水流光纖的實驗

熊 鵬 雷云欽

湖北省天門市實驗高級中學(431700)

光纖是光導(dǎo)纖維的簡寫，一般是采用玻璃或塑料制成的纖維，可進行光傳導(dǎo)，其傳輸原理是光的全反射。光纖在生活中的應(yīng)用越來越廣泛：在通信領(lǐng)域，光纖具有更優(yōu)的傳導(dǎo)性能和更大的傳輸信息容量，可以取代傳統(tǒng)的電通信；在醫(yī)學領(lǐng)域，光纖內(nèi)窺鏡可導(dǎo)入人體內(nèi)腔進行各種醫(yī)學指標的測量，用光纖連接的激光手術(shù)刀可進行非接觸式手術(shù)治療，可借助光敏劑治療癌癥；在工業(yè)領(lǐng)域，光纖可把光攜帶的信號送到各個部位，進行各種加工制作；在藝術(shù)應(yīng)用方面，由于其良好的物理特性，光纖照明已越來越多的用于藝術(shù)、裝修、美化等方面。

為了方便、清楚的展示光纖傳輸?shù)脑?，筆者采用生活中較容易得到的材料進行了儀器制作并開展了水流光纖實驗。

1 材料準備

塑料瓶(550 mL的礦泉水瓶)1個，激光指示筆1支、鐵釘1枚、尖嘴鉗1把、普通水盆1個、可上下調(diào)節(jié)的支架1個、水若干。

2 制作過程

采用尖嘴鉗夾住鐵釘在火上加熱后，對準塑料瓶身距離底部35 mm左右高度的燙出一個直徑約10 mm的洞(注意：洞和洞正對著的地方盡可能平整，避開溝槽部位，以防光線發(fā)生散射)。

3 實驗

將激光指示筆用支架固定，放在桌子上。打開開關(guān)，通過上下調(diào)節(jié)支架，讓激光從水平方向射出，并正好通過放置在桌上塑料瓶的洞的中心，用記號記下此時塑料瓶的位置。將水盆放置于塑料瓶所處位置正下方的地面上。

用手指頭堵住塑料瓶的洞口，打開塑料瓶瓶蓋，將塑料瓶裝滿自來水，并蓋上蓋子。

將裝滿水的塑料瓶放置在做記號的位置，轉(zhuǎn)動塑料瓶，讓激光穿過塑料瓶中的水，從塑料瓶洞口對面的位置射入。此時，可以看到堵住塑料瓶洞口的手指頭上有激光照射的亮光，即表明激光正好從洞口射出。

輕輕松開堵住洞口的手指頭，水幾乎不從洞口流出。將手放在離瓶身約30 cm的洞口正前方，發(fā)現(xiàn)手上有一個光斑。說明激光通過洞口沿直線傳輸，射到手上了。光線傳輸示意圖如圖1所示。

圖1 水不流動時激光沿直線傳輸示意圖

用手指頭堵住洞口，用另一只手輕輕擰開塑料瓶蓋后(注意：不要移動塑料瓶)，把手放在離瓶身約30 cm的洞口正前方，把堵住塑料瓶洞口的手指迅速移開，水瞬間流出洞口，發(fā)現(xiàn)手上沒有光斑。將手放在水流的正下方，手上可見明顯的光斑，光線傳輸示意圖如圖2所示。可見，激光沿著水流傳輸，并照射在手上了，并且光斑隨著水流不斷地改變方向而改變照射在手上的位置，直到塑料瓶里的水下降到洞口高度，不再從洞口流出，激光又重新從洞口沿水平直線射出。

圖2 水流出時激光沿水流方向傳輸意圖

4 討論

激光從塑料瓶洞口的對面穿過，通過洞口水平射出，是因為激光垂直通過塑料后在充滿空氣或者水的塑料瓶中傳輸都是遵循光線直線傳輸?shù)囊?guī)律。

水從洞口流出后，水流就形成了類似光纖纖芯的物質(zhì)，空氣類似包層。水的折射率為1.33，空氣的折射率近似為1，水的折射率比空氣的高，激光從水中射向空氣時就可能產(chǎn)生全反射。激光就是這樣在水流中不斷進行全反射，隨著水流改變方向進行傳輸?shù)摹?/p>