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简答题

如图所示,OBCD为半圆柱体玻璃的横截面,OD为直径,一束由红光和紫光组成的复色光沿AO方向从真空斜射入玻璃,B、C点为两单色光的射出点(设光线在B、C处未发生全反射).已知从B点射出的单色光由O到B的传播时间为t.求从C点射出的单色光由O到C的传播时间tC

正确答案

如图,做界面OD的法线MN,设圆柱体的直径为d,入射角θ,折射角为θB,θC,连接OB、OC,

由折射定律:nB=,nc=

又:nB=,nC=

=

已知t=

所以tC=

即tC=t

答:从C点射出的单色光由O到C的传播时间tC为t.

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简答题

水的折射率n=,当在水面下h=2m深处放一强点光源时,强点光源时,看到透光水面的最大直径是多大?当此透光水面的直径变大时,光源正在上浮还是正在下沉?

正确答案

如图所示,当光从水中折射进入空气中且折射角等于90°时对应的半径最大,即恰好发生全反射时,透光水面对应的半径最大.

设此时的半径为R,根据折射定律有n==,则得sini=

又由数学知识得sini=

联立上两式并代入数据得 =

解得R=2.27m,直径为D=2R=4.54m.

由于发生全反射时入射角的大小不变,故对应的入射光线的方向与原来的入射光线平行,如图,根据相似三角形知光源S到水面的距离增大,故光源在下沉. 

答:透光水面的最大直径是4.54m.当此透光水面的直径变大时,光源正在下沉.

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简答题

如图为一均匀的柱形透明体,折射率n=2.

①求光从该透明体射向空气时的临界角;

②若光从空气中入射到透明体端面的中心上,试证明不 论入射角为多大,进入透明体的光线均不能从侧面“泄漏出去”.

正确答案

①根据sinC=得,

临界角C=arcsin=300

②证明:∵=n,θ3=900-θ2

∴当θ1=900,θ3=600最小         

∵θ3>C、∴任何光线均不能从侧面“泄漏出去”

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如图所示,冬天,游乐园水池中的水全部结冰,小彩灯被冻结在A点,彩灯亮时,测得水平冰面上发光圆面的直径为d,已知冰的折射率为n,真空中光速为c,求:

(1)光在冰中的传播速度v;

(2)彩灯到冰面的距离h.

正确答案

(1)由n=得:v=

(2)光由冰射向空气发生全反射的临界角为C,则:sinC=

光由冰射向空气时在水平冰面上发光圆面边缘发生了全反射,A点到冰面的距离:h=cotC

 解得:h=d

答:(1)光在冰中的传播速度v是

(2)彩灯到冰面的距离h是d.

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如图所示,直角玻璃三棱镜置于空气中,已知∠A=60°,∠C=90°,一束极细的光于AC的中点D垂直AC面入射,AD=a,棱镜的折射率n=,求:

(1)光从棱镜第一次射入空气时的折射角;

(2)光从进入棱镜到它第一次射入空气所经历的时间(设光在真空中的传播速度为c)。

正确答案

解:(1)如图所示,i1=60°,设玻璃对空气的临界角为C。则

C=45°

i1>45°,发生全反射

i2=30°<C,由折射定律有

所以r=45°

(2)镜中光速

所求时间:

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如图所示,一束截面为圆形(半径R)的平行单色光垂直射向一玻璃半球的平面,经折射后在屏幕P上形成一个圆形亮区。已知玻璃半球的直径为d=0.1米,屏幕p至球心的距离为s=0.4米,不考虑光的干涉和衍射,若玻璃半球对单色光的折射率为n=,求圆形亮区的半径。

正确答案

由几何关系可得最大半径为R=S-nd/2=0.33米

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如图所示,巡查员站立于一空的贮液池边,检查池角处出液口的安全情况。已知池宽为L,照明灯到池底的距离为H。若保持照明光束方向不变,向贮液池中注入某种液体,当液面高为时,池底的光斑距离出液口

(1)试求当液面高为时,池底的光斑到出液口的距离x。

(2)控制出液口缓慢地排出液体,使液面以v0的速率匀速下降,试求池底的光斑移动的速率vx

正确答案

解:

(1)解法一:由几何关系知:

由折射定律得:

代入得:

解法二:由几何关系知:

液面高度变化,折射角不变,由得:

解得:

(2)

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如右图所示.一束截面为圆形(半径R)的平行复色光垂直射向一玻璃半球的面.经折射后在屏幕s上形成一个圆形彩色亮区.已知玻璃半球的半径为R.屏幕s至球心的距离为D(D>3R).不考虑光的干涉和衍射,试问:

①在屏幕S上形成的网形亮区的最外侧足什么颜色?

②若玻璃半球对①中色光的折射率为n.请你求出圆形亮区的最大半径。

正确答案

①紫光②

试题分析:①复色光与半球形玻璃面的下表面相垂直,方向不变,但是在上面的圆弧面会发生偏折,紫光的折射率最大,偏折能力最强,所以紫光偏折的最多,因此最外侧是紫色。

②如下图所示.紫光刚要发生全反射时的临界光线射在屏幕S上的点D到亮区中心E的距离r就是所求最大半径.

设紫光临界角为C.由全反射的知识:   (2分)

所以

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半径为R的玻璃半圆柱体,横截面如图所示,圆心为O。两条平行单色红光沿截面射向圆柱面,方向与底面垂直,光线1的入射点A为半圆柱的顶点,光线2的入射点为B,∠AOB=60°。已知该玻璃对红光的折射率n=

(1)求两条光线经柱面和底面折射后的交点与O点的距离d;

(2)若入射的是单色蓝光,则距离d将比上面求得的结果大还是小?

正确答案

解:(1)光路如图所示,可知i=60°

由折射率,可得r=30°

由几何关系及折射定律公式,得i'=30°,r'=60°

所以

在△OCD中可得

(2)由于单色蓝光比单色红光波长小、折射率n大,所以光线2向OD偏折更明显,d将减小

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如图所示,是一种折射率n=1.5的棱镜,用于某种光学仪器中,现有一束光线沿MN方向射到棱镜的AB面上,入射角的大小满足sinθ1=0.75,求:

(1)光在棱镜中传播的速率;

(2)画出此束光线射出棱镜后的方向,要求写出简要的分析过程。(不考虑返回到AB和BC面上的光线)

正确答案

解:(1)光在棱镜中传播的速率v==2×108 m/s

(2)由折射定律率=n

得AB面上的折射角r=30°

由几何关系得,BC面上的入射角θ=45°

全反射临界角C=arcsin<45°,光在BC面上发生全反射,光路如图所示

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