- 光的折射
- 共2353题
如图所示,一个用透明材料制成的截面为直角三角形的三棱ABC,现在有一束单色光从空气中以θ1=45°的入射角自直角边 AB射入,折射时的偏向角为15°,然后光线射到AC面时刚好发生了全反射.求:
(1)材料的折射率.
(2)全反射的临界角.
(3)图中的∠A.
正确答案
(1)光线以θ1=45°的入射角自直角边 AB射入,折射时的偏向角为15°,所以折射角为30°.
由折射定律可得:n==
=
即材料的折射率为
(2)由恰好发生全反射得:sinC=,
由于折射率为
则有:C=45°
(3)而光线射到AC面时刚好发生了全反射,则光线发生全反射时,入射角为45°,所以入射光线与直线AC的夹角也为45°,由于进入玻璃里的折射光线与直线AB的夹角为60°,由三角形知识可得:
∠CAB=60°-45°=15°
答:(1)材料的折射率为.
(2)全反射的临界角45°.
(3)图中的∠A=15°.
如图所示,截面为直角三角形的玻璃棱镜置于真空中,已知∠A=60°,∠C=90°;一束极细的光于AC边的中点F处垂直AC面入射,AC=2cm,玻璃的折射率为n=
,光在真空的速度为c=3.0×108m/s 求:
(1)光从玻璃射向真空时,发生全反射时的临界角.
(2)借助作图工具画出光在玻璃中传播的光路示意图,并标出光从棱镜射入真空时的折射角(不考虑光线在AC面反射和在AB面上第二次反射情况);
(3)从BC面射出的光在棱镜中传播的时间.
正确答案
(1)由SinC=得:C=45°
即光从玻璃射向真空时,发生全反射时的临界角C=45°.
(2)光在AB面入射角为60°,发生全反射;在BC面入射角为30°,同时发生反射和折射,画出光路图,如图
标出光从棱镜射入空气时的折射角分别为45°
(3)光在玻璃中的速度为:v=
由数学知识得:=2
cm,
=3
cm
光线由O点到E点所需的时间t为:t==
=3.3×10-10s
即从BC面射出的光在棱镜中传播的时间为3.3×10-10s.
如图所示,透明介质球的半径为R,光线DC平行于直径AB射到介质球的C点,DC与AB的距离H=0.8R.
(1)试证明:DC光线进入介质球后,第一次再到达介质球的界面时,在界面上不会发生反射(要求说明理由);
(2)若DC光线进入介质球后,第二次再到介质球的界面时,从球内折射出的光线与入射光线DC平行,求介质球的折射率.
正确答案
(1)如图DC光线进入介质球内,发生折射=n,折射角r一定小于介质的临界角,光线CE再到达球面时的入射角∠OEC=r,一定小于临界角,因此一定不发生全反射.得证.
(2)如图由几何知识得 sini==0.8,则得cosi=0.6
光在球内发生反射,根据对称性作出光路图如右图所示,
由几何关系得:i=2r,由数学知识得:sinr=sin=
=
故折射率n==
=1.79
答:(1)证明略
(2)介质球的折射率为1.79.
如图所示,在坐标系的第一象限内有一横截面为四分之一圆周的柱状玻璃体OPQ,OP=OQ=R,一束单色光垂直OP面射入玻璃体,在OP面上的入射点为A,,此单色光通过玻璃体后沿BD方向射出,且与x轴交于D点,
,求:
(1)该玻璃的折射率是多少?
(2)将OP面上的该单色光至少向上平移多少,它将不能从PQ面直接折射出来。
正确答案
解:(1)在PQ面上的入射角
由几何关系可得θ2=60°
折射率
(2)临界角
从OP面射入玻璃体的光,在PQ面的入射角等于临界角时,刚好发生全反射而不能从PQ面直接射出。设光在OP面的入射点为M,在PQ面的反射点为N
至少向上平移的距离
如图所示,扇形AOB为透明柱状介质的横截面,圆心角∠AOB=60°。一束平行于角平分线OM的单色光由OA射入介质,经OA折射的光线恰平行于OB。
(1)求介质的折射率。
(2)折射光线中恰好射到M点的光线____(填“能”或“不能”)发生全反射。
正确答案
解:依题意作出光路图如图所示
(1)由几何知识可知,入射角i=60°,折射角r=30°
根据折射定律得:
代入数据解得:
(2)不能
一束单色光由左侧射入盛有清水的薄壁圆柱形玻璃杯,下图为过轴线的截面图,调整入射角α,使光线恰好在水和空气的界面上发生全反射,已知水的折射率为,求sinα的值。
正确答案
解:当光线在水面处发生全反射时,有
当光线从左侧射入时,由折射定律
联立以上两式,代入数据可得
一束单色光由左侧射入盛有清水的薄壁圆柱杯,下图为过轴线的截面图,调整入射角α,光线拾好在和空气接触的界面上发生全反射,已知水的折射角为,α的值。
正确答案
解:当光线在水面发生全放射时有
当光线从左侧射入时,由折射定律有
联立这两式代入数据可得
【选修3-4选做题】
如图所示,一个横截面为直角三角形的三棱镜,∠A=30°,∠C= 90°。三棱镜材料的折射率是n=,一条与BC面成θ=30°角的光线射向BC面,经过AC边一次反射从AB边射出。求:
(1)求光在三棱镜中的速度;
(2)求从AB边射出的光线与AB边的夹角。
正确答案
解:(1)由折射率公式得
代入数据解得
(2)在BC界面,由折射定律得
得r=30°,光线射到AC界面上的入射角为60°
因为,有C<60°
故光线在AC界面发生全反射再经AB界面折射若出射角为α,则
得α=60°
则出射光线与AB面的夹角β=90°-α=30°
如图所示,扇形AOB为透明柱状介质的横截面,圆心角∠AOB=60°。一束平行于角平分线OM的单色光由OA射入介质,经OA折射的光线恰平行于OB。
(1)求介质的折射率。
(2)折射光线中恰好射到M点的光线____(填“能”或“不能”)发生全反射。
正确答案
解:依题意作出光路图如图所示
(1)由几何知识可知,入射角i=60°,折射角r=30°
根据折射定律得:
代入数据解得:
(2)不能
如图所示,一细光束从某种介质射向真空,该光束中含有频率分别为1、2的两种光。介质对这两种光的折射率分别为1、2,且1>2。则:
(1)两种光在介质中的速度之比1∶2=________。
(2)两种光在介质中的波长之比λ1∶λ2=________。
(3)调整光的入射角度,使频率为1的光在真空中刚好消失,此时频率为2的光折射角的正弦值为________。
正确答案
(1)
(2)
(3)
(选修3-4选做题)
如图所示,为测量直角三角形玻璃砖ABC 的折射率,已知∠A=30°。现让一束单色光从空气与BC的夹角为θ=30°射向BC上的E 点,并偏折到AB上的F点,光线EF平行于底边AC。则:
(1)该棱镜的折射率为多少?
