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简答题

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

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简答题

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)

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简答题

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==

答:光通过玻璃砖的时间是

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简答题

如图所示,一束光线通过透明容器平行于液面射向液体内部的平面镜上,已知这种透明液体的折射率为,试求:

(1)光由这种液体射入空气时的临界角是多大?

(2)平面镜可以绕过0点且垂直于纸面的轴转动,为使光线能够从液体表面射出,平面镜与入射光的夹角α应满足什么条件?

正确答案

(1)由临界角公式sinC==

∴C=45°         

(2)光线经平面镜向右上方以临界角射向液面刚好发生全反射,如图(1)所示,有

    2θ=90°+C=135°      

∴α1=90°-θ=90°-=22.5°   

当α=22.5°时光线射向液面时,刚好发生全反射,而当α>22.5°时,线经平面镜反射再射向液面时,才能从反射点的右上方射出,所以必须满足α>22.5°.

同理,光线经平面镜向左上方以临界角射向液面,刚好发生全反射,如图(2)所示,有

2θ'=90°-C=45°    

∴α2=90°-θ'=67.5°      

若α<67.5°时,光线能从反射点的左上方射出.

综合上述两种情况的结果,若使光线能从液体表面射出,应满足α>22.5°或α<67.5°.

答:

(1)光由这种液体射入空气时的临界角是45°.

(2)要使光线能从液体表面射出,应满足α>22.5°或α<67.5°.

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简答题

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=

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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