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6.如图所示,一玻璃球体的半径为R,O为圆心,AB为直径,在B点有一单色光源(可向各个方向发射光线),其中其发出的光从M点折射出时折射光线恰好与AB平行,测得A、M之间的弧长为$\frac{πR}{3}$.
(1)求玻璃球体对该单色光的折射率;
(2)光在真空中的传播速度为c,若不考虑光反射后的折射,求能射出玻璃球体的光在玻璃球体中传播时间的范围.

分析 (1)画出光线BM的光路图,由几何知识求出光线在M点的入射角和折射角,再求出折射率n.
(2)由sinC=$\frac{1}{n}$求出临界角.设光线在N点恰好发生全反射,入射角等于临界角,再由几何知识求解光在在玻璃球体中传播距离的范围,由v=$\frac{c}{n}$求得光在在玻璃球体中传播速度,即可求得光在玻璃球体中传播时间的范围.

解答 解:(1)设光线BM在M点发生折射时对应的入射角为i,折射角为r.

由公式l=θR知:弧AM对应的圆心角 θ=$\frac{l}{R}$=$\frac{π}{3}$=60°
由几何知识可知:∠ABM=$\frac{1}{2}$θ=30°
则 i=∠ABM=$\frac{1}{2}$θ=30°
根据折射定律得:n=$\frac{sinr}{sini}$=$\frac{sin60°}{sin30°}$=$\sqrt{3}$
(2)光在在玻璃球体中的传播速度 v=$\frac{c}{n}$=$\frac{\sqrt{3}}{3}$c
设光线恰好在N点发生全反射,则∠BNO等于临界角C,有:
  sinC=$\frac{1}{n}$=$\frac{\sqrt{3}}{3}$
光由B传到N的时间 t1=$\frac{BN}{v}$
由几何知识可知,等腰三角形NOB中,BN的距离:BN=2RcosC=2R$\sqrt{1-si{n}^{2}C}$=$\frac{2\sqrt{6}}{3}$R
联立求得:光由B传到N的时间 t1=$\frac{2\sqrt{2}R}{c}$
光由B传到A的时间为 t2=$\frac{AB}{c}$=$\frac{2\sqrt{3}R}{c}$
所以所求的时间范围为 $\frac{2\sqrt{2}R}{c}$<t≤$\frac{2\sqrt{3}R}{c}$.
答:
(1)玻璃球体对该单色光的折射率是$\sqrt{3}$;
(2)能射出玻璃球体的光在玻璃球体中传播时间的范围为 $\frac{2\sqrt{2}R}{c}$<t≤$\frac{2\sqrt{3}R}{c}$.

点评 解决几何光学问题的关键要正确作出光路图,分析隐含的临界情况,知道全反射的条件,再结合折射定律和几何知识进行处理.

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