(2)试判断光在F点能否发生全反射。
正确答案
解:(1)光路如图所示,光线在BC界面的入射角θ1= 60°、折射角θ2=30°
根据折射定律得
(2)由几何关系知,光线在AB界面的入射角为θ3=60°
而光线在棱镜中发生全反射的临界角C的正弦值
则在AB界面的入射角θ3>C,所以光线在F点将发生全反射
如图所示有一根玻璃管,内径为,外径为2,折射率为=,图乙是它的截面.有一束光线从玻璃管的外侧面上的点垂直于玻璃管中心轴线射入.若入射角α为60°,则有无光线从玻璃管的外壁射出玻璃管?如果有,则有光线射出的位置有几处,并求出各处射出的光线与点入射光线的夹角是多大?如果没有,请说明理由.需作出光路图。
正确答案
解:设光从玻璃到空气临界角为C,sinC=,得30°<C<45°
设光进入玻璃管时折射角为θ,射向内表面的入射角为β
据折射定律有:sinα=nsinθ,得θ=30°
此时光线刚好与玻璃内表面相切,光照射到外表面时的入射角β为30°,因30°<C<45°,可知入射角β小于C,则有光射出玻璃管
由光路可逆分析,折射光线对应的折射角为60°,此时射出的光线2与A点入射光线1的夹角为60°;在此位置有部分光线发生反射,再在另一位置出射,其入射角为30°,对应的折射角为60°,此时射出的光线3与A点入射光线1的夹角为180°;还有部分光线进一步发生反射在A点处出射,此时射出的光线4与A点入射光线1的夹角为60°
故有光线射出的位置有三处,各处射出的光线与A点入射光线的夹角分别为:第一处60°(或120°);第二处180°;第三处60°(或120°)
一束截面为圆形(半径为R)的平行单色光正面射向一玻璃半球的平面,如图所示,经折射后在屏S上形成一圆形光斑。已知入射光的波长为λ、功率为P,玻璃半球的半径为R,折射率为n,屏S到球心O的距离为d(d>3R)
(1)从O点射入玻璃砖的光线要多长时间能到达屏S?
(2)光从圆弧面上什么范围射出?
(3)屏S上光斑的半径为多大?
正确答案
解:(1);
(2)临界角,光从圆弧AO1B部分出射,
;
(3),
解得:
。
如图所示,一段横截面为正方形的玻璃棒,中间部分弯成四分之一圆弧形状,一细束单色光由MN端面的中点垂直射入,恰好能在弧面EF上发生全反射,然后垂直PQ端面射出。
(1)求该玻璃棒的折射率,
(2)若将入射光向N端平移,当第一次射到弧面EF上时____(填“能”“不 能”或“无法确定能否”)发生全反射。
正确答案
解:(1)如图所示单色光照射到EF弧面上时刚好发生全反射,
由全反射的条件得C=450①
由折射定律得②
联立①②得
(2)能。
如图所示,用折射率的玻璃做成内径为R、外径为
的半球形空心球壳,一束平行光射向此半球的外表面,与中心对称轴
平行,试求:
小题1:球壳内部有光线射出的区域;
小题2:要使球壳内部没有光线射出,至少用多大的遮光板,如何放置才行?
正确答案
小题1:当射向外球面的入射光线的入射角小于时,这些光线都会射出内球面.因此,以
为中心线,上、下(左、右)各
的圆锥球壳内有光线射出.
小题2:至少用一个半径为R的遮光板,圆心过轴并垂直该轴放置,才可以挡住射出球壳的全部光线,这时球壳内部将没有光线射出.
小题1:设光线射入外球面,沿ab方向射向内球面,刚好发生全反射,则
∴ (2分)
在中,
,
∴ (2分),
即(1分),则
(1分)
又,由
(2分),得
∴(1分)
即(1分)
当射向外球面的入射光线的入射角小于时,这些光线都会射出内球面.因此,以
为中心线,上、下(左、右)各
的圆锥球壳内有光线射出.(2分)
小题2:由图中可知,,所以,至少用一个半径为R的遮光板,圆心过
轴并垂直该轴放置,才可以挡住射出球壳的全部光线,这时球壳内部将没有光线射出.(3分)
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