НЕСФ 2017, Специална тема — Задача 3. Небесна дъга
Национално есенно състезание по физика, 17 – 19 ноември 2017 г., Варна — Специална тема (шеста състезателна група) · 17 ноември 2017 г. · 10 т.
Условие
След дъжд, когато в небето все още има дъждовни капки, а слънцето вече ги огрява, се наблюдава небесна дъга. Явлението се състои в наблюдаването на цветни дъги от концентрични окръжности. Ъгловият радиус на дадена дъга се дефинира като ъгълът , който сключват пристигащия от дъгата към наблюдателя светлинен лъч и направлението от наблюдателя към центъра на окръжността на дъгата ().
Оказва се, че това явление (неговите параметри, като ъглови радиуси на наблюдаваните дъги, тяхното ъглово разпределение по цветове и поляризацията на наблюдаваната светлина) задоволително се обяснява на езика на геометричната оптика, изследвайки как светлинен лъч преминава през водна капка със сферична форма.
Полезна теория, математика и фундаментални константи:
Гравитационна константа G = N.m/kg
, за
Когато тяло с маса се движи със скорост спрямо една неинерциална отправна система, въртяща се с ъглова скорост , на тялото действа допълнителна инерчна сила, наречена Кориолисова:
Косинусова теорема: В триъгълник със страни , , и ъгли срещу тези страни , , , е изпълнено равенството
Първата производна на обратната тригонометрична функция е
При падане на светлинен лъч на границата на два прозрачни (непоглъщащи) диелектрика, част от него се отразява, а част от него се пречупва. Нека ъгълът на падане е , а ъгълът на пречупване е . Нека интензивността на падащия лъч е , на отразения е , а на преминалия е . Тогава . Нека коефициентът на отражение е . Ако падащата светлина е линейно поляризирана в равнината на падане (определена от падащия лъч и нормалата към повърхността), то . Ако падащата светлина е линейно поляризирана в направление, перпендикулярно на равнината на падане, то .
При отражение и пречупване неполяризираната светлина количествено може да се опише (държи се) като два линейно поляризирани снопа светлина с равни интензивности и поляризирани в две взаимно перпендикулярни направления.
а) Нека ъгълът на падане на лъч върху повърхността на капка (кълбо) е , ъгълът на пречупване е , а ъгълът на отклонение на светлинния лъч (дължащо се на пречупване на лъча при влизане, на на брой вътрешни отражения и на второто пречупване при излизане на лъча от капката) е (). Показателят на пречупване на водата е , а на въздуха може да се приеме за единица. Получете формула за . [2 т.]
б) Оказва се, че функцията (при – фиксирани параметри) има екстремум при дадено . Знаейки стойността на , може да се пресметнат съответно , и . съответства на ъгловия радиус на наблюдаваната дъга. Получете формула за . [2,5 т.]
в) Показателят на пречупване на водата за някои дължини на вълни (за средата и двата края на видимия диапазон) е даден в таблицата. Изчислете , , и (в градуси) за дадените три дължини на вълните и за (първа дъга) и (втора дъга). Нарисувайте схематично двете дъги с разпределението на цветовете в тях и отбележете ъгловите им радиуси. [2.5 т.]
| , nm | цвят | |
|---|---|---|
| 400 | 1.344 | виолетов |
| 550 | 1.334 | жълт |
| 700 | 1.331 | червен |
[2,5 т.]
г) Слънчевата светлина, която осветява водните капки, е неполяризирана. Светлината, идваща от дъгите, обаче, се оказва частично поляризирана. Частично поляризираната светлина количествено се описва с числото ( се нарича степен на поляризация), където и са съответно максималната и минималната стойност на интензивността на светлината, която преминава през поляризатор, който последователно е завъртян на всички възможни ъгли в равнината, перпендикулярна на изследвания лъч. Изчислете степента на поляризация и за жълтата светлина, идваща съответно от първата и втората дъга. Добавете със стрелкички на схемата от подусловие в) направлението на доминиращата поляризация на светлината от дъгите. [3 т.]
Отговори
а)
б)
в) За : (400 nm), (550 nm), (700 nm); за : (400 nm), (550 nm), (700 nm). Пълната таблица е в решението.
г)
Второто търсено число е (допуск ). Светлината от двете дъги е поляризирана тангенциално на дъгите.
Решение
а) Ъгълът на отклонение се пресмята, като се сумират последователно ъглите на отклонение при първото пречупване при влизане на лъча в капката, на брой вътрешни отражения и при второто пречупване при излизане на лъча от капката: (виж чертежа при ). [1 т.] Тъй като [0.5 т.], то [0.5 т.].
б) Екстремум ще има при , следователно [1 т.], откъдето . [1.5 т.]
в) Изчислените ъгли са дадени в таблицата по-долу:
| , nm | , ° | , ° | , ° | , ° | ||
|---|---|---|---|---|---|---|
| 1 | 400 | 1.344 | 58.77 | 39.51 | 139.50 | 40.50 |
| 1 | 550 | 1.334 | 59.35 | 40.16 | 138.06 | 41.94 |
| 1 | 700 | 1.331 | 59.53 | 40.36 | 137.62 | 42.38 |
| 2 | 400 | 1.344 | 71.49 | 44.87 | 233.76 | 53.76 |
| 2 | 550 | 1.334 | 71.81 | 45.41 | 231.16 | 51.16 |
| 2 | 700 | 1.331 | 71.91 | 45.58 | 230.34 | 50.34 |
Схемата трябва да съдържа двете дъги. Първата е вътрешна с виолетовия цвят отвътре и червения отвън. Втората е външна, с обърнати цветове и почти два пъти по-широка. [2.5 т.]
г) Тъй като всички лъчи (паднали, пречупени и вътрешно отразени) лежат в една равнина, то ако пада линейно-поляризиран лъч с успоредна (или перпендикулярна) поляризация, тя остава такава и за всяко следващо отражение (пречупване). Освен това, тъй като дадените формули (на Френел) са симетрични относно размяната на ъглите и , то коефициентът на отражение при влизането на лъча, при вътрешното отражение и при излизането на лъча е един и същ. Следователно, ако пада лъч с интензивност , то излезлият от капката лъч ще има интензивност , като коефициентът на отражение е различен за двете поляризации (успоредна и перпендикулярна). [0.5 т.] Степента на поляризация е свързана с коефициентите на отражение така: при или , ако . [0.5 т.]
Изчислените стойности на търсените величини са дадени в таблицата по-долу. Светлината от дъгите е силно линейно-поляризирана, и за двете дъги в направление, тангенциално на дъгите, като светлината от първата дъга е с по-голяма степен на поляризация от тази на втората. [2 т.]
| , nm | , ° | , ° | |||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 1 | 550 | 1.334 | 59.35 | 40.16 | 0.00340 | 0.1111 | 0.00337 | 0.08778 | 0.926 |
| 2 | 550 | 1.334 | 71.81 | 45.41 | 0.06520 | 0.2500 | 0.00371 | 0.03516 | 0.809 |

Оригинал в Архива: esenni_2017_STproblems.pdf · официални решения: esenni_2017_STsolutions.pdf