- 光的折射:折射率
- 共2037题
麦克斯韦在1865年发表的《电磁场的动力学理论》一文中揭示了电、磁现象与光的内在联系及统一性,即光是电磁波。
(1)一单色光波在折射率为1.5的介质中传播,某时刻电场横波图象如图甲所示,求该光波的频率。
(2)图乙表示两面平行玻璃砖的截面图,一束平行于CD边的单色光入射到AC界面上,a、b是其中的两条平行光线。光线a在玻璃砖中的光路已给出。画出光线b从玻璃砖中首次出射的光路图,并标出出射光线与界面法线夹角的度数。
正确答案
解:(1)设光在介质中的传播速度为v,波长为λ,频率为f,则
①
②
联立①②式得
从波形图上读出波长λ=4×10-7 m,代入数据解得f=5×1014 Hz
(2)光路如图所示
一棱镜的截面为直角三角形ABC,∠A=30°,斜边AB=a,棱镜材料的折射率为n=。在此截面所在的平面内,一条光线以45°的入射角从AC边的中点M射入棱镜。画出光路图,并求光线从棱镜射出的点的位置(不考虑光线沿原路返回的情况)。
正确答案
解:设入射角为i,折射角为r,由折射定律得 ①
由已知条件及①式得r=30° ②
如果入射光线在法线的右侧,光路图如图所示
设出射点为F,由几何关系可得 ③
即出射点在AB边上离A点的位置
如果入射光线在法线的左侧,光路图如图所示
设折射光线与AB的交点为D,由几何关系可知,在D点的入射角θ=60° ④
设全反射的临界角为θc,则 ⑤
则θc=45° ⑥
因此,光在D点发生全反射
设此光线的出射点为E,由几何关系得∠DEB =90°
BD=a-2AF ⑦
BE=DBsin30° ⑧
联立③⑦⑧式得 ⑨
即出射点在BC边上离B点的位置
如图所示为用某种透明材料制成的一块柱形棱镜的截面图,圆弧CD是半径为R的四分之一圆周,圆心为O,光线从AB面上的某点入射,入射角i=45°,光进入棱镜后恰好在BC面上的O点发生全反射,后由CD面射出.
①画出光线由AB面进入棱镜且从CD弧面射出的光路图;
②求该棱镜的折射率n.
正确答案
①光路图如图所示.
②光线在BC面上恰好发生全反射,入射角等于临界角C,
sinC=
在AB界面上发生折射,折射角γ=90°-C
由折射定律=n
解得n=.
答:①光路图如图所示.
②棱镜的折射率.
雨过天晴,人们常看到天空中出现彩虹,它是由阳光照射到空中弥漫的水珠上时出现的现象.在说明这个现象时,需要分析光线射入水珠后的光路.一细束光线射入水珠,水珠可视为一个半径为R的球,球心O到入射光线的垂直距离为d,水的折射率为n.
(1)在图上画出该束光线射入水珠内经一次反射后又从水珠中射出的光路图
(2)求这束光线从射向水珠到射出水珠每一次偏转的角度.
正确答案
(1)光路如图(a)所示.
(2)以i、r表示入射光线的入射角、折射角,由折射定律有
sini=nsinr,
以δ1、δ2、δ3表示每一次偏转的角度,如图(b)所示,由反射定律、折射定律和几何关系可知
sini=,
δ1=i-r,δ2=π-2r,δ3=i-r.
由以上各式解得:
故这束光线从射向水珠到射出水珠每一次偏转的角度为:
δ1= (sin-1 )-(sin-1
)
δ2=π-2sin-1
δ3=(sin-1) -(sin-1
)
如图所示,折射率为的两面平行的玻璃砖,下表面涂有反射物质,右端垂直地放置一标尺MN.一细束光以45°角度入射到玻璃砖的上表面,会在标尺上的两个位置出现光点,若两光点之间的距离为a(图中未画出),则光通过玻璃砖的时间是多少?(设光在真空中的速度为c)
正确答案
如图由光的折射定律有:
n=
得:sinr==
=
,得r=30°
根据几何知识可知在玻璃砖内的光线与玻璃砖的上面构成等边三角形,其边长等于a,
光在玻璃砖的速度为:v==
则光通过玻璃砖的时间是 t玻==
答:光通过玻璃砖的时间是.
