16.一玻璃柱的折射率 $n=\sqrt{3}$ ,其横截面为四分之一圆,圆的半径为 $R$ ,如图所示。截面所在平面内,一束与 $A B$ 边平行的光线从圆弧入射。入射光线与 $A B$ 边的距离由小变大,距离为 $h$ 时,光线进入柱体后射到 $B C$ 边恰好发生全反射。求此时 $h$ 与 $R$ 的比值。
参考答案$\sqrt{\frac{1}{4-2 \sqrt{2}}}$
2024_全国甲卷 (2024·物理)
16.一玻璃柱的折射率 $n=\sqrt{3}$ ,其横截面为四分之一圆,圆的半径为 $R$ ,如图所示。截面所在平面内,一束与 $A B$ 边平行的光线从圆弧入射。入射光线与 $A B$ 边的距离由小变大,距离为 $h$ 时,光线进入柱体后射到 $B C$ 边恰好发生全反射。求此时 $h$ 与 $R$ 的比值。
【答案】 $\sqrt{\frac{1}{4-2 \sqrt{2}}}$
【解析】
【详解】如图,画出光路图

可知
$$
\frac{\sin \alpha}{\sin \beta}=n=\sqrt{3}
$$
设临界角为 $C$ ,得
$$
\sin C=\frac{1}{n}=\frac{\sqrt{3}}{3}, \quad \cos C=\frac{\sqrt{6}}{3}
$$
根据 $\alpha=\beta+C$ 可得
$$
\frac{\sin (\beta+C)}{\sin \beta}=\sqrt{3}
$$
解得
$$
\tan \beta=\frac{1}{3-\sqrt{2}}
$$
故可得
$$
\sin \beta=\frac{1}{\sqrt{12-6 \sqrt{2}}}
$$
故可知
$$
\frac{h}{R}=\sin \alpha=\sqrt{3} \sin \beta=\sqrt{\frac{1}{4-2 \sqrt{2}}}
$$