Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

Решения задач ЕГЭ

.pdf
Скачиваний:
1384
Добавлен:
10.06.2015
Размер:
5.69 Mб
Скачать

3. Верхний край зеркала разместим на одной прямой с точкой С. Луч из С на зеркало перпендикулярен, т.е. отражение точки С в зеркале будет постоянным.

4.Минимальная высота зеркала, обеспечивающая отражение точки D будет иметь место, исходя из закона отражения, при

h = H2 ;

5. Из проведенных построений видно, что нижний край зеркала будет находиться от пола на расстоянии

s = H2 ;

6. При изменении расстояния L будет изменяться только угол падения и угол отражения, на размер зеркала этот параметр не влияет.

309. Наблюдатель приближается к плоскому зеркалу перпендикулярно его поверхности со скоростью v = 0,5 м/с. С какой скоростью приближается изображение к зеркалу? С какой скоростью изображение приближается к наблюдателю?

Решение

1.Построим изображение источника s, совместив его с глазом наблюдателя. Один луч направим перпендикулярно зеркалу mn,

авторой под произвольным углом. Получим мнимое изображение s*, расположенное на расстоянии, равном расстоянию от зеркала до источника. Таким образом, изображение находится на расстоянии 2х от наблюдателя.

2.Пусть наблюдатель за время t переместится в направлении зеркала на расстояние лится как

Рис. 309. Перемещение изображения

х, скорость при этом опреде-

v = xt ;

3. Изображение при этом переместится на в два раза большее расстояние

v* = 2 tx = 2v ;

Другими словами, к зеркалу изображение приближается со скоростью v = 0,5 м/с, а к наблюдателю изображение приближается со скоростью v* = 1 м/с.

310. Какая часть изображения стрелки видна глазу?

Решение

1.Проводим луч из центра глаза через нижнюю кромку зеркала.

2.Строим луч отражённый от зеркала, который пересечёт стрелку на четверти её длины в точке S.

3.Глаз будет видеть изображение S* которое соответствует четверти длины стрелки, отсчиты-

ваемой от её начала.

Рис. 310. Стрелка в зеркале

121

311. Луч света падает на плоскопараллельную пластинку. На границе раздела воздух − стекло луч испытывает преломление и частичное отражение. Угол между преломлённым и отражённым лучами ζ =

1050. Определить угол падения луча, если угол преломления составляет γ = 250.

Решение

Рис. 311. Преломление света

1. Из тригонометрических соображений:

γ+ ζ =1300; β =1800 (γ + ζ)= 500 ;

2.Угол падения луча равен углу его отражения, поэтому:

α= β = 500 ;

312.Расстояние от предмета до экрана l = 0,9 м. На каком расстоянии от предмета следует расположить линзу, оптическая сила которой D = 5 дптр, чтобы на экране получилось чёткое изображение предмета?

Решение

1. Введём обозначение

a + b = l; b = l−a ,

где а искомое расстояние от предмета до линзы, b расстояние от линзы до экрана.

2. Запишем формулу линзы и выполним следующие преобразования

F1 = d1 + 1f = 1a + 1b ;

F1 = aab+ b ; F = D1 = 0,2м;

3. Введём в последнее уравнение величину l и разрешим полученное уравнение относительно расстояния а:

lF = al − a2; a2 al + lF = 0; a1,2

=

l

±

l2

− lF; ;

 

4

 

2

 

 

a1,2 = 0,45 ± 0,2025 0,18 = 0,45 ±1,5;

a1 = 0,3м;

a2 = 0,6м;

 

 

 

 

 

 

313. Предмет расположен на расстоянии а = 0,4 м от линзы с оптической силой D = 2 дптр. Определить расстояние b от линзы до изображения.

Решение

1. Из формулы тонкой собирающей линзы непосредственно следует:

1

=

1

+

1

=

1

+

1

;

1

=

a + b

; F =

1

= 0,5м;

F

d

f

a

 

b

F

ab

D

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

b =

 

 

Fa

 

 

=

0,2

= 2м;

 

 

 

 

 

 

 

 

 

F a

0,1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

122

314. Собирающая линза с фокусным расстоянием F = 0,1 м формирует мнимое изображение на расстоянии f = 0,15 м. На каком расстоянии l от этого изображения находится предмет?

 

 

 

 

 

 

Решение

 

 

1.

