Номер 6, страница 278 - гдз по физике 9 класс учебник Грачев, Погожев

Глава 8. Оптика. Параграф 45. Явление полного внутреннего отражения. Вопросы - номер 6, страница 278.

Условие.

6. Как устроен световод? Для каких целей его используют?

Решение.

Как устроен световод?

Световод, также известный как оптическое волокно, — это тонкая и гибкая нить из прозрачного материала (обычно кварцевого стекла или специального пластика), предназначенная для передачи света на большие расстояния. Его работа основана на явлении полного внутреннего отражения.

Конструкция световода включает три основных компонента:
1. Сердцевина (или сердечник) — это центральная часть волокна, по которой непосредственно распространяется световой сигнал. Она изготавливается из материала с высоким показателем преломления $n_1$.
2. Оболочка — слой материала, который окружает сердцевину. Показатель преломления оболочки $n_2$ всегда ниже, чем у сердцевины ($n_1 > n_2$). Эта разница является ключевым условием для удержания света внутри сердцевины.
3. Защитное покрытие — внешний слой (или несколько слоёв) из полимерных материалов, который защищает волокно от механических повреждений, влаги и других внешних воздействий.

Принцип работы заключается в следующем: световой луч вводится в торец сердцевины под таким углом, чтобы при падении на границу раздела "сердцевина-оболочка" его угол падения был больше так называемого предельного угла полного внутреннего отражения. Этот предельный угол $\alpha_{пред}$ определяется соотношением показателей преломления: $\sin(\alpha_{пред}) = \frac{n_2}{n_1}$. Если условие выполнено, свет не преломляется и не выходит в оболочку, а полностью отражается обратно в сердцевину. Этот процесс многократно повторяется, позволяя свету распространяться по всей длине волокна, даже если оно изогнуто.

Ответ: Световод состоит из центральной сердцевины с высоким показателем преломления ($n_1$), окружённой оболочкой с более низким показателем преломления ($n_2$), и защитного покрытия. Его действие основано на явлении полного внутреннего отражения света от границы между сердцевиной и оболочкой, что обеспечивает передачу светового сигнала на большие расстояния с минимальными потерями.

Для каких целей его используют?

Благодаря своим уникальным свойствам — высокой пропускной способности, невосприимчивости к электромагнитным помехам, малому весу, гибкости и надёжности — световоды находят применение во многих областях.

Основные сферы использования:
1. Телекоммуникации и связь: Это основная область применения. Оптоволоконные кабели являются основой современных сетей для передачи данных, включая интернет, телефонную связь и кабельное телевидение. Они позволяют передавать огромные объёмы информации на большие расстояния с высокой скоростью.
2. Медицина: В гибких эндоскопах пучки световодов используются для освещения внутренних органов человека и для передачи изображения обратно врачу. Также световоды применяются для доставки мощного лазерного излучения в лазерной хирургии.
3. Освещение и дизайн: Световоды используются для создания декоративных световых эффектов (например, «звёздное небо» на потолке), для точечной подсветки экспонатов в музеях и для освещения в опасных средах (например, во взрывоопасных зонах), где использование электричества небезопасно.
4. Датчики (сенсоры): На основе оптоволокна создают высокоточные датчики для измерения температуры, давления, вибрации, химического состава веществ. Такие датчики устойчивы к агрессивным средам и электромагнитным помехам.
5. Военная и аэрокосмическая промышленность: В самолётах, кораблях и другой военной технике оптоволокно используется для создания лёгких, надёжных и защищённых от перехвата и помех систем связи и управления.

Ответ: Световоды используют для высокоскоростной передачи данных в телекоммуникациях (интернет, телефония), в медицине (эндоскопы, лазерная хирургия), для декоративного и специализированного освещения, в качестве высокоточных датчиков различных физических величин, а также в военной и аэрокосмической отраслях для создания систем связи.