На поверхности жидкости с показателем преломления √2 плавает черный диск радиусом 80 см. Под диском вдоль его оси с глубины 1 м начинает подниматься вертикально вверх с постоянной скоростью 5 мм/с точечный источник света. Через какое время источник перестанет быть видимым для внешнего наблюдателя?
от

1 Ответ

дано:  
Показатель преломления жидкости (n) = √2.  
Радиус черного диска (R) = 80 см = 0,8 м.  
Начальная глубина источника света (h_0) = 1 м.  
Скорость подъема источника света (v) = 5 мм/с = 0,005 м/с.

найти:  
Время, через которое источник перестанет быть видимым для внешнего наблюдателя (t).

решение:  
Черный диск будет виден до тех пор, пока свет от точечного источника не выйдет за пределы радиуса диска при преломлении в жидкости. Для этого необходимо расчитать предельный угол θ_critical, под которым свет может покинуть воду и достичь наблюдателя.

Угловой размер, соответствующий радиусу диска, можно выразить с помощью формулы:

sin(θ_critical) = R / h,

где h - это расстояние от поверхности жидкости до источника света.

При этом h = h_0 + vt, где vt — это высота, на которую источник поднимется за время t.

Таким образом, мы можем записать:

sin(θ_critical) = R / (h_0 + vt).

Для выхода света за пределы радиуса диска нужно, чтобы угол θ превышал θ_critical. Угол полного внутреннего отражения можно вычислить из показателя преломления жидкости по формуле:

sin(θ_critical) = 1/n.

Подставляя значение n = √2, получаем:

sin(θ_critical) = 1/√2 ≈ 0,707.

Теперь подставим это значение в уравнение:

0,707 = 0,8 / (1 + 0,005t).

Решим уравнение относительно t:

0,707 * (1 + 0,005t) = 0,8.

Раскроем скобки:

0,707 + 0,003535t = 0,8.

Теперь перенесем 0,707 на правую сторону:

0,003535t = 0,8 - 0,707 = 0,093.

Теперь найдем t:

t = 0,093 / 0,003535 ≈ 26,33 с.

Ответ:  
Источник света перестанет быть видимым для внешнего наблюдателя примерно через 26,33 секунды.
от