- 光的折射
- 共2353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
如图所示,一束光线以60º的入射角照射到水平放置的平面镜上,反射后射到平面镜上方与平面镜平行的光屏上P点。现在将一块上下表面平行的透明玻璃砖 放到平面镜M上,则进入玻璃砖的光线经平面镜反射后再从玻璃砖的上表面射出,打到光屏上的另一点Q点(图中未画出),Q与P相比较向左平移了cm,已知玻璃砖的折射率n=
,光在真空中的传播速度c=3×108m/s。求:①玻璃砖的厚度;②光在玻璃砖中运动时间。
正确答案
(1)1.5m;(2)
试题分析:设玻璃砖的厚度为d,光线进入玻璃砖后的折射角为r, 光路图如下图所示
由折射定律得
r=30°
由几何关系可知
解得d=1.5cm
设光线射入玻璃砖至平面镜的距离为x,,
所以,
如图所示,光线以入射角i=30°照射到平面镜上,入射点为O,计算光的反射角r,并画在图上.如果光线入射方向不变,以过O点垂直于纸面的直线为轴,把平面镜顺时针方向转过15°角,这时反射光线转过多大的角度?
正确答案
根据光的反射定律可知:反射角等于入射角,所以光的反射角r=i=30°,如图:
所以当平面镜顺时针转过15°度角,入射角要增大15°,变为45°,即法线顺时针转过15°,反射角也要增大15°,变为45°,则反射角与入射角之间的夹角由原来的60°变为90°,即反射光线转过30°角.
答:这时反射光线转过30°角.
如图所示,液体的临界角C=45°,液面上有一点光源S,发出一束光垂直入射到水平放置于液体中且距液面为d的平面镜M上,当平面镜M绕垂直过中心O的轴以角速度ω做逆时针匀速转动时,液面上的观察者发现水面上有一光斑掠过,则观察者观察到的光斑在水面上掠过的最大速度为_____________。
正确答案
4ωd
(9分)由透明体做成的三棱柱,横截面为有一个锐角为300的直角三角形,如图乙所示,AC面镀膜,经透明体射到AC面的光只能反射。现有一束光从AB面的D点垂直AB面射入透明体,经AC面E点反射后从BC面射出透明体,出射光线与BC面成300角
①求该透明体的折射率;
②若光线从BC面的F点垂直BC面射入透明体,经AC面E点反射后从AB面射出透明体,试画出经E点后的光路图,并标明出射光线与AB面所成夹角的角度(不用列式计算)。
正确答案
① n=
②
试题分析:①如图,由几何关系
θ1=300,θ2=600 (2分)
由折射定律
n==
(2分)
②光路图如上图,(未标箭头扣2分,未标明出射光线与AB面所成夹角的角度的扣2分) (5分)
图中,△ABC为一等腰直角玻璃镜的主截面,令一束单色光DE平行于AB面自AC面射入,经AB面反射后从BC面射出,为光线FG;光线DE和FG的走向均可由插针法确定,试用几何作图法在图中准确画出在棱镜内的光路走向(含辅助线).
正确答案
在水平地面上有一点光源S,被不透明的罩遮住,在罩的正上方开一小孔,一束光经过小孔竖直照到距地面高度为3m的水平放置的平面镜上,如图所示,若平面镜突然开始绕水平轴O顺时针转动,在0.1s内转过π/6的角,那么由镜面反射到水平地面上的光斑在这0.1s内沿水平地面移动的平均速度?
正确答案
略
如图15-31所示,一等腰直角棱镜,放在真空中,AB=AC=d.在棱镜侧面AB左方有一单色点光源S,从S发出的光线SD以60°的入射角从AB侧面中点射入,当它从AC侧面射出时,出射光线偏离入射光线的偏向角为30°,若测得光从光源到棱镜侧面AB的时间跟在棱镜中传播时间相等,那么点光源S到棱镜AB侧面的垂直距离是多少?
图15-31
正确答案
如下图所示,由折射定律,光线在AB面上折射时有:
sin60°="nsinα " ①
在AC面上出射时,nsinβ="sinγ " ②
由几何关系α+β="90° " ③
偏向角δ="(60°-α)+(γ-β)=30° " ④
由①②③④得α="β=45° " γ=60°
所以
单色光在棱镜中通过几何路程
单色光在棱镜中光速
设点光源到棱镜AB侧面的垂直距离为L,依题意所以
半径为R的圆柱体放在水平地面上,在距地面(3+)R的上方放置一个与地面平等的平面镜MN,在圆柱体左侧的地上有一点光源S,圆柱体右侧AB部分没有光线照射到.其截面图如图所示.已知:
R求AB的宽度.
正确答案
如图所示,一个半径为r的圆木板静止在水面上,在圆木板圆心O的正下方H=r处有一点光源S,已知水的折射率n=
.
