水流光纤的实验

熊 鹏 雷云钦

湖北省天门市实验高级中学(431700)

光纤是光导纤维的简写，一般是采用玻璃或塑料制成的纤维，可进行光传导，其传输原理是光的全反射。光纤在生活中的应用越来越广泛：在通信领域，光纤具有更优的传导性能和更大的传输信息容量，可以取代传统的电通信；在医学领域，光纤内窥镜可导入人体内腔进行各种医学指标的测量，用光纤连接的激光手术刀可进行非接触式手术治疗，可借助光敏剂治疗癌症；在工业领域，光纤可把光携带的信号送到各个部位，进行各种加工制作；在艺术应用方面，由于其良好的物理特性，光纤照明已越来越多的用于艺术、装修、美化等方面。

为了方便、清楚的展示光纤传输的原理，笔者采用生活中较容易得到的材料进行了仪器制作并开展了水流光纤实验。

1 材料准备

塑料瓶(550 mL的矿泉水瓶)1个，激光指示笔1支、铁钉1枚、尖嘴钳1把、普通水盆1个、可上下调节的支架1个、水若干。

2 制作过程

采用尖嘴钳夹住铁钉在火上加热后，对准塑料瓶身距离底部35 mm左右高度的烫出一个直径约10 mm的洞(注意：洞和洞正对着的地方尽可能平整，避开沟槽部位，以防光线发生散射)。

3 实验

将激光指示笔用支架固定，放在桌子上。打开开关，通过上下调节支架，让激光从水平方向射出，并正好通过放置在桌上塑料瓶的洞的中心，用记号记下此时塑料瓶的位置。将水盆放置于塑料瓶所处位置正下方的地面上。

用手指头堵住塑料瓶的洞口，打开塑料瓶瓶盖，将塑料瓶装满自来水，并盖上盖子。

将装满水的塑料瓶放置在做记号的位置，转动塑料瓶，让激光穿过塑料瓶中的水，从塑料瓶洞口对面的位置射入。此时，可以看到堵住塑料瓶洞口的手指头上有激光照射的亮光，即表明激光正好从洞口射出。

轻轻松开堵住洞口的手指头，水几乎不从洞口流出。将手放在离瓶身约30 cm的洞口正前方，发现手上有一个光斑。说明激光通过洞口沿直线传输，射到手上了。光线传输示意图如图1所示。

图1 水不流动时激光沿直线传输示意图

用手指头堵住洞口，用另一只手轻轻拧开塑料瓶盖后(注意：不要移动塑料瓶)，把手放在离瓶身约30 cm的洞口正前方，把堵住塑料瓶洞口的手指迅速移开，水瞬间流出洞口，发现手上没有光斑。将手放在水流的正下方，手上可见明显的光斑，光线传输示意图如图2所示。可见，激光沿着水流传输，并照射在手上了，并且光斑随着水流不断地改变方向而改变照射在手上的位置，直到塑料瓶里的水下降到洞口高度，不再从洞口流出，激光又重新从洞口沿水平直线射出。

图2 水流出时激光沿水流方向传输意图

4 讨论

激光从塑料瓶洞口的对面穿过，通过洞口水平射出，是因为激光垂直通过塑料后在充满空气或者水的塑料瓶中传输都是遵循光线直线传输的规律。

水从洞口流出后，水流就形成了类似光纤纤芯的物质，空气类似包层。水的折射率为1.33，空气的折射率近似为1，水的折射率比空气的高，激光从水中射向空气时就可能产生全反射。激光就是这样在水流中不断进行全反射，随着水流改变方向进行传输的。