Question

如圖所示，用折射率n=

2

的玻璃做成內(nèi)徑為R、外徑為R′=

2

R的半球形空心球殼，一束平行光射向此半球的外表面，與中心對(duì)稱軸OO'平行，試求：
（1）球殼內(nèi)部有光線射出的區(qū)域；
（2）要使球殼內(nèi)部沒有光線射出，至少用多大的遮光板，如何放置才行？

Answer 1

分析：（1）光線射到內(nèi)球面時(shí)，若入射角大于或等于臨界角時(shí)，會(huì)發(fā)生全反射，光線將不能射入球殼內(nèi)部．根據(jù)折射定律求出臨界角．作出光路圖，由幾何知識(shí)求出光線射到內(nèi)球面剛好發(fā)生全反射時(shí)，在外球面的折射角，由數(shù)學(xué)知識(shí)求出球殼內(nèi)部有光線射出的區(qū)域．
（2）根據(jù)光路圖，由幾何知識(shí)求出遮光板的大小，確定如何放置．

解答：解：（1）設(shè)光線a′a射入外球面，沿ab方向射向內(nèi)球面，
剛好發(fā)生全反射，則
   sinC=

1

n

=

1

2

∴C=45°
在△Oab中，Oa=

2

R，Ob=R
根據(jù)數(shù)學(xué)知識(shí)得

sin(180°-C)

2 R

=

sinr

R

，
得到sinr=

sinC

2

=

1

2

即 r=30°，則∠θ=C-r=45°-30°=15°
又∠O′Oa=i，由

sini

sinr

=n，得sini=nsinr=

2

2

∴i=45°
即∠O′Ob=i+θ=45°+15°=60°
當(dāng)射向外球面的入射光線的入射角小于i=45°時(shí)，這些光線都會(huì)射出內(nèi)球面．因此，以O(shè)O'為中心線，上、下（左、右）各60°的圓錐球殼內(nèi)有光線射出．
（2）由圖中可知，h=R′sini=

2

R?

2

2

=R，
所以，至少用一個(gè)半徑為R的遮光板，圓心過OO′軸并垂直該軸放置，才可以擋住射出球殼的全部光線，這時(shí)球殼內(nèi)部將沒有光線射出．
答：
（1）球殼內(nèi)部有光線射出的區(qū)域?yàn)橐設(shè)O′為中心線，上、下（左、右）各60°的圓錐球殼內(nèi)有光線射出．
（2）要使球殼內(nèi)部沒有光線射出，至少用一個(gè)半徑為R的遮光板，圓心過OO'軸并垂直該軸放置．

點(diǎn)評(píng)：本題是折射定律、臨界角和幾何知識(shí)的綜合應(yīng)用，作出光路圖是基礎(chǔ)．