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[ 光学 ] DIY实验课堂:水中的激光

2011-10-12 20:29| 发布者: DIYERS | 查看: 11844 |原作者: csuewang |来自: 果壳网

  DIY实验课堂:水中的激光


  1 实验现象:


  下面三张图就是通过这个实验我们将看到的现象。

  

DIY实验课堂:水中的激光

  第一张展示了我们熟悉的光的直线传播。而光线在水表面和底面来回反射的现象则还包含了一个应用广泛的原理,全反射。

  

DIY实验课堂:水中的激光

  第二张则展示了光有时候也不走直线。虽然我中学的物理老师常常强调光如果不走直线,厕所里就不能呆了,但是这个实验并不代表厕所从此变得危险。

  

DIY实验课堂:水中的激光

  第三张流光溢彩的图展示了水流带着激光流动,每一颗水珠都在闪闪发亮。


  2 实验材料

  

DIY实验课堂:水中的激光

  ○ 做这三个实验所需材料比较简单。前两个实验需要一个透明的长方形的小水缸。下图这个是我自己用有机玻璃板做的。嫌麻烦的话也可以找一个比较深一点玻璃饭盒。

  

DIY实验课堂:水中的激光

  ○ 第三个实验需要一个瓶子,自己在瓶子靠近底部的地方钻一个小孔。

  

DIY实验课堂:水中的激光

  ○ 一支激光笔。如今这个东西变得很便宜了。我念小学的时候半导体激光笔忽然成为小朋友们的时尚奢侈品。那个时候我们还不知道这个能发出强烈单向单色光线的东西叫什么。社会大众也不知道它叫什么。还记得有专家在报刊上发文指出这个东西叫激光笔,射到人眼里会致盲的。时代在发展,社会在进步。如今连能点着烟的激光笔都可以在网上买到了。

  ○ 水。需要自来水,可以用指尖稍微沾一点点奶粉融在里面增加光的散射。纯净水不容易观察到实验现象。

  ○ 单晶冰糖。做第二个实验要用的。


  3 实验步骤:


  第一个实验:将小水缸装满自来水。把激光从侧面斜着射入。即可看到图一中的实验现象了。如果在一间比较暗的房间里,会看到漂亮的光路。

  第二个实验:将小水缸装满自来水。把单晶冰糖均匀地铺在小水缸底(我做的水缸只有一厘米宽,所以节省冰糖)。不要搅动它。等几个小时等到大部分的冰糖都融化了,再把激光从侧面水平射入。即可看到图二中的实验现象了。同样在暗房间里,可以看到令人惊叹的景象,仿佛光线在弯曲的时空中的轨迹。

  第三个实验:将瓶子装满水。当水从小孔中流出时,把激光射向小孔,就可以看到光随着水流淌了。


  4 实验原理


  4.1 第一个实验

  我们注意到光线在水里面来回反射了好几次。如果你把一张薄薄的白纸放在小水缸顶上,并不能看到任何激光的光斑。这表明,没有任何激光能透过水的表面,它们全部都被反射了。这个时候,看似透明的水面变成了一面最完美的镜子。

  

DIY实验课堂:水中的激光

  这个现象叫做全反射。是光从折射率比较大的物质(此处是水)到折射率比较小的物质(此处是空气)发生的一种现象(见下面的示意图,蓝色区域代表水,空白区域代表空气)。现在的光纤之所以可以长距离输送信号(甚至跨海跨洋),就是因为光在光纤中是通过全反射传播的,光信号强度损失得非常小。当然,你也可能注意到,图一中光线强度随着光的传播确实是减弱了,这与“强度损失的非常小”相矛盾吗?不相矛盾。因为虽然反射的过程中没有光线损失,在传播的过程中,光线被水中的微小颗粒散射,从而导致光强的损失。光在光纤中的传播也会与光纤玻璃中的杂质散射,使光强随传播距离衰减。实际上,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了如何减少光纤的衰减。在他的工作之前,光在当时的光纤中衰减的非常厉害,每传一米光强就会打个八折。 根本无法用于远距离传输,只能用来做胃镜之类的(给姚明做胃镜可能效果都不理想)。当时(上世纪60年代)很多人都不看好这种通讯技术。正是高锟先生的研究工作使光纤变得实用,而开启了光通信时代的大门。


  4.2 第二个实验

  冰糖在水中融化以后,并不能均匀分布在水中,而是靠近水底的地方浓度大,越往上浓度越低。而含糖越高的水折射率越大。光从折射率小的物质进入折射率大的物质时会弯折。而如果这种折射率是连续变化的,那么光线就会呈现出一道完美的弧线。

  

DIY实验课堂:水中的激光

  折射示意图

  

DIY实验课堂:水中的激光

  当越深的水有越大的折射率时,光线就会呈现一道向下弯曲的弧线

  通过测量这道弧线的各处的斜率,我们还能推算出各处的折射率。用一些已知的折射率与糖浓度的关系,我们还能求出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拟合,求出溶解在水中的糖分子团的质量。当然,这就留给喜欢钻研的朋友了。


  4.3 第三个实验

  欧洲的物理学家在19世纪就注意到光线会被“束缚”在水流中。他们用这个现象来装饰夜晚的喷泉。现在我们知道了,这就是现代光纤的鼻祖。正是由于光在水流和空气的边界上发生了全反射,光线才能随着水流流动。你可能会注意到,小孔出水速度比较慢的时候,光线就不能随着水流动了。喜欢钻研的朋友或许还能算出这种情况发生在多大的水流速度,并与实际观察到的现象比较。物理科学的最大乐趣莫过于能精确描述或预言一种实验现象了。当年爱因斯坦的广义相对论的某一个预言被英国天文学家的观察精确验证之后,爱因斯坦写信给朋友说,这几天我高兴的都不知道该怎么办才好了。

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