Стеклянная призма с преломляющим углом ϕ = 30° находится в воздухе и лежит на плоском зеркале. Определите угол падения луча на верхнюю грань призмы (рис. 123), если при отражении от зеркала направление распространения луча изменяется на противоположное. Абсолютный показатель преломления стекла n = 1,7.
от

1 Ответ

Дано:
- преломляющий угол призмы ϕ = 30°;
- абсолютный показатель преломления стекла n = 1,7.

Найти: угол падения луча на верхнюю грань призмы α.

Решение:

1. Углы преломления и падения можно связать через закон Снеллиуса:

n1 * sin(α) = n2 * sin(β),

где n1 = 1 (воздух), β = ϕ - α.

Подставим:

sin(α) = 1,7 * sin(30° - α).

2. Значение sin(30°) равно 0,5:

sin(α) = 1,7 * sin(30° - α).

3. Используем формулу для синуса разности:

sin(30° - α) = sin(30°) * cos(α) - cos(30°) * sin(α).

Значения:
cos(30°) = √3/2 ≈ 0,866.

Таким образом:

sin(30° - α) = 0,5 * cos(α) - 0,866 * sin(α).

4. Подставляем это в уравнение:

sin(α) = 1,7 * (0,5 * cos(α) - 0,866 * sin(α)).

5. Раскроем скобки:

sin(α) = 0,85 * cos(α) - 1,7 * 0,866 * sin(α).

6. Приведем подобные члены:

sin(α) + 1,7 * 0,866 * sin(α) = 0,85 * cos(α).

7. Обозначим k = 1 + 1,7 * 0,866:

k * sin(α) = 0,85 * cos(α),
где k ≈ 1 + 1,7 * 0,866 ≈ 1 + 1,469 ≈ 2,469.

8. Теперь подставим выражение для cos(α):

cos(α) = √(1 - sin²(α)).

9. Подставим это в уравнение:

2,469 * sin(α) = 0,85 * √(1 - sin²(α)).

10. Квадратируем обе стороны:

(2,469 * sin(α))² = (0,85)² * (1 - sin²(α)),
6,113 * sin²(α) = 0,7225 * (1 - sin²(α)).

11. Раскроем скобки:

6,113 * sin²(α) = 0,7225 - 0,7225 * sin²(α).

12. Переносим все слагаемые в одну сторону:

(6,113 + 0,7225) * sin²(α) = 0,7225,
6,8355 * sin²(α) = 0,7225,
sin²(α) = 0,7225 / 6,8355 ≈ 0,105.

13. Извлекаем корень:

sin(α) ≈ √0,105 ≈ 0,324.

14. Находим угол падения:

α ≈ arcsin(0,324) ≈ 18,9°.

Ответ: угол падения луча на верхнюю грань призмы α ≈ 18,9°.
от