有一玻璃球冠,右侧面镀银,光源S在其对称轴上,光源S发出的一束光射到球面上,其中一部分光经球面反射后恰能竖直向上传播,另一部分光射入玻璃球冠内,经右侧镀银面第一反射恰能沿原路返回,若球面半经为R,玻璃折射率为,求光源S与球冠顶点M之间的距离SM为多大?
正确答案
如图所示,半圆玻璃砖的半径R=10cm,折射率为n=,直径AB与屏幕垂直并接触于A点。激光a以入射角i=30°射向半圆玻璃砖的圆心O,结果在水平屏幕MN上出现两个光斑。求:
(1)两个光斑之间的距离L;
(2)使透射光消失,入射角应的范围?(若sinθ=b,可表示为θ=arcsinb)
正确答案
解:(1)画出如图光路图,设折射角为r
根据折射定律
解得
由几何知识得,ΔOPQ为直角三角形,所以两个光斑PQ之间的距离:
解得
(2)i∈[arcsin,π/2]
如图所示为玻璃制成的圆柱体,它的折射率为。一细光线垂直圆柱体的轴线以θ=60°的入射角射入圆柱体。
(1)作出光线穿过圆柱体并射出的光路图;
(2)求出该光线从圆柱体中射出时,出射光线偏离原方向多大的角度?
正确答案
解:(1)
(2)由折射定律得:sinγ1=sinθ/n=1/2,γ1=30°
γ1=γ2=30°,γ3=θ-γ1=30°
在出射处sini=nsinγ2=/2,i=60°
γ4=i-γ3=30°
所以:α=γ3+γ4=60°,即出射光线偏离原方向60°
如图所示,ABCD是一个用折射率n=2.4的透明媒质做成的四棱柱镜(图为其横截面),∠A=∠C=90°,∠B=60°,AB>BC。现有平行光线垂直入射到棱镜的AB面上(如图所示),若每个面上的反射都不能忽略,求出射光线。要求:
(1)画出所有典型光线从入射到射出的光路图。(为了图面简洁,表示光线进行方向的箭头只在棱镜外面的光线上标出即可)
(2)简要说明所画光路的根据,并说明每条典型光线只可能从棱镜表面的哪部分射出。
正确答案
(1)
(2)“略”
一棱镜的截面为直角三角形ABC,∠A=30°,斜边AB=a.棱镜材料的折射率为n=.在此截面所在的平面内,一条光线以45°的入射角从AC边的中点M射入棱镜.画出光路图,并求光线从棱镜射出的点的位置(不考虑光线沿原路返回的情况.)
正确答案
设入射角为i,折射角为r,由折射定律得:=n①
由已知条件i=45°,n=解得 r=30°②
(1)如果入射光线在法线的右侧,根据几何知识得知,光线与AB垂直,光路图如图所示.设出射点F,由几何关系可得
AF=a③
即出射点在AB边上离A点a的位置.
(2)如果入射光线在法线的左侧,光路图如图所示.设折射光线与AB的交点为D.
由几何关系可知,在D点的入射角
θ=60°④
设全反射的临界角为C,则
sinC=⑤
由⑤和已知条件得
C=45°⑥
因此,光在D点全反射.
设此光线的出射点为E,由几何关系得∠DEB=90°
BD=a-2AF⑦
BE=DBsin30°⑧
联立③⑦⑧式得
BE=a
即出射点在BC边上离B点a的位置.
答:如果入射光线在法线的右侧,出射点在AB边上离A点a的位置.如果入射光线在法线的左侧,出射点在BC边上离B点
a的位置.光路图如图所示.
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