Запишем формулу собирающей линзы для случая мнимого изображения

 

 

 

 

 

1

= 1

1 ;

 

 

 

 

 

 

 

 

F

 

 

 

 

 

 

 

 

d

f

 

 

2.

Разрешим это уравнение относительно искомого расстояния d

 

1

=

f d

; df = Ff Fd;

df + Fd = fF; d =

Ff

= 0,06м;

 

 

F

df

f + F

 

 

 

 

 

 

 

 

l = f d = 0,09м,

потому что изображение предмета будет мнимым и увеличенным.

315. Главное фокусное расстояние рассеивающей линзы равно F = 12 см. Изображение предмета находится на расстоянии f = 9 см от линзы. Чему равно расстояние от предмета до линзы?

 

 

 

 

 

 

Решение

 

 

 

1

=

1

1

; d =

fF

=

9 12

= 36 см;

F

d

f

F f

3

 

 

 

 

 

 

316. Мнимое изображение предмета в рассеивающей линзе находится на расстоянии в два раза меньшем, чем расстояние от линзы до предмета. Найти расстояние от линзы до изображения, если фокусное расстояние F = 50 см.

 

 

 

 

 

 

Решение

 

 

 

1

=

1

1

; d = 2f ; F =

fd

; f =

F

= 25 см;

F

d

f

2f f

2

 

 

 

 

 

 

317. Расстояние от предмета до экрана, где получается чёткое изображение предметаl = 4 м. Изображение в 3 раза больше самого предмета. Найти фокусное расстояние линзы.

 

Н

 

f

 

 

Решение

 

 

 

 

3 l;

Γ =

=

= 3; f = 3d;

d + f = l;

l = d + 3d; d =

l

;

f =

h

d

 

 

 

 

df

= df

= 3l

4

 

 

4

 

 

 

 

F =

= 0,75м;

 

 

 

 

 

 

 

d + f

 

 

 

 

 

 

 

 

l

16

 

 

 

 

 

318. На экране с помощью тонкой линзы с фокусным расстоянием F = 40 см получено чёткое изображение предмета с пятикратным увеличением. На каком расстоянии d от линзы находится предмет?

 

 

 

 

 

Решение

 

 

 

 

 

Γ =

Н

=

f

= 5;

f = 5d; F =

fd

=

5 d;

d =

6F

= 48см;

h

d

f + d

5

 

 

 

 

 

6

 

 

123

319. Высота изображения человека ростом h = 160 см на матрице профессионального полноформатного цифрового фотоаппарата равна H = 2 см. Найти оптическую силу объектива фотоаппарата, если человек сфотографирован с расстояния d = 9 м.

 

H

 

f

 

 

 

 

2

 

 

Решение

 

 

 

 

Γ =

=

=

 

 

 

 

= 0,0125; f = 0,0125d = 0,1125м;

h

d

160

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

D =

1

+

1 ; D =

d + f

 

=

 

9

9;

 

 

d

df

1,0125

 

 

 

 

 

 

f

 

 

 

320. В стекле с показателем преломления n1 = 1,52 имеется сферическая полость радиусом R = 3 см, заполненная водой (n2 = 1,33). На полость падает параллельный пучок света. Определить радиус светового пучка, проникающего внутрь полости.

Решение

1. Чтобы лучи света не попали в полость, угол преломления должен быть равен 90о, его величина определяется законом прелом-

 

ления

 

n2

 

 

 

sinα0

=

;

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n1

 

 

2. Предположим, что радиус проникаю-

 

щего светового пучка равен r, из геометриче-

Рис. 320. Световой пучок в полости ских соображений

 

 

 

 

 

 

r = Rsinα0 = R

n1

 

= 3

1,33

2,63 см;

n2

 

 

 

1,52

 

321. На боковую грань равнобедренной призмы падает луч, параллельный основанию призмы. При каком условии, луч, пройдя призму, не изменит своего направления?

Решение

1. Луч при заданных условиях не именит своего первоначального направления, если, помимо двух преломлений на гранях призмы, он испытает полное внутреннее отражение от основания призмы, куда он должен попасть под углом, превышающим значение угла пре-

Рис.321.1. Полное отражение дельного отражения. 2. Закон отражения позволяет записать:

β1 = α3; α1 3 ;

3.Если точка отражения от основания будет расположена на его середине, то вышедший луч не только сохранит направление вошедшего луча, но и будет лежать на его продолжении.

