高中 | 全反射 题目答案及解析

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选修3-4

第十三章 光

13.2 全反射

全反射

由透明介质制作的光学功能器件截面如图所示,器件下表面圆弧以$O$点为圆心,上表面圆弧以$O'$点为圆心,两圆弧的半径及$O$$O'$两点间距离均为$R$,点$A$$B$$C$在下表面圆弧上。左界面$AF$和右界面$CH$$OO'$平行,到$OO'$的距离均为$\dfrac{9}{10}R$

$B$点与$OO'$的距离为$\dfrac{\sqrt{3}}{2}R$,单色光线从$B$点平行于$OO'$射入介质,射出后恰好经过$O'$点,求介质对该单色光的折射率$n$

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$\\sqrt{3}$

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如图

根据题意可知$B$点与$OO'$的距离为$\dfrac{\sqrt{3}}{2}R$$OB=R$,所以$\sin\theta_{1}=\dfrac{\dfrac{\sqrt{3}}{2}R}{R}=\dfrac{\sqrt{3}}{2}$

可得$\theta_{1}=60^\circ $

又因为出后恰好经过$O'$点,$O'$点为该光学器件上表面圆弧的圆心,则该单色光在上表面垂直入射,光路不变;因为$OB=OO'=R$,所以根据几何关系可知$\theta_{2}=30^\circ $

介质对该单色光的折射率$n=\dfrac{\sin\theta_{1}}{\sin\theta_{2}}=\dfrac{\sin 60^\circ}{\sin 30^\circ}=\sqrt{3}$

若该单色光线从$G$点沿$GE$方向垂直$AF$射入介质,并垂直$CH$射出,出射点在$GE$的延长线上,$E$点在$OO'$上,$O'$$E$两点间的距离为$\dfrac{\sqrt{2}}{2}R$,空气中的光速为$c$,求该光在介质中的传播时间$t$

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$\\dfrac{19\\sqrt{3}R}{5c}$

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若该单色光线从$G$点沿$GE$方向垂直$AF$射入介质,第一次射出介质的点为$D$,且$O'E=\dfrac{\sqrt{2}}{2}R$,可知$\sin\theta=\dfrac{\dfrac{\sqrt{2}}{2}R}{R}= \dfrac{\sqrt{2}}{2}$

由于$\sin\theta=\dfrac{\sqrt{2}}{2} \gt \sin C=\dfrac{1}{n}=\dfrac{\sqrt{3}}{3}$

所以光线在上表面$D$点发生全反射,轨迹如图

根据几何关系有则光在介质中传播的距离为$L=2(GE+AF)=\dfrac{19}{5}R$

光在介质中传播的速度为$v=\dfrac{c}{n}=\dfrac{\sqrt{3}c}{3}$

所以光在介质中的传播时间$t=\dfrac{L}{v}=\dfrac{\dfrac{19}{5}R}{\dfrac{\sqrt{3}c}{3}}=\dfrac{19\sqrt{3}R}{5c}$

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