Question

【題目】在桌面上有一倒立的玻璃圓錐，其頂點(diǎn)恰好與桌面接觸，圓錐的軸（圖中虛線(xiàn)）與桌面垂直，過(guò)軸線(xiàn)的截面是邊長(zhǎng)為a的等邊三角形，如圖所示．有一半徑為r的圓柱形平行光束垂直入射到圓錐的地面上，光束的中心軸與圓錐的軸重合．已知玻璃的折射率為，光在空氣中傳播的速度為c.求：

（1）光束在桌面上形成的光斑半徑R

（2）光束在玻璃中傳播的時(shí)間t

Answer 1

【答案】（1）R=2r（2）

【解析】

平行光束垂直入射到圓錐的底面上，方向不變射到母線(xiàn)上發(fā)生折射，由于入射角等于60°，而玻璃的折射率為1.5，可得臨界角小于45°，所以會(huì)發(fā)生光的全反射，反射光線(xiàn)卻恰好垂直射出．故可根據(jù)幾何關(guān)系可確定光斑的半徑光束在桌面上形成的光斑半徑R；根據(jù)幾何知識(shí)求光束在玻璃中傳播的距離，由求出光束在玻璃中傳播的速度，從而求得光束在玻璃中傳播的時(shí)間t．

（i）設(shè)玻璃的臨界角為C，根據(jù)①，得②；

光線(xiàn)垂直圓錐底面BC射入玻璃時(shí)，直線(xiàn)傳到AB面．由幾何關(guān)系可知入射角 ，

由于，所以光線(xiàn)會(huì)在AB面上發(fā)生全反射③，

光路如圖，由幾何關(guān)系知，反射光線(xiàn)恰好垂直AC面射出④，

由幾何關(guān)系可知：AE=2r，在△AEG中，由于∠AEG=∠AGE=30°，則AG=AE=2r⑤，

所以，由旋轉(zhuǎn)對(duì)稱(chēng)性可知光束在桌面上形成的光斑半徑R=2r⑥；

（ii）由于△AEH為等邊三角形，所以EF=AN，

故光線(xiàn)在玻璃中的傳播距離始終為⑦，

其余入射點(diǎn)的光線(xiàn)在玻璃中的傳播距離類(lèi)似證明均為L，
光線(xiàn)在玻璃中的傳播時(shí)間⑧，而⑨，

聯(lián)立解得⑩；

另解：（ii）如圖，經(jīng)過(guò)任意入射點(diǎn)P的光線(xiàn)在玻璃中的傳播傳播路徑為PQS，由于△AQT為等邊三角形，所以QS=AJ，

故光線(xiàn)在玻璃中的傳播距離始終為⑦
光線(xiàn)在玻璃中的傳播時(shí)間⑧，而⑨，

聯(lián)立解得⑩