水中的激光

下面三张图片是我们将通过这个实验看到的现象。第一幅图展示了人们熟悉的光的直线传播。光在水的表面和底部来回反射的现象也包括一个广泛使用的原理，全反射。第二个例子表明光有时不直射。虽然我的高中物理老师经常强调，如果光不是直线行走，厕所就不能停留，但是这个实验并不意味着厕所从现在开始会变得危险。第三幅彩色图片展示了激光流水，每一颗珠子都闪闪发光。2实验材料0这三个实验所需的材料相对简单。前两个实验需要一个小的透明矩形水箱。下图是我自己用有机玻璃板做的。如果太麻烦，你也可以找一个更深的玻璃饭盒。○第三个实验需要一个瓶子。在瓶底附近钻一个小洞。激光笔。现在这东西变得非常便宜。我上小学的时候，半导体激光笔突然成了孩子们的时尚奢侈品。当时，我们不知道这种能发出强烈单向单色光的东西的名字。公众不知道它叫什么。我还记得，一些专家在报纸和杂志上写道，这种东西被称为激光笔，如果射到人的眼睛里，会导致失明。时代在发展，社会在进步。甚至可以点燃香烟的激光笔现在也可以在网上买到。水。对于自来水，你可以用你的指尖接触一点奶粉并融化它来增加光的散射。纯水不容易观察实验现象。单晶冰糖。第二个实验。第一个实验:用自来水装满小水箱。侧向发射激光。您可以在图1中看到实验现象。如果你在一个黑暗的房间里，你会看到一条美丽的光路。第二个实验:用自来水装满小水箱。将冰糖均匀地涂在小水箱的底部(我做的水箱只有一厘米宽，所以冰糖被保存了下来)。不要搅拌它。等待几个小时，直到大部分冰糖融化，然后从侧面水平注入激光。您可以在图2中看到实验现象。同样在黑暗的房间里，一个人可以看到一个惊人的景象，就像光线在弯曲的时间和空间中行进。第三个实验:把瓶子装满水。当水从小洞流出时，激光对准小洞，可以看到光随着水流动。实验原理4.1在第一个实验中，我们注意到光在水中来回反射几次。如果你把一张薄薄的白纸放在小水箱上，你就看不到任何激光点。这表明没有激光能穿透水面，所有的激光都会被反射。这时，看似透明的水面成了最完美的镜子。这种现象被称为全反射。这是一种光从具有相对较大折射率的物质(这里是水)到具有相对较小折射率的物质(这里是空气)发生的现象(参见下面的示意图，蓝色区域代表水，空白区域代表空气)。目前的光纤之所以能够长距离传输信号(甚至跨越海洋)，是因为光在光纤中通过全反射传播，光信号强度的损失非常小。当然，您可能还会注意到，图1中的光强确实随着光的传播而减弱。这与“强度损失很小”相矛盾吗？没有矛盾。因为尽管在反射过程中没有光损失，光在传播过程中被水中的微小粒子散射，导致光强度的损失。光在光纤中的传播也会与光纤玻璃中的杂质一起散射，使得光强随着传播距离而衰减。事实上，前年获得诺贝尔物理学奖的高锟先生的主要工作就是从理论和实验上研究如何降低光纤的衰减。在他工作之前，当时光纤中的光非常微弱，光强度为每米20%。它根本不能用于远距离传输。它只能用于胃镜等(给姚做胃镜可能不太理想)。当时(20世纪60年代)，许多人不喜欢这种通信技术。正是高锟先生的研究工作使光纤变得实用，并打开了光通信时代的大门。4.2第二个实验中的冰糖在水中融化后，不能均匀分布在水中，但底部附近的浓度较高，随着浓度的上升，浓度越来越低。糖含量越高，水的折射率越高。光从折射率小的物质进入折射率大的物质时会弯曲。如果折射率连续变化，那么光将呈现完美的弧形。折光图当更深的水具有更大的折射率时，光将显示向下弯曲的弧形。通过测量这个弧的斜率，我们也可以计算出每个地方的折射率。利用折射率和糖浓度之间的一些已知关系，我们还可以计算糖浓度随高度的变化，并可以用热力学中的玻尔兹曼分布作为拟合来计算溶解在水中的糖分子的质量。当然，这是为喜欢学习的朋友保留的。4.3第三次实验欧洲物理学家在19世纪注意到光会“被困”在水流中。他们利用这种现象在晚上装饰喷泉。现在我们知道这是现代光纤的鼻祖。正是因为光在水流和空气的交界处被全反射，所以光可以随水流流动。你可能会注意到，当小孔的出口速度相对较慢时，光线不能随着水流移动。喜欢研究的朋友也许能够计算出这种现象发生的速度，并将其与实际观察到的现象进行比较。物理科学最大的乐趣是准确描述或预测实验现象。当爱因斯坦的广义相对论的预测被英国天文学家的观察准确地证实时，爱因斯坦写信给一个朋友，说我这些天很开心，不知道该做什么。