(1)求沿圆木板边缘出射的折射光线的折射角.
(2)若要在水面上方观察不到点光源S所发出的光,则应将点光源S至少竖直向上移多大的距离?(结果可用根式表示)
正确答案
(1)45° (2)( -1)r
(1)设入射角为θ1,折射角为θ2,则tanθ1①
即θ1=30°②
③
联立①②③式得θ2=45°.④
(2)若在水面上方观察不到点光源所发出的光,则入射到圆木板边缘的光线将发生全反射,设临界角为C,点光源S离圆心的距离为h,则由sinC得⑤
C=45°⑥
由几何关系tanC=得⑦
h=r⑧
则点光源S至少上移Δh=(-1)r.⑨
如图所示,一个点光源S放在平面镜MN前,若MN保持不动,光源S以速率v=2m/s沿与平面镜成角的方向向右匀速运动,试求光源在平面镜中的像的运动情况.
正确答案
点光源在平面镜中所成的像的速度大小等于v,方向与平面镜成角.
[方法一]如图所示设点光源经t时间由S处运动到处,由平面镜成像特点可知,点光源在平面镜中所成的像由
处运动到
处,且
=
,即:vt=
,所以点光源在平面镜中所成的像的速度大小等于v,方向与平面镜成
角.
[方法二]如图所示,将点光源的速度分解成垂直于平面方向的速度,平行于平面镜的速度
,利用平面镜成像特点作出点光源在平面镜中的像
,
平行于平面镜的速度为
、垂直于平面镜的速度为
,由平面几何知识可知,
=v,方向与平面镜成
角.
补充
当点光源S与平面镜的相对位置发生变化时,点光源在平面镜中所成的像与平面镜的相对位置亦发生变化.求解光源的像的运动,即是求解像点相对于平面镜的位置关系如何变化.
[思路一]利用平面镜成像的对称性,可作出任意两时刻的光源的位置及像点的位置,求解出像点的位移随时间的变化规律即可求出像的运动情况.
[思路二]若将光源的速度分解成平行于镜面方向的速度和垂直于镜面方向的速度
,容易知道像点平行于镜面方向的速度与
相同,而垂直于镜面方向的速度与
等值反向,再利用速度的合成即可求出像点的实际速度.
一束激光以入射角i=30°照射液面,其反射光在固定的水平光屏上形成光斑B,如图14-1-9所示.如果反射光斑位置移动了2 cm,说明液面可能( )
图14-1-9
正确答案
BD
因光斑移动方向不明确,故有两种可能:若光斑左移2 cm,则液面上升h= cm=
cm,若光斑右移2 cm,则液面下降
cm.可见正确选项为BD.
卡文迪许扭秤是用来测定万有引力常量的重要仪器,为了观察悬挂的石英丝发生的微小扭转形变,卡文迪许采用了光放大的原理.图10中悬挂在石英丝下端的T形架的竖直杆上装一块小平面镜M,M可将由光源S射来的光线反射到弧形的刻度尺上(圆弧的圆心即在M处).已知尺距R为2 m,若反射光斑在尺上移动2 cm,则平面镜M转过的角度是_______ rad.
图11
正确答案
0.005
设平面镜转动θ,则反射光线转动2θ,由弧度的定义可知,平面镜M转过的角度所以θ="0.005" rad.
科学家在研究地月组成的系统时,从地球向月球发射激光,测得激光往返时间为t.若还已知万有引力常量G,月球绕地球旋转(可看成匀速圆周运动)的周期T,光速c(地球到月球的距离远大于它们的半径).则可以求出( )
正确答案
AB
由题意可求得月球到地球的距离s≈R=ct/2,因此A选项正确.由于地球到月球的距离远大于各自半径,因此可认为月球绕地球运行的轨道半径即为R,根据万有引力提供向心力,(其中M为地球质量,m为月球质量)可得
因此B选项正确.根据题中所给条件无法得知月球质量,也无法求得地球与月球之间的引力,故C、D选项错误.
如图所示,一小球A与一个白炽灯泡S紧靠在一起,小球在灯泡的右侧,小球可看做质点,灯泡可视为一点光源,P为一个竖直放置的屏幕,P与光源之间的距离为L,今将小球以水平速V0向右抛出。
(1)试证明小球运动过程中(没有碰到屏幕)它在屏幕上的影子将沿屏幕向下做匀速运动。
(2)求影的运动速度。
正确答案
(1)证明见解析
(2)
如图所示,做出小球在t时刻形成的影子的光路图.小球在运动过程中做平抛运动,由其运动规律可知:
y= x=
由三角形知识可知:
联立以上三式可得:式中,g、、L均为常量,表明影的位移与运动的时间成正比
即影的运动为匀速运动.影的运动速度为V=
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