6.玻璃砖

所谓玻璃砖一般指横截面为矩形的棱柱。当光线从上表面入射,从下表面射出时,其特点是:⑴射出光线和入射光线平行;⑵各种色光在第一次入射后就发生色散;⑶射出光线的侧移和折射率、入射角、玻璃砖的厚度有关;⑷可利用玻璃砖测定玻璃的折射率。

例题分析

例1:直角三棱镜的顶角α=15°, 棱镜材料的折射率n=1.5,一细束单色光如图所示垂直于左侧面射入,试用作图法求出该入射光第一次从棱镜中射出的光线。

解:由n=1.5知临界角大于30°小于45°,边画边算可知该光线在射到ABCD各点时的入射角依次是75°、60°、45°、30°,因此在ABC均发生全反射,到D点入射角才第一次小于临界角,所以才第一次有光线从棱镜射出。

例2:如图所示,一条长度为L=5.0m的光导纤维用折射率为n=的材料制成。一细束激光由其左端的中心点以α= 45°的入射角射入光导纤维内,经过一系列全反射后从右端射出。求:⑴该激光在光导纤维中的速度v是多大?⑵该激光在光导纤维中传输所经历的时间是多少?

解:⑴由n=c/v可得v=2.1×108m/s

⑵由n=sinα/sinr可得光线从左端面射入后的折射角为30°,射到侧面时的入射角为60°,大于临界角45°,因此发生全反射,同理光线每次在侧面都将发生全反射,直到光线达到右端面。由三角关系可以求出光线在光纤中通过的总路程为s=2L/,因此该激光在光导纤维中传输所经历的时间是t=s/v=2.7×10-8s。

例3:如图所示,一细束红光和一细束蓝光平行射到同一个三棱镜上,经折射后交于光屏上的同一个点M,若用n1n2分别表示三棱镜对红光和蓝光的折射率,下列说法中正确的是                           

A.n1<n2a为红光b为蓝光  B.n1<n2a为蓝光,b为红光

C.n1>n2a为红光,b为蓝光  D.n1>n2a为蓝光,b为红光 

解:由图可知,b光线经过三棱镜后的偏折角较小,因此折射率较小,是红光。

例4:如图所示,自行车的尾灯采用了全反射棱镜的原理。它虽然本身不发光,但在夜间骑行时,从后面开来的汽车发出的强光照到尾灯后,会有较强的光被反射回去,使汽车司机注意到前面有自行车。尾灯的原理如图所示,下面说法中正确的是      

A.汽车灯光应从左面射过来在尾灯的左表面发生全反射

B.汽车灯光应从左面射过来在尾灯的右表面发生全反射

C.汽车灯光应从右面射过来在尾灯的左表面发生全反射

D.汽车灯光应从右面射过来在尾灯的右表面发生全反射 

解:利用全反射棱镜使入射光线偏折180°,光线应该从斜边入射,在两个直角边上连续发生两次全反射。所以选C。

例5:如图所示,两细束平行的单色光a、b射向同一块玻璃砖的上表面,最终都从玻璃砖的下表面射出。已知玻璃对单色光a的折射率较小,那么下列说法中正确的有 

A.进入玻璃砖后两束光仍然是平行的

B.从玻璃砖下表面射出后,两束光不再平行

C.从玻璃砖下表面射出后,两束光之间的距离一定减小了

D.从玻璃砖下表面射出后,两束光之间的距离可能和射入前相同

解:进入时入射角相同,折射率不同,因此折射角不同,两束光在玻璃内不再平行,但从下表面射出时仍是平行的。射出时两束光之间的距离根据玻璃砖的厚度不同而不同,在厚度从小到搭变化时,该距离先减小后增大,有可能和入射前相同(但左右关系一定改变了)。

例6:如图所示,AB为一块透明的光学材料左侧的端面。建立直角坐标系如图,设该光学材料的折射率沿y轴正方向均匀减小。现有一束单色光a从原点O以某一入射角θ由空气射入该材料内部,则该光线在该材料内部可能的光路是下图中的哪一个?

解:如图所示,由于该材料折射率由下向上均匀减小,可以设想将它分割成折射率不同的薄层。光线射到相邻两层的界面时,如果入射角小于临界角,则射入上一层后折射角大于入射角,光线偏离法线。到达更上层的界面时入射角逐渐增大,当入射角达到临界角时发生全反射,光线开始向下射去直到从该材料中射出。

例7:如图所示,用透明材料做成一长方体形的光学器材,要求从上表面射入的光线可能从右侧面射出,那么所选的材料的折射率应满足   

A.折射率必须大于

B.折射率必须小于

C.折射率可取大于1的任意值

  D.无论折射率是多大都不可能

解:从图中可以看出,为使上表面射入的光线经两次折射后从右侧面射出,θ1θ2都必须小于临界角C,即θ1<Cθ2<C,而θ1+θ2=90°,故C>45°,n=1/sinC<,选B答案。

例8:如图所示,一束平行单色光a垂直射向横截面为等边三角形的棱镜的左侧面,棱镜材料的折射率是。试画出该入射光射向棱镜后所有可能的射出光线。

解:由折射率为得全反射临界角是45°。光线从左侧面射入后方向不发生改变,射到右侧面和底面的光线的入射角都是60°,大于临界角,因此发生全反射。反射光线分别垂直射向底面和右侧面。在底面和右侧面同时还有反射光线。由光路可逆知,它们最终又从左侧面射出。所有可能射出的光线如图所示。

 0  426309  426317  426323  426327  426333  426335  426339  426345  426347  426353  426359  426363  426365  426369  426375  426377  426383  426387  426389  426393  426395  426399  426401  426403  426404  426405  426407  426408  426409  426411  426413  426417  426419  426423  426425  426429  426435  426437  426443  426447  426449  426453  426459  426465  426467  426473  426477  426479  426485  426489  426495  426503  447090 

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