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与光学有关的实际应用归类
以光学知识为中心的应用型物理题归类
湖南省株洲南方中学 单文忠 412002
一、以折射率为中心的应用型物理题
例1:为了观察门外情况,有人在门上开一小圆孔,将一块圆柱形玻璃嵌入其中,圆柱体轴线与门面垂直,如图1所示,从圆柱底面中心看出去,可以看到的门
外入射光线与轴线间的最大
夹角称做视场角.已知该玻
璃的折射率为n,圆柱长为
,底面半径为r.则视场角是:( )
A. B.
C. D.
析与解:依题意作图2,
i即为所求的视场角,同时
也是入射角,据折射率公式
,有
,
故正确答案为B.
例2:山区盘山公路的路面边上一般都等间距地镶嵌一些小玻璃球,当夜间行驶的汽车的车灯照上后显得非常醒目,以提醒司机注意.若小玻璃球的半径为R,折射率是,如图3所示.今有一束平行光
沿直径AB方向照在小玻
璃球上,试求离AB多远
的入射光经折射—反射—
折射再射出后沿原方向返回即实现“逆向反射”.
析与解:只有入射光经折射后射到B点的光线经反射再折射出后才能沿原方向返回,即实现“逆向反射”,光路如图4所示.据折射定律有: ①
由几何关系可知:
②
将②代入①,得:
,
故,所以:
设能沿原方向返回即实现“逆向反射”的入射光线距AB的距离为h,则由几何关系可知:.
例3:为从军事工事内部观察外面的目标,在工事壁上开一长方形孔,设工事壁厚d=34.64cm,孔的宽度L=20cm,孔内嵌入折射率的玻璃砖如图5所示,试问:
(1)嵌入玻璃砖后,工事
内部人员观察到外面的视野
的最大张角为多少?
(2)要想使外界1800范围
内景物全部被观察到,应嵌
入多大折射率的玻璃砖?
析与解:依题意作出如图6所示的光路图,,
所以.
(1)由折射定律有:
,所以,
即视野的张角最大为1200.
(2)要使视野的张角为1800,即,由折射定律有:,故:.
例4:有一娱乐场所,为了增添娱乐气氛,有如图7所示的光学装置,一个横截面为直角三角形的三棱镜,∠A=300,∠C=900,BC边的长为L.一个大光屏
MN与BC平行,到BC
的距离也是L. 三棱
镜材料的折射率是
.一束平行
光平行于AC方向射
到三棱镜的AB面上.
求:(1)用作图法画出光屏上被照亮的部分,并求被照亮部分的宽度.(2)光屏移动到什么位置才能消除两个照亮部分之间的阴影区?
析与解:(1)用
作图法作出光屏上被
照亮部分如图8所示,
由图可知被照亮部分
为2L.
(2)分析图8
光路可知为
等腰三角形且,由三角形知识可知虚线到BC的距离为,故光屏移动到图8中虚线位置能消除两个照亮部分之间的阴影区.
二、以平面镜成像为中心的应用型物理题
例5:某电视台演播厅高6m,水平天花板上全部装上了平面镜,为了节目的需要,美工在天花板上用细丝层次错落地吊挂了一些不透明的面积均为500cm2的圆盘形装饰物,装饰物盘面与天花板平行,如图9所示,其中最高的和最低的装饰
物离天花板距离分
别为0.50m和2.0m,
当演播厅地面上有
一强光源(可看作
点光源)点亮时,
在地面上可看到每一个装饰物的影子.求:其中最大和最小影子的面积分别是多少?
析与解:从强光源
发出的入射光线被装饰
物遮挡后形成的光路如
图10所示,对该光路分
析(设H为天花板的高
度,x为装饰物到天花
板的距离)由几何关系可知:,其中S1表示影子面积、S2表示装饰物面积.故有:
,代入
数据有:
.
同理,从强光源
发出的光线反射后被
装饰物遮挡形成的光路如图11所示,由几何关系有:,从中可知x越大,S1/越小.所以x=2m影子也最小,故有:,代入数据有
三、以干涉、衍射为中心的应用型物理题
例6:如图12所示是用干涉法检查某块厚玻璃板的上表面是否平的装置.所用单色光是用普通光源加滤光片
产生的,检查中所观察
到的干涉条纹是由下列
哪两个表面反射的光线
叠加而成的?
A:a的上表面和b的下表面
B:a的上表面和b的上表面
C:a的下表面和b的上表面
D:a的下表面和b的下表面
析与解:用单色光从如图12所示装置的上面照射,入射光从两块厚玻璃板之间的空气层上下表面反射出两列光波,于是从反射光中就会看到干涉条纹,如果被测表面是平的,那么空气层的厚度相同的各点就位于一条直线上,因此产生的干涉条纹就是平行的;如果被测表面某些地方不平,那里空气层的厚度相同的各点不再位于一条直线上,因此产生的干涉条纹就要发生弯曲,从干涉条纹弯曲的方向和程度即可了解到被测表面的不平情况.
例7:抽制细丝时可用激光监控其粗细,如图13所示,
激光束越过细
丝时产生的条
纹和它通过遮
光板上的一条
同样宽度的窄
缝规律相同,则:
①这是利用光的干涉现象
②这是利用光的衍射现象
③如果屏上
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