第六单元第六单元 光现象及应用光现象及应用第二章第二章 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第一章第一章 光的全反射光的全反射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一、光的全反射现象一、光的全反射现象 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；一、光的全反射现象一、光的全反射现象 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
2、渐增强，如图6-3（b）；）；一、光的全反射现象一、光的全反射现象 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界临界角角。一、光的全反射现象一、光的全反射现象如果入射角大于临界角，就会发生全反射现如果入射角大于临界角，就会发生全反射现象。象。从光密介质射向光疏介质的光，当入射角大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。于临界角时，就会出现全反射。例如，海市蜃楼
3、的出现，就是光在密度分布例如，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。不均匀的空气中发生全反射而形成的。一、光的全反射现象一、光的全反射现象 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
4、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。二、光导纤维二、光导纤维 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)。二、光导纤维二、光导纤维 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)。二
5、、光导纤维二、光导纤维 如如果果把把光光导导纤纤维维聚聚集集成成束束，使使其其两两端端纤纤维维排排列列的的相相对对位位置置相相同同，具具有有亮亮暗暗色色彩彩的的图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)。二、光导纤维二、光导纤维 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。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
6、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)。二、光导纤维二、光导纤维 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。二、光导纤维二、光导纤维 与与普普通通通通信信电电缆缆相相比比，光光缆缆具具有有信信息息容容量量大大、质质量量轻轻、占占有有空空间间小小、耦耦合合损损耗耗底底、串串话话少少、抗抗电电磁磁干干扰扰性性能能好好、泄泄漏漏小小、保保密密性性极极强强、价价格格低低、加加工工方方便便
7、且且节节约约金金属属材材料料、利利于于资资源源合合理理使使用用等等优优点点。因因此此，光光纤纤通通信信取取代代电电缆缆和和微微波波通通信信是是当当今今通通信信技技术术的的发发展展趋趋势势。英英国国自自1984年年起起就就不不再再铺设金属通信电缆了。铺设金属通信电缆了。第二章第二章 激光的特性及应用激光的特性及应用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一、激光的特性一、激光的特性1.1.方向性好方向性好1962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但激光在但激
8、光在月球表面的光斑不到月球表面的光斑不到2km。若以聚光效果很。若以聚光效果很好，看似平行的探照灯光柱射向月球，其光好，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，光束的发散度极小，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。接近平行，方向性极好。一、激光的特性一、激光的特性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
9、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，其光的波长宽例如输出红光的氦氖激光器，其光的波长宽度可以窄到度可以窄到3.3310-9m，因此颜色极纯。，因此颜色极纯。二、激光的应用二、激光的应用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。二、激光的应用二、激光的应用 （2）激光存储。激光可以增大）激光存储。激光可以增大DVD，CD等计算等计算机光盘信息的密度；可以储存和阅读大
10、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，从而使核聚变在人为控制下进行。二、激光的应用二、激光的应用2.2
11、.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。二、激光的应用二、激光的应用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
12、还可应用于美容中。激光还可应用于美容中。二、激光的应用二、激光的应用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。二、激光的应用二、激光的应用3
13、.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中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，确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能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上的方法是等价的，并测出功与热量在数量上的对应关系。的对应关系。一、热力学第一定律一、热力学第一定律4.4.热力学第一定律热力学第一定律 既然做功和
14、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表示外表示外界对物体所做的功，则界对物体所做的功，则一、热力学第一定律一、热力学第一定律 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
15、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为负为负或或W为负。不论为负。不论Q和和W是正还是负，其变化量是正还是负，其变化量总是等于二者之和。总是等于二者之和。一、热力学第一定律一、热力学第一定律 【例例题题3-1】西西藏藏旅旅游游景景区区门门口口会会供供应应袋袋装装氧氧气气，这这些些氧氧气气是是从从高高压压氧氧气气罐罐中中分分装装的的。如如果果分分装装时时氧氧气气体体
16、积积膨膨胀胀做做功功30J，同同时时从从周周围围空空气气中中吸吸收收热热量量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?二、能量守恒定律二、能量守恒定律1.1.能量及相互转化能量及相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。二、能量守恒定律二、能量守恒定律 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
17、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。二、能量守恒定律二、能量守恒定律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个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，在转化或转移的过物体转移到另一个物体，在转化或转移的
18、过程中，能量的总量保持不变，这就是程中，能量的总量保持不变，这就是能量守能量守恒定律恒定律。二、能量守恒定律二、能量守恒定律 能能量量守守恒恒定定律律是是自自然然界界中中最最基基本本、最最普普遍遍的的规规律律之之一一。例例如如，机机械械能能守守恒恒定定律律是是动动能能与与势势能能发发生生转转化化时时的的能能量量守守恒恒；热热力力学学第第一一定定律律是是热热力力学学能能与与其其他他能能量量发发生生转转化化时时的的能量守恒。能量守恒。因因为为不不同同的的能能量量与与不不同同的的运运动动相相对对应应，因因此此能能量量守守恒恒定定律律把把自自然然界界各各种种物物质质运运动动有有机地联系在一起了。机地联系在一起了。二、能量守恒定律二、能量守恒定律 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。