4.Определим, при каких значениях показателя преломления материала призмы такое явление будет возможным. Полное внутреннее отражение происходит при

124

α2 arcsin n1 ;

5.Запишем соотношения между углами

90o +β =

γ

+ α

;

α =

γ

 

;

sinβ =

sin α1

;

β ≥

γ

+ arcsin

1

90o ;

 

 

 

 

 

 

 

1

2

2

 

1

2

 

1

 

 

n

 

 

 

1

2

 

n

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

γ

 

 

γ

 

 

 

1

 

;

 

 

 

 

 

 

 

 

 

sin

 

 

≥ −n cos

 

 

+ arcsin

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

2

n

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

6. Чтобы последнее соотношение выполнялось необходимо, чтобы:

γ

+ arcsin

1

90o ;

 

1

cos

γ

;

2

n

n

2

 

 

 

 

 

7. Если использовать призму с γ = 90о, что чаще всего и делается на практике, то:

n

1

= 2 ;

cos45o

 

 

8. Последнее условие выполняется практически для всех сортов стекла. Поворотные призмы, они именно так называются, широко применяются в оптических устройствах, где необходимо переворачивать

изображение, например в Рис. 3212.. Зеркальная фотокамера

зеркальных фотокамерах и биноклях.

322. Дифракционная решётка имеет 120 штрихов на 1 мм. Найти длину волны монохроматического света, падающего на решётку, если первый максимум наблюдается под углом ϕ, причём sinϕ = 0,06.

 

1

 

 

1

Решение

dsin ϕ = mλ; d =

=

8,3 106 м; m =1; λ = dsin ϕ 500нм;

N

1,2 105

 

 

 

323.. Во сколько раз увеличится расстояние между соседними интерференционными полосами на экране в опыте Юнга, если зелёный светофильтр (λ1 = 500 нм) заменить красным фильтром (λ2 = 650 нм)?

Решение

1. Уравнение интерференционного максимума и минимума, применительно к опыту Юнга, можно представить следующим образом

ξmax = k Ld λ; (k = 0,1,2,3K) ;

Рис.323. Схема опыта Юнга

125

 

1

 

L

 

ξmin = k +

 

 

 

λ; (k = 0,1,2,3K) ;

2

 

 

d

 

2. В данном случае расстояния между полосами и ширина полос будут одинаковыми, поэтому

ξ = ξmin −ξmax = Ld λ ;

3. Расстояния между интерференционными полосами при использовании зелёного и красного светофильтра определятся как:

ξ =

L

 

λ

;

 

 

 

 

 

 

 

 

d

 

 

ξ2

 

λ2

 

 

1

1

 

 

=

=1,3;

 

 

L

 

 

 

ξ1

λ1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ξ2 =

 

 

 

λ2 ;

 

 

 

 

 

 

 

 

d

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

324. На дифракционную решётку нормаль-

 

 

 

 

но падает поток белого света. Чтобы увидеть

 

 

 

 

красную линию (λ = 700 нм) второго порядка

 

 

 

 

зрительную

трубу пришлось устанавливать

 

 

 

 

под углом Θ = 30о к оси коллиматора. Найти

 

 

 

 

постоянную дифракционной решетки d и коли-

 

 

 

 

чество штрихов N0, приходящихся на единицу

 

 

 

 

длины.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Решение

 

 

 

 

 

 

 

1. Запишем формулу дифракционной ре-

 

 

 

 

шётки

 

 

 

 

dsin ϕ = kλ ;

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2. Определим период решётки для k =2

Рис. 324. Дифракционная решётка

 

 

 

 

 

d =

 

2λ

2,8 106 м;

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

sin ϕ

3. Количество штрихов, приходящихся на единицу длины

N0 = d1 3,57 105 м1 ;

325. Какое число штрихов N0 на единицу длины имеет дифракционная решётка, если зелёная линия ртути (λ = 546,1 нм) в спектре первого порядка наблюдается под углом ϕ = 19о8?

