東大物理 '19 年前期 [3] 光の屈折に関する以下の設問T,Uに答えよ。問題文中の屈折率は真空に対する屈折率 ( 絶対屈折率 ) とする。また、角度は全てラジアンで表す。光源からは全方位に光が放射されているものとする。光の反射は無視してよい。 T 図 3-1 に示すように、媒質 1( 屈折率 ) と媒質 2( 屈折率 ) の境界での光の屈折を考える。境界は点 O を中心とする半径 r の球面の一部であり、左に凸とする。点 O と光源 ( 点 C) を通る直線を x 軸とし、球面が x 軸と交わる点を B とする。光源は点 B から左に だけ離れており、そこから発した図中の太矢印方向の光線は、 x 軸から高さ h の球面上の点 P で屈折する。このときの入射角を ,屈折角を とする。 境界の右側から光源を見ると、あたかも光源が点 A( 点 B から左に だけ離れた位置 ) にあるように見える。本設問Tおよび次の設問Uでは、これを「見かけ上の光源」と呼ぶことにする。以下、入射角が微小となる光線を考える。すなわち、図中の角度 , , , , ϕ について微小角度 β に対する近似式 が成り立ち、 , と近似できる場合を考える。以下の問いに答えよ。 (2) , をそれぞれ , , ϕ の中から必要なものを用いて表せ。 (3) , , ϕ をそれぞれ , , r , h の中から必要なものを用いて表せ。 (4) 問 (1) 〜 (3) で得た関係式を組み合わせることで ( 式 1) が導かれる。 , を用いて空欄 , を埋め、この式を完成させよ。 ・・・ ( 式 1)
U (1) 図 3-3 に示すように、屈折率 の媒質 1 に光源があり、屈折率 の媒質 2 に観察者がいる。媒質 1 と媒質 2 の境界は平面であり、 ( 式 1) において r が非常に大きい場合 ( ) とみなすことができる。境界から光源までの距離を ,境界から観察者までの距離を ,光源から観察者までの距離を とするとき、観察者から設問Tで述べた「見かけ上の光源」までの距離を , , , を用いて表せ。 (3) 設問U (2) で置いた板を取り除いたのち、媒質 1 と媒質 2 の境界を図 3-5 の (A) または (B) のように変形させた。変形した部分は半径 r の球の一部とみなすことができる。ただし、境界面の最大変位 δ は , に比べて十分小さく無視してよい。いま、 , , , とする。このとき、変形した部分を通して見ると、観察者から 4m の位置に「見かけ上の光源」が見えた。この場合の球面は下に凸 [ 図 3-5(A)] 、または上に凸 [ 図 3-5(B)] のうちのいずれであるか。 (A) または (B) の記号で答えよ。さらに、 r の値を求めよ。 (4) 設問U (3) の状況で、観察者の位置に厚さの無視できる薄いレンズを一つ置き、その上から見たところ、「見かけ上の光源」が光源の位置 ( レンズから 3m の位置 ) に見えた。このとき、凸レンズと凹レンズののどちらを用いたか答えよ。また、このレンズの焦点距離を求めよ。
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解答 考えるところはありません。言われた通りに解答するだけです。 T (1) 屈折の法則 より、 , , として、 ......[ 答 ]
(2) 図 3-1 より、 , ......[ 答 ]
(3) 図 3-1 において、 , より、 , , , , , より、 , , ......[ 答 ]
(4) (1) の結果より、 これに、 (2) , (3) の結果を代入することにより、
∴ ・・・ ( 式 1) [ ア ] [ イ ] ......[ 答 ] (5) 図 3-2(A) と図 3-1 との違いは、 (2) の , が、 , となる点です。よって、 ( 式 1) は、図 3-2(A) では、 ......[ 答 ] ・・・@ 図 3-2(B) と図 3-1 との違いは、 (2) の , が、 , となる点です。よって、 ( 式 1) は、図 3-2(B) では、 ......[ 答 ] ・・・A U (1) ( 式 1) で とすると、 ∴ ・・・B Bは、@,Aで としても得られます。本問では、Bを、屈折率 の媒質中に光源があって、屈折率 の媒質中に観察者がいる場合について、光源までの真の距離 と、「見かけ上の光源」までの距離 の関係式として考えよう、ということになります。 図 3-3 では、Bで とすると、「見かけ上の光源」までの距離は、 となります。観察者から「見かけ上の光源」までの距離は、 ......[ 答 ]
(2) 屈折率 の透明板内最下部に光源があり、これを屈折率 の媒質 2 から見るときの「見かけ上の光源」までの距離は、Bで とすると、 このとき、観察者から「見かけ上の光源」までの距離は、 (1) の結果より、
......[ 答 ]
(3) 図 3-5[A] では、光源の方に向って凸になるので、観察者から「見かけ上の光源」までの距離を 4 として、 ( 式 1) において、 , , , とすると、 となってしまうので不適です。 図 3-5[B] では、光源の方に向って凹になり、@でもAでも同じ式であって、ここで、 , , , とすると、 となるので、この場合の球面は (B) ......[ 答 ] ,また、 ......[ 答 ]
(4) レンズの公式 : において、 , ( 像が光源側にできる ) とすると、 よって、 となり、レンズは凹レンズ ......[ 答 ] ,その焦点距離は、 12[m] ......[ 答 ] 【広告】ここから広告です。ご覧の皆さまのご支援ご理解を賜りたく、よろしくお願いいたします。
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