IPhO 1971 · Theory problem 4
Fish in a spherical aquarium in front of a plane mirror
A spherical aquarium, filled with water, is placed in front of a flat vertical mirror. The radius of the aquarium is \(R\), and the distance between its center and the mirror is \(3R\). A small fish, which is initially at the point nearest to the mirror, starts to move with velocity \(v\) along the wall. An observer looks at the fish from a very large distance along a horizontal line passing trough the center of the aquarium.
What is the relative velocity \(v_{\mathrm{rel}}\) at which the two images of the fish seen by the observer will move apart? Express your answer in terms of \(v\). Assume that:
- The wall of the aquarium is made of a very thin glass.
- The index of refraction of water is \(n=4/3\).
Official English text of the problem.
Answers
- 4. The initial relative velocity is \[ \boxed{v_{\mathrm{rel}}=\frac{8}{3}v}. \] The direct image moves at \(2v\), while the image seen through reflection moves in the opposite direction at \(2v/3\).
Solution
4. Take the viewing axis as the \(x\)-axis, directed from the observer toward the mirror. Put the aquarium centre at \(x=0\), the mirror at \(x=3R\), and the fish initially at \(x=R\).
Choose the transverse \(y\)-direction along the fish’s initial motion. Because the fish moves tangentially to the spherical wall, its displacement to first order in time is \[ y=vt, \] while its axial displacement is of second order. Thus we may keep its axial coordinate equal to \(R\) when calculating the initial image velocities.
The thin glass can be neglected: refractions at its two nearly coincident surfaces combine into refraction directly between water and air. We use paraxial Snell’s law, which is sufficient for the initial motion about the axis.
By reversibility of light, trace rays backward from the distant observer toward the fish. To the required accuracy, these rays initially travel parallel to the axis. Their height \(h\) at the observer-facing surface, \(x=-R\), gives the apparent transverse image position.
At this surface, the normal directed into the water makes the small angle \(-h/R\) with the axis. If the refracted ray makes angle \(\alpha\), Snell’s law gives \[ 0+\frac{h}{R} =n\left(\alpha+\frac{h}{R}\right). \] Consequently, \[ \alpha=-\frac{n-1}{n}\frac{h}{R} =-\frac{h}{4R}. \] After crossing the aquarium, its height at the mirror-facing surface, \(x=R\), is \[ k=h+2R\alpha=\frac{h}{2}. \]
Direct image. For the direct path, the backward-traced ray reaches the fish at this surface, so \(k=y\). Therefore \[ h_{\mathrm d}=2y, \qquad \boxed{\dot h_{\mathrm d}=2v}. \]
Image seen through reflection. For this path, the backward-traced ray continues through the mirror-facing surface toward the mirror. The outward surface normal makes angle \(k/R\) with the axis. If the ray’s angle in air is \(\gamma\), Snell’s law gives \[ n\left(\alpha-\frac{k}{R}\right) =\gamma-\frac{k}{R}. \] Using \(n=4/3\), \(\alpha=-h/(4R)\), and \(k=h/2\), \[ \gamma=n\alpha-(n-1)\frac{k}{R} =-\frac{h}{2R}. \]
We can unfold the plane-mirror reflection by replacing the fish with its mirror image. Its axial coordinate is \[ x_{\mathrm{mirror\ image}}=2(3R)-R=5R, \] and its transverse coordinate remains \(y\). Since the fish is at the wall, refraction where the ray finally reaches it introduces no additional propagation distance.
The unfolded ray travels an axial distance \(4R\) from the aquarium’s mirror-facing surface to this mirrored position. Hence \[ y=k+4R\gamma =\frac{h}{2}+4R\left(-\frac{h}{2R}\right) =-\frac{3h}{2}. \] Thus the reflected image has apparent transverse position and velocity \[ h_{\mathrm r}=-\frac{2}{3}y, \qquad \boxed{\dot h_{\mathrm r}=-\frac{2}{3}v}. \]
The two images move in opposite transverse directions. Their initial relative velocity is therefore \[ \boxed{ v_{\mathrm{rel}} =\left|\dot h_{\mathrm d}-\dot h_{\mathrm r}\right| =2v+\frac{2}{3}v =\frac{8}{3}v }. \]
The solution was checked against the official solution.
IPhO 1971 · Theorieaufgabe 4
Fisch in einem kugelförmigen Aquarium vor einem ebenen Spiegel
Ein mit Wasser gefülltes kugelförmiges Aquarium steht vor einem ebenen, senkrechten Spiegel. Der Radius des Aquariums beträgt \(R\), und der Abstand zwischen seinem Mittelpunkt und dem