Решение

1. Запишем уравнение дифракционной решётки dsin ϕ = kλ ;

2. Перепишем формулу с учётом взаимосвязи периода решётки d и числа штрихов, приходящихся на единицу длины

N0

=

1

;

sin ϕ

= kλ ,

d

 

 

 

 

N0

откуда величина N0 определится как

N0

=

sin ϕ

600

1

;

kλ

мм

 

 

 

 

126

326. На узкую щель шириной а = 20 мкм нормально падает параллельный пучок света (λ = 500 нм). Найти ширину А изображения щели на экране, удалённом от неё на расстояние L = 1 м. В качестве ширины изображения принять расстояние между первыми дифракционными минимумами, по обе стороны от главного максимума освещённости.

Решение

1. Как видно из рис. 17.60

A2 = Ltgϕ ;

2. При достаточной малости угла ϕ, а этому есть основания при сравнении а и L, можно тангенс заменить синусом

tgϕ sin ϕ; A = 2Lsin ϕ;

3. Запишем условие максимума интенсивности Imax и выразим sinϕ при k = 1

a sin ϕ = kλ;

4. С другой сторны

Рис. 326. Дифракция на щели

sin ϕ = 2AL ;

sin ϕ =

λ

;

A =

2Lλ

0,05 м ;

a

a

 

 

 

 

327. Безоблачным солнечным деньком, расположившейся на дне водолаз ростом h = 1,7 м увидел на спокойной поверхности воды отражение всех участков дна, расположенных от него на расстоянии х = 10 м и более. Определить глубину водоёма.

Решение

1.

Рассмотрим луч падающий

на

поверхность раздела сред (вода воз-

дух) под углом α0 полного отражения

 

sinα0 =

1

;

 

 

 

 

 

 

n

 

2.

Расстояние от водолаза до грани-

цы видимого участка дна определится

как:

x = AE + DE;

Рис. 327. Водолаз

 

x= Htgα0 +(H h)tgα0 ;

3.После преобразований:

x= Htgα0 + Htgα0 htgα0 = (2H h)tgα0 ;

 

 

 

sin α0

 

 

 

sin α0

 

 

 

1

 

 

 

 

1

 

 

 

tgα0 =

=

 

 

 

=

 

n

=

 

;

 

cosα0

 

 

1sin2 α0

 

1

 

 

n2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

2H h

 

 

 

h

 

x

 

 

1

n2

 

 

 

 

 

 

x =

;

H =

+

n2

1 = 0,85 +5

1,332

1 5,2 м;

 

 

 

 

n2 1

 

2

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

127

328. Луч света направлен так, что испытывает полное внутренне отражение на границе воды и воздуха. Сможет ли этот луч выйти в воздух, если на поверхность воды налить прозрачное масло?

 

 

 

 

 

Решение

 

1. Показатель преломления воды при-

 

нимается обычно равным n1 = 1,33, а пока-

 

затель преломления, например, подсол-

 

нечного масла равен n3 = 1,47, т.е. угол

 

полного отражения для масла, при прочих

 

равных условиях, меньше чем у воды.

 

2. Запишем закон преломления для

Рис. 328. Масло на воде

масла и воды

 

 

 

 

 

sinα

=

n3

;

sin γ =

n1 sin α

;

 

 

sinγ

 

 

 

 

 

n1

 

n3

sin γ 0,9sin α;

γ > α ,

 

 

 

т.е. если при заданном угле α луч на проникает в воздух, то при покрытии поверхности воды слоем масла, луч из воды не проникнет в воздух, потому что

sinγ > 1 ; n3

329. На дне сосуда, наполненного водой до высоты h, находится точечный источник света S. На поверхности воды плавает диск так, что его центр О находится над точечным источником света. При каком минимальном радиусе диска ни один луч не выйдет через поверхность воды? Показатель преломления воды n.

Решение

1. Построим луч, исходящий из источника S, который отразившись от поверхности не проникнет в воздух, т.е луч пойдёт под углом полного внутреннего отражения. Для этого луча справедливо соотношение:

 

sin α0 =

1

;

 

 

 

 

n

Рис. 329. Диск на воде

2. Все лучи, для которых α α0 испыты-

вают полное внутреннее отражение и в воз-

 

душную среду не попадают.

3.Если высоту слоя воды обозначить как h, а радиус диска через R, то из прямоугольного треугольника SOA следует, что:

R= OA = htgα0 ;

4.Последнее уравнение представляет собой математическое условие не вы-

хода луча в воздух

h

sin α0

= R; R =

 

h

; cosα0 =

 

 

R

;

 

n cosα0

h2

+ R2

 

cosα0

 

 

 

 

R =

h h2 + R2

; R =

h

 

;

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

nR

 

 

 

n2 1

 

 

128

330. Высота сваи железнодорожного моста H = 10 м. Глубина водоёма h = 6 м. Какова длина тени сваи на дне водоёма, если солнечные лучи света падают под углом 40о к горизонту?

Решение

1.Угол падения лучей относительно нормали к поверхности воды

α= 90о 400 = 600 ;

2.Поиск длины тени в данном случае сво-

дится к определению длины отрезков х1 и х2. Величину х1 можно определить из прямоуголь-

ного треугольника АОС в котором известен

 

Рис. 330. Тень на дне от сваи

один из катетов и угол

H h

 

 

H h

 

4

 

tg(90o −α)=

;

x1 =

=

4,76 м ;

 

tg40o

0,84

 

x1

 

 

 

3. Запишем далее закон преломления и определим величину угла преломления γ

sinsinαγ = n; γ = arcsin sinnα = arcsin0,65 = 40o ;

4. Из прямоугольного треугольника ВОD определим величину х2

tgγ =

x2

; x2 = htgγ = 6 0,84 = 5 м;

h

 

 

5. Длина тени на дне водоёма

X= x1 + x2 = 9,76 м;

331.В дно озера и на берегу вбиты две вертикальные сваи высотой h = 1,5.м. Определить: а) зависимость между длинами их теней, образуемых солнечными лучами; б) длину тени на дне озера. Лучи Солнца падают на поверх-

ности под углом δ = 30о. Глубина озера превышает длину сваи.

Решение

1. Длину береговой тени определим из прямоугольного треугольника ABC

x1 = BC = AC tg(90о −δ)= h tg60о 2,6 м;

2.Определим угол преломления γ sinsinαγ = n; γ = arcsin sinnα 41o ;

3.Определим длину тени в воде

tgγ =

x2

; x2 = h tgγ =1,3 м ;

 

 

 

h

 

 

Рис. 331. Две сваи одинаковой высоты

 

 

 

 

 

 

 

 

4. Отношение длин теней в воздухе и

воде

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x

1

=

htg60o

 

1,73

= 2;

 

 

 

x2

htg400

0,87

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

129

7. Специальная теория относительности

332. В результате аннигиляции электрона массой m и позитрона массой m образуется квант электромагнитного излучения. Какова максимальная энергия этого кванта?

Решение

1. В соответствии с уравнением Оливера Хевисайда: E = mc2; E = (m + m)c2 = 2mc2 ;

333. При проведении опытов учёные обнаружили явление образования пар «электрон и позитрон». Чему равна минимальная суммарная энергия пар? Энергия покоя электрона составляет Еe = 0,5 МэВ.

Решение

1.Позитрон является античастицей электрона: заряд +е, m 1 10 30 кг, поэтому позитрон имеет такую же энергию покоя, как и электрон.

2.Минимальная энергия пары будет равна суммарной энергии покоя частиц, т.е.

EΣ = E1 + E2 = 2Ee =1 МэВ;

334. Звезда каждую секунду испускает излучение с суммарной энергией около ζ= 18 1026 Дж/с. В результате этого масса звезды уменьшается на Δμ = Х 1010 кг. Определить значение Х.

Решение

ζ = μс2 = X 1010 9 1016 ; 18 1026 = X 926; X = 2;

335. Куб ребро которого L0 = 1 м, движется по отношению к земному наблюдателю со скоростью v = 0,75c. Вектор скорости перпендикулярен двум противоположным граням куба. Определить объём куба относительно земного наблюдателя.

Решение

1.Основой современной теории относительности, в отличие от принципов относительности Галилея, является постулирование постоянства скорости света, как максимально возможной в Природе. Знаменитый Советский физик А.И. Китагородский, предваряя изложение теории относительности, написал: «На первый взгляд принцип постоянства скорости света противоречит «здравому смыслу». Поэтому желательно, прежде чем мы начнем выводить следствия из теории относительности, указать непосредственные опытные доказательства его справедливости».

2.Вопрос необходимости доказательств поставлен Китайгородским вполне

уместно, потому что, несмотря на доступность, свет как объект физического

130