Ответьте на вопросы, страница 102 - 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 происходит, когда свет переходит из среды с более высоким показателем преломления в среду с более низким показателем преломления. Оптическое волокно как раз и представляет собой такую структуру: оно состоит из центральной части (сердцевины) с показателем преломления $n_1$ и окружающей ее оболочки с показателем преломления $n_2$, причем $n_1 > n_2$. Когда световой луч, распространяющийся внутри сердцевины, падает на границу с оболочкой под углом $\alpha$, который больше определенного критического (предельного) угла $\alpha_{пр}$, он не преломляется и не выходит в оболочку, а полностью отражается обратно в сердцевину. Критический угол определяется соотношением: $\sin \alpha_{пр} = \frac{n_2}{n_1}$. Благодаря многократным полным внутренним отражениям, световой сигнал может распространяться по волокну на большие расстояния с очень малыми потерями.

Ответ: Принцип действия оптического волокна основан на явлении полного внутреннего отражения света на границе между сердцевиной и оболочкой волокна.

2. Из каких материалов его изготавливают?

Основным материалом для производства современных оптических волокон является кварцевое стекло (химическая формула — $SiO_2$) очень высокой чистоты. Чтобы создать необходимую разницу показателей преломления между сердцевиной и оболочкой, в чистое кварцевое стекло вводят легирующие добавки. Для увеличения показателя преломления сердцевины обычно используют оксид германия ($GeO_2$). Для уменьшения показателя преломления оболочки стекло легируют, например, фтором (F) или оксидом бора ($B_2O_3$). Кроме волокон на основе стекла, существуют и полимерные (пластиковые) оптические волокна. Они более гибкие, дешевые и устойчивые к ударам, но имеют значительно большее затухание сигнала, поэтому их используют для передачи данных на короткие расстояния.

Ответ: Оптическое волокно изготавливают из высокочистого кварцевого стекла с легирующими добавками для сердцевины и оболочки, а также из полимерных материалов (пластика).

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

Сильные загибы оптического волокна приводят к нарушению условия полного внутреннего отражения, что является основой его работы. В прямом волокне лучи света падают на границу «сердцевина-оболочка» под достаточно большими углами (больше критического). При изгибе волокна геометрия отражения меняется. На внешней кривой изгиба угол падения луча на границу раздела сред уменьшается. Если изгиб слишком сильный (т.е. радиус изгиба очень мал), этот угол падения $\alpha$ может стать меньше критического угла $\alpha_{пр}$. Когда условие $\alpha > \alpha_{пр}$ не выполняется, полное внутреннее отражение прекращается, и часть света преломляется, выходя из сердцевины в оболочку, где он рассеивается и теряется. Это явление называется макроизгибными потерями. Такие потери ослабляют оптический сигнал, что может привести к ошибкам при передаче данных или к полной потере связи. Минимально допустимый радиус изгиба (в данном случае 2,5 см) — это техническая характеристика, которая гарантирует, что потери на изгибе не превысят допустимого значения. Кроме того, чрезмерный изгиб создает в стеклянном волокне механическое напряжение, которое со временем может привести к появлению микротрещин и его разрушению.

Ответ: При сильном загибе волокна нарушается условие полного внутреннего отражения, из-за чего часть светового сигнала выходит за пределы сердцевины, что приводит к значительным потерям мощности сигнала и ухудшению связи.