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[提问] 确定光的折射点

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发表于 2015-10-16 18:43:51 | 显示全部楼层 |阅读模式

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如图所示,光线经A点,跨过分界的直线CD,折射后经过B点。AC垂直于CD,BD垂直于CD。设AC=a,BD=b,CD=m,光线在折射前的速度为v1,折射后的速度为v2。E为折射点。
如何确定E的位置?(比如说,求出DE或CE)

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毋因群疑而阻独见  毋任己意而废人言
毋私小惠而伤大体  毋借公论以快私情
发表于 2015-10-16 20:16:52 | 显示全部楼层
解方程不就得了  问题太明显
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 楼主| 发表于 2015-10-16 20:21:51 | 显示全部楼层
我知道解方程,可真的解起来呢?
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发表于 2015-10-16 20:38:31 | 显示全部楼层
$|DE|=argmin_x\{\sqrt{a^2+(m-x)^2}/v_1+\sqrt{b^2+x^2}/v_2\}$

函数求导,

导数$=0$,

解方程。

人工太麻烦,

数学工具用起来
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 楼主| 发表于 2015-10-16 22:16:06 | 显示全部楼层
求导我知道,人工解这个方程够麻烦的,哪位能帮帮忙呢
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 楼主| 发表于 2015-10-16 22:59:03 | 显示全部楼层
毕竟我没有什么神通广大的数学工具……
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发表于 2015-10-17 09:12:24 | 显示全部楼层
这个问题很简单!
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发表于 2015-10-17 11:00:21 | 显示全部楼层
对\(f(x)=\frac{\sqrt{a^2+(m-x)^2}}{v_1}+\frac{\sqrt{b^2+x^2}}{v_2}=t\)......................(1)

关于\(x\)求导:

得到\(\frac{a-x}{v_1(\sqrt{(m-x)^2+a^2})}= \frac{x}{v_2(\sqrt{x^2+b^2})}=k\)..................(2)

若记

\(v_1=\frac{1}{n_1},v_2=\frac{1}{n_2}\)

\(\frac{m-x}{\sqrt{(m-x)^2+a^2}}=\sin(\theta_1),\frac{x}{\sqrt{x^2+b^2}}=\sin(\theta_2)\)

则有光折射公式:\(\frac{n_1}{\sin(\theta_1)}=\frac{n_2}{\sin(\theta_2)}\).............(3)

注意:这里的\(\theta_1=\frac{\pi}{2}-\angle AEC,\theta_2=\frac{\pi}{2}-\angle BED\)与物理课本上的入射角与反射角是一致的

关于(1)(2)我们得到:

\(-a^2k^2v_1^2-k^2m^2v_1^2+2k^2mv_1^2x-k^2v_1^2x^2+m^2-2mx+x^2=0\)..................(4)

\(-b^2k^2v_2^2-k^2v_2^2x^2+x^2=0\)........................................................................................(5)

\(ktv_1^2v_2^2-mv_2^2-v_1^2x+v_2^2x=0\)...............................................................................(6)


对上面三个方程消元求解得到:

\(b^2m^2v_2^2-2b^2mv_2^2x+(-a^2v_1^2+b^2v_2^2-m^2v_1^2+m^2v_2^2)x^2+2m(v_1-v_2)(v_1+v_2)x^3-(v_1-v_2)(v_1+v_2)x^4=0\).........(7)


\(m^4-2m^2(a^2v_1^2+b^2v_2^2+m^2v_1^2+m^2v_2^2)k^2+(a^4v_1^4-2a^2b^2v_1^2v_2^2+2a^2m^2v_1^4+4a^2m^2v_1^2v_2^2+b^4v_2^4+4b^2m^2v_1^2v_2^2+2b^2m^2v_2^4+m^4v_1^4+4m^4v_1^2v_2^2+m^4v_2^4)k^4-2v_1^2v_2^2(a^4v_1^2-a^2b^2v_1^2-a^2b^2v_2^2+2a^2m^2v_1^2+a^2m^2v_2^2+b^4v_2^2+b^2m^2v_1^2+2b^2m^2v_2^2+m^4v_1^2+m^4v_2^2)k^6+v_1^4v_2^4(a^2+2ab+b^2+m^2)(a^2-2ab+b^2+m^2)k^8=0\)....................(8)


\((a^2+2ab+b^2+m^2)(a^2-2ab+b^2+m^2)(a^2v_1^2v_2^2-a^2v_2^4-b^2v_1^4+b^2v_1^2v_2^2+m^2v_1^2v_2^2)^2-2v_1^2v_2^2(a^6v_1^4v_2^2-3a^6v_1^2v_2^4+2a^6v_2^6+a^4b^2v_1^6-2a^4b^2v_1^4v_2^2+4a^4b^2v_1^2v_2^4-3a^4b^2v_2^6+3a^4m^2v_1^4v_2^2-5a^4m^2v_1^2v_2^4+3a^4m^2v_2^6-3a^2b^4v_1^6+4a^2b^4v_1^4v_2^2-2a^2b^4v_1^2v_2^4+a^2b^4v_2^6+2a^2b^2m^2v_1^6-3a^2b^2m^2v_1^4v_2^2-3a^2b^2m^2v_1^2v_2^4+2a^2b^2m^2v_2^6+3a^2m^4v_1^4v_2^2-a^2m^4v_1^2v_2^4+a^2m^4v_2^6+2b^6v_1^6-3b^6v_1^4v_2^2+b^6v_1^2v_2^4+3b^4m^2v_1^6-5b^4m^2v_1^4v_2^2+3b^4m^2v_1^2v_2^4+b^2m^4v_1^6-b^2m^4v_1^4v_2^2+3b^2m^4v_1^2v_2^4+m^6v_1^4v_2^2+m^6v_1^2v_2^4)t^2+v_1^4v_2^4(a^4v_1^4-6a^4v_1^2v_2^2+6a^4v_2^4-6a^2b^2v_1^4+10a^2b^2v_1^2v_2^2-6a^2b^2v_2^4+2a^2m^2v_1^4-2a^2m^2v_1^2v_2^2+6a^2m^2v_2^4+6b^4v_1^4-6b^4v_1^2v_2^2+b^4v_2^4+6b^2m^2v_1^4-2b^2m^2v_1^2v_2^2+2b^2m^2v_2^4+m^4v_1^4+4m^4v_1^2v_2^2+m^4v_2^4)t^4+2v_1^6v_2^6(a^2v_1^2-2a^2v_2^2-2b^2v_1^2+b^2v_2^2-m^2v_1^2-m^2v_2^2)t^6+t^8v_1^8v_2^8=0\)....................(9)

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 楼主| 发表于 2015-10-17 17:46:03 | 显示全部楼层
原理我是懂的。计算看上去够麻烦,不过还是谢谢了。
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发表于 2015-10-18 09:13:55 | 显示全部楼层
好像小时候,学光学的时候,也有楼主同样的疑问。
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