The solution before revision #19690 of , by Read1ly. This is not the current version.

Условие

13.2.22. [Вставьте условие задачи]

Решение

К задаче $13.2.22$
К задаче

Поскольку колба тонкостенная, преломлением луча в стекле можно пренебречь: свет фактически преломляется один раз --- на границе жидкость--полость колбы (внутри колбы будем считать среду воздухом, возд). Радиус пучка много меньше радиуса колбы , поэтому все углы, возникающие в задаче, малы, и можно всюду заменять синусы и тангенсы самими углами (параксиальное приближение). Задача сводится к тому, чтобы (а) связать угол преломления с углом падения через закон Снелла, и (б) отдельно связать эти же углы через геометрию распространения луча внутри колбы, используя данное в условии удвоение диаметра пучка.

\textbf{1. Угол падения луча на входе.}
Рассмотрим крайний луч пучка, идущий на расстоянии от оптической оси. Он попадает на сферу в точке , где радиус (нормаль к поверхности) составляет с осью малый угол :

\textbf{2. Закон преломления на границе жидкость--воздух.}
На входе луч переходит из жидкости (показатель преломления ) в полость колбы (воздух, показатель преломления ):

где --- угол между преломлённым лучом и радиусом .

\textbf{3. Геометрия луча внутри колбы.}
Введём систему координат с началом в центре колбы ; ось направим вдоль оптической оси пучка. В параксиальном приближении точка входа .

Нормаль образует с осью угол , а преломлённый луч образует с той же нормалью угол (причём , так как : луч отклоняется от нормали при переходе в менее плотную среду). Несложно показать, что при этом направление преломлённого луча составляет с оптической осью угол

(луч отклоняется от оси на этот угол наружу --- это тот же эффект, что даёт, например, пузырёк воздуха в воде, действующий как рассеивающая линза).

Пройдя внутри колбы путь, горизонтальная проекция которого в параксиальном приближении равна (от одной стороны сферы до другой), луч поднимется на дополнительную высоту . Высота луча у противоположной стенки колбы:

\textbf{4. Условие удвоения диаметра пучка.}
По условию высота луча у противоположной стенки должна равняться :

\textbf{5. Показатель преломления жидкости.}
Сопоставляя с законом преломления из пункта 2:

Ответ

[Вставьте краткий ответ или результат в рамке]