Ответьте на вопросы, страница 140 - гдз по физике 11 класс учебник Закирова, Аширов

Ответьте на вопросы

1. На каком явлении основан принцип действия оптического волокна?

2. Из каких материалов его изготавливают?

3. Почему при прокладке оптического волокна нельзя допускать сильные загибы (радиус загиба не должен быть меньше 2,5 см)?

1. На каком явлении основан принцип действия оптического волокна?

Принцип действия оптического волокна основан на физическом явлении полного внутреннего отражения света.

Это явление возникает на границе двух прозрачных сред с разными показателями преломления. Оптическое волокно как раз и состоит из таких сред: центральной части — сердцевины, и окружающей ее оболочки. Показатель преломления сердцевины ($n_1$) специально делают немного выше, чем показатель преломления оболочки ($n_2$).

Когда световой луч, идущий внутри более плотной оптической среды (сердцевины), падает на границу с менее плотной средой (оболочкой) под углом, превышающим определённое значение, называемое критическим углом ($\alpha_{кр}$), луч не преломляется и не выходит в оболочку, а полностью отражается обратно в сердцевину. Критический угол зависит от показателей преломления сред и определяется по формуле:

$ \sin(\alpha_{кр}) = \frac{n_2}{n_1} $

За счёт многократных полных внутренних отражений световой сигнал распространяется вдоль волокна на многие километры с минимальными потерями, повторяя его изгибы.

Ответ: Принцип действия оптического волокна основан на явлении полного внутреннего отражения света на границе сердцевины и оболочки.

2. Из каких материалов его изготавливают?

Материалы для изготовления оптического волокна выбирают в зависимости от его назначения и требуемых характеристик.

Основным материалом для волокон, используемых в магистральных сетях связи, является кварцевое стекло (SiO₂) высочайшей степени очистки. Чтобы создать необходимую разницу показателей преломления, в стекло вводят легирующие добавки. Например, сердцевину легируют оксидом германия (GeO₂), чтобы повысить показатель преломления, а оболочку оставляют из чистого кварца или легируют фтором (F) или оксидом бора (B₂O₃), чтобы его понизить.

Также существуют пластиковые оптические волокна (POF - Plastic Optical Fiber). В них и сердцевина, и оболочка сделаны из полимерных материалов, например, из полиметилметакрилата (ПММА). Пластиковые волокна дешевле, более гибкие и устойчивые к ударам, но имеют гораздо большее затухание сигнала. Поэтому их используют на коротких дистанциях (до нескольких десятков метров), например, в автомобильной промышленности, в домашней аудиоаппаратуре или для декоративной подсветки.

Ответ: Оптические волокна изготавливают в основном из сверхчистого кварцевого стекла, легированного различными добавками для управления показателем преломления, а также из полимерных материалов (пластика) для применения на коротких дистанциях.

3. Почему при прокладке оптического волокна нельзя допускать сильные загибы (радиус загиба не должен быть меньше 2,5 см)?

Недопустимость сильных загибов оптического волокна напрямую связана с принципом его работы — полным внутренним отражением.

Когда волокно прямое или плавно изогнуто, лучи света внутри сердцевины падают на границу с оболочкой под достаточно большими углами (больше критического), что обеспечивает их полное отражение.

Однако при сильном изгибе волокна кривизна его стенок увеличивается. В результате на внешней стороне изгиба угол падения светового луча на границу "сердцевина-оболочка" уменьшается. Если радиус изгиба становится слишком маленьким (меньше допустимого значения, как указанные 2,5 см), угол падения $\alpha$ может стать меньше критического угла $\alpha_{кр}$.

Когда $\alpha < \alpha_{кр}$, условие полного внутреннего отражения нарушается. Часть света перестает отражаться и преломляется, выходя из сердцевины в оболочку, где он поглощается или рассеивается. Это явление называется макроизгибными потерями. Такие потери приводят к значительному ослаблению (затуханию) оптического сигнала, что снижает дальность передачи, ухудшает качество связи или может привести к её полной потере.

Ответ: При сильных загибах нарушается условие полного внутреннего отражения, из-за чего часть светового сигнала выходит из сердцевины в оболочку и теряется, что приводит к ослаблению сигнала и ухудшению качества связи.