На поверхности водоема глубиной 5 м плавает фанерный круг радиусом 1 м, над центром которого на высоте 2 м расположен точечный источник света. Определите радиус тени на дне водоема от круга. Показатель преломления воды 1,33.
от

1 Ответ

дано:  
Глубина водоема (h) = 5 м.  
Радиус круга (r_circle) = 1 м.  
Высота источника света над поверхностью воды (h_source) = 2 м.  
Показатель преломления воды (n_water) = 1,33.

найти:  
Радиус тени на дне водоема (r_shadow).

решение:  
Сначала определим расстояние от источника света до поверхности воды. Это расстояние равно высоте источника света:

h_total = h_source + h = 2 м + 5 м = 7 м.

Далее, для нахождения радиуса тени на дне водоема воспользуемся законом преломления света и геометрией. Для этого необходимо рассчитать угол падения света на границе раздела сред.

Угол падения на границе воды и воздуха можно найти по следующей формуле:

sin(φ1) / sin(φ2) = n_water,

где φ1 — угол падения в воздухе, φ2 — угол преломления в воде.

Зная, что свет проходит из воздуха в воду, можем записать:

sin(φ2) = sin(φ1) / n_water.

Теперь найдем угол преломления φ2. Поскольку мы знаем, что свет идет от точечного источника к краям круга, можем выразить tan(φ1) через радиус круга и высоту:

tan(φ1) = r_circle / h_total = 1 / 7.

Используя тригонометрические соотношения, получаем:

sin(φ1) = tan(φ1) / sqrt(1 + tan^2(φ1)).

Теперь подставим значение tan(φ1):

sin(φ1) = (1/7) / sqrt(1 + (1/7)^2) = (1/7) / sqrt(1 + 1/49) = (1/7) / sqrt(50/49) = (1/7) * (7/sqrt(50)) = 1/sqrt(50).

Теперь можем найти sin(φ2):

sin(φ2) = sin(φ1) / n_water = (1/sqrt(50)) / 1,33.

Для дальнейших расчетов нужно вычислить sin(φ2):

sin(φ2) ≈ (0,1414) / 1,33 ≈ 0,1064.

Теперь найдем угол φ2:

φ2 = arcsin(0,1064).

После получения угла φ2, используем его для вычисления радиуса тени на дне водоема. Радиус тени будет равен:

r_shadow = h * tan(φ2).

Так как h — это глубина водоема (5 м), подставляем значения:

r_shadow = 5 * tan(arcsin(0,1064)).

Расчитаем это значение:

tan(φ2) = sin(φ2) / sqrt(1 - sin^2(φ2)) = 0,1064 / sqrt(1 - (0,1064)^2) ≈ 0,1064 / sqrt(0,9886) ≈ 0,1064 / 0,9943 ≈ 0,107.

Таким образом, радиус тени:

r_shadow ≈ 5 * 0,107 ≈ 0,535 м.

Ответ:  
Радиус тени на дне водоема составляет приблизительно 0,535 м.
от