题目
直径为 20 (mm) 的玻璃球,其折射率为 sqrt(3),今有一光线以 60^circ 入射角入射到该玻璃球上,试分析光线经过玻璃球的传播情况。
直径为 $20 \text{mm}$ 的玻璃球,其折射率为 $\sqrt{3}$,今有一光线以 $60^\circ$ 入射角入射到该玻璃球上,试分析光线经过玻璃球的传播情况。
题目解答
答案
根据折射定律,入射角$\theta_1 = 60^\circ$时,折射角$\theta_2 = 30^\circ$。光线在球内传播至另一侧表面时,入射角$\theta_3 = 30^\circ$,小于临界角$\theta_c \approx 35.26^\circ$,故不发生全反射。出射时,折射角$\theta_4 = 60^\circ$。
综上,光线进入玻璃球后,折射角为30°,在球内传播至另一侧表面时,入射角为30°,最终以60°的折射角出射,传播方向与入射方向平行但相反。
答案:光线进入玻璃球后,折射角为30°,在球内传播至另一侧表面时,入射角为30°,小于临界角,故不发生全反射。最终,光线以60°的折射角出射,传播方向与入射方向平行但相反。
解析
本题主要考察光的折射定律以及全反射现象的相关知识。解题的关键在于运用折射定律计算光线在玻璃球不同界面的折射角,同时判断光线在玻璃球内表面是否会发生全反射。具体步骤如下:
- 计算光线进入玻璃球时的折射角:
- 已知光从空气(折射率$n_1 = 1$)射入玻璃球(折射率$n_2=\sqrt{3}$),入射角$\theta_1 = 60^{\circ}$。
- 根据折射定律$n_1\sin\theta_1 = n_2\sin\theta_2$,将$n_1 = 1$,$n_2=\sqrt{3}$,$\theta_1 = 60^{\circ}$代入可得:
$1\times\sin60^{\circ}=\sqrt{3}\sin\theta_2$
$\sin\theta_2=\frac{\sin60^{\circ}}{\sqrt{3}}=\frac{\frac{\sqrt{3}}{2}}{\sqrt{3}}=\frac{1}{2}$ - 解得$\theta_2 = 30^{\circ}$,即光线进入玻璃球后的折射角为$30^{\circ}$。
- 判断光线在玻璃球内表面是否发生全反射:
- 光线在球内传播至另一侧表面时,根据几何关系可知,此时入射角$\theta_3 = \theta_2 = 30^{\circ}$。
- 计算玻璃球的临界角$\theta_c$,根据临界角公式$\sin\theta_c=\frac{n_1}{n_2}$,将$n_1 = 1$,$n_2=\sqrt{3}$代入可得:
$\sin\theta_c=\frac{1}{\sqrt{3}}\approx0.577$ - 解得$\theta_c=\arcsin(0.577)\approx35.26^{\circ}$。
- 因为$\theta_3 = 30^{\circ}<\theta_c\approx35.26^{\circ}$,所以光线在玻璃球内表面不发生全反射。
- 计算光线从玻璃球射出时的折射角:
- 光线从玻璃球(折射率$n_2=\sqrt{3}$)射向空气(折射率$n_1 = 1$),此时入射角为$\theta_3 = 30^{\circ}$。
- 再次根据折射定律$n_2\sin\theta_3 = n_1\sin\theta_4$,将$n_1 = 1$,$n_2=\sqrt{3}$,$\theta_3 = 30^{\circ}$代入可得:
$\sqrt{3}\sin30^{\circ}=1\times\sin\theta_4$
$\sin\theta_4=\sqrt{3}\times\frac{1}{2}=\frac{\sqrt{3}}{2}$ - 解得$\theta_4 = 60^{\circ}$,即光线射出玻璃球时的折射角为$60^{\circ}$。
- 分析光线传播方向:
- 由于入射角$\theta_1 = 60^{\circ}$,出射角$\theta_4 = 60^{\circ}$,且根据几何关系可知,光线传播方向与入射方向平行但相反。