题号:6611    题型:解答题    来源:2020-2022年高考物理光学专题训练(Kmath科数青春回忆版)
超强超短光脉冲产生方法曾获诺贝尔物理学奖,其中用到的一种脉冲激光展宽器截面如图所示。在空气中对称放置四个相同的直角三棱镜,顶角为$\theta$ 。一细束脉冲激光垂直第一个棱镜左侧面入射,经过前两个棱镜后分为平行的光束,再经过后两个棱镜重新合成为一束,此时不同频率的光前后分开,完成脉冲展宽。已知相邻两棱镜斜面间的距离 $d=100mm$,脉冲激光中包含两种频率的光,它们在棱镜中的折射率分别为 $n_1=\sqrt{2}$ 和 $n_2=\frac{\sqrt{31}}{4}$ 。取 $\sin 37^{\circ}=\frac{3}{5}, \cos 37^{\circ}=\frac{4}{5}, \frac{5}{\sqrt{7}}=1.890$ 。
(1)为使两种频率的光都能从左侧第一个棱镜斜面射出, 求 $\theta$ 的取值范围;
(2)若 $\theta=37^{\circ}$, 求两种频率的光通过整个展宽器的过程中, 在空气中的路程差 $\Delta L$ (保留 3 位有效数字)。
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答案:
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【详解】(1)由几何关系可得, 光线在第一个三梭镜右侧斜面上的入射角等于 $\theta$, 要使得两种频率的光都从 左侧第一个棱镜斜面射出, 则 $\theta$ 需要比两种频率光线的全反射角都小, 设 $\mathrm{C}$ 是全反射的临界角, 根据折射 定律得
$$
\sin C=\frac{1}{n}(1)
$$
折射率越大, 临界角越小, 代入较大的折射率得
$$
C_{\min }=45^{\circ}(2)
$$
所以顶角 $\theta$ 的范围为
$$
0 < \theta < 45^{\circ}\left(\text { 或 } \theta < 45^{\circ}\right. \text { )(3) }
$$
(2)脉冲激光从第一个三棱镜右侧斜面射出时发生折射, 设折射角分别为 $\alpha_1$ 和 $\alpha_2$, 由折射定律得
$$
\begin{aligned}
& n_1=\frac{\sin \alpha_1}{\sin \theta}(4) \\
& n_2=\frac{\sin \alpha_2}{\sin \theta}
\end{aligned}
$$
设两束光在前两个三棱镜斜面之间的路程分别为 $L_1$ 和 $L_2$, 则
$$
\begin{gathered}
L_1=\frac{d}{\cos \alpha_1} \text { (6) } \\
L_2=\frac{d}{\cos \alpha_2}(7) \\
\Delta L=2\left(L_1-I_2\right)(8)
\end{gathered}
$$
联立(4)(5)(6)(7)(8)式, 代入数据得
$$
\Delta L=14.4 \mathrm{~mm}(9)
$$
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