Номер 8, страница 29, часть 3 - гдз по физике 9 класс рабочая тетрадь Грачев, Погожев

Часть 3. Глава 8. Оптика. Параграф 43. Закон преломления света на плоской границе двух однородных прозрачных сред - номер 8, страница 29.

Условие.

8. Луч света падает на границу раздела двух однородных прозрачных сред в точке А (рис. 28). В первой среде этот луч идёт вдоль прямой 1, а во второй среде — вдоль прямой 2. Какой номер на этом рисунке имеет прямая, вдоль которой пойдёт луч того же цвета после преломления, если до преломления он идёт во второй среде вдоль прямой 3?

1) 6

2) 5

3) 4

4) на рисунке нет такой прямой

Отметьте знаком «Х» правильный вариант ответа.

1) []

2) []

3) []

4) []

Рис. 28

Решение.

Решение

Для решения задачи воспользуемся законом преломления света (законом Снеллиуса), который связывает углы падения и преломления с показателями преломления сред: $n_1 \sin\alpha = n_2 \sin\beta$, где $n_1$ и $n_2$ — показатели преломления первой и второй сред, $\alpha$ — угол падения, $\beta$ — угол преломления. Углы измеряются относительно нормали (перпендикуляра) к границе раздела сред в точке падения луча.

1. Сначала определим соотношение показателей преломления двух сред ($n_1$ для верхней, незаштрихованной, и $n_2$ для нижней, заштрихованной), используя данные о прохождении луча по траектории 1 → 2.

Граница раздела сред горизонтальна, значит, нормаль к ней в точке А вертикальна. Используя сетку, найдём синусы углов падения и преломления. Удобно рассматривать прямоугольные треугольники, где отрезки лучей являются гипотенузами, а смещения по горизонтали и вертикали — катетами. Синус угла между лучом и нормалью будет равен отношению горизонтального смещения (противолежащего катета) к длине отрезка луча (гипотенузе).

Для падающего луча 1: горизонтальное смещение составляет 4 клетки, вертикальное — 2 клетки. Длина гипотенузы $L_1 = \sqrt{4^2 + 2^2} = \sqrt{20}$ условных единиц. Синус угла падения $\alpha_1$ равен:

$\sin\alpha_1 = \frac{4}{\sqrt{20}}$

Для преломлённого луча 2: горизонтальное смещение — 2 клетки, вертикальное — 4 клетки. Длина гипотенузы $L_2 = \sqrt{2^2 + 4^2} = \sqrt{20}$ условных единиц. Синус угла преломления $\beta_2$ равен:

$\sin\beta_2 = \frac{2}{\sqrt{20}}$

Согласно закону Снеллиуса:

$n_1 \sin\alpha_1 = n_2 \sin\beta_2$

$n_1 \frac{4}{\sqrt{20}} = n_2 \frac{2}{\sqrt{20}}$

Из этого уравнения находим соотношение показателей преломления: $4n_1 = 2n_2$, или $n_2 = 2n_1$. Это означает, что вторая среда (заштрихованная) оптически плотнее первой.

2. Теперь рассмотрим второй случай: луч света распространяется из второй среды в первую вдоль прямой 3. Нам нужно определить направление преломлённого луча.

Для падающего луча 3 (во второй среде): горизонтальное смещение — 4 клетки, вертикальное — 2 клетки. Синус угла падения $\gamma_3$ равен:

$\sin\gamma_3 = \frac{4}{\sqrt{4^2 + 2^2}} = \frac{4}{\sqrt{20}}$

Пусть $\delta$ — угол преломления в первой среде. Применим закон Снеллиуса для этого случая:

$n_2 \sin\gamma_3 = n_1 \sin\delta$

Подставим известное соотношение $n_2 = 2n_1$:

$(2n_1) \sin\gamma_3 = n_1 \sin\delta$

$\sin\delta = 2 \sin\gamma_3 = 2 \cdot \frac{4}{\sqrt{20}} = \frac{8}{\sqrt{20}}$

Оценим полученное значение. Так как $4^2=16$ и $5^2=25$, то $\sqrt{20}$ находится между 4 и 5. Точнее, $\sqrt{20} \approx 4.47$. Тогда $\sin\delta = \frac{8}{\sqrt{20}} \approx \frac{8}{4.47} > 1$.

Значение синуса угла не может превышать 1. Результат $\sin\delta > 1$ означает, что преломление света в первую среду невозможно. Вместо этого происходит явление полного внутреннего отражения. Оно возникает, когда свет переходит из оптически более плотной среды в менее плотную, и угол падения превышает так называемый критический угол $\theta_c$.

Критический угол определяется из условия $\sin\theta_c = \frac{n_1}{n_2}$. В нашем случае:

$\sin\theta_c = \frac{n_1}{2n_1} = \frac{1}{2}$

Угол падения луча 3 имеет синус $\sin\gamma_3 = \frac{4}{\sqrt{20}} = \frac{4}{2\sqrt{5}} = \frac{2}{\sqrt{5}} \approx 0.895$.

Поскольку $\sin\gamma_3 > \sin\theta_c$ ($0.895 > 0.5$), угол падения больше критического, и луч 3 полностью отражается от границы раздела сред. Преломлённого луча в первой среде не существует.

Таким образом, среди прямых, показанных на рисунке, нет той, вдоль которой пойдёт луч после преломления, так как преломления не произойдёт.

Ответ: 4) на рисунке нет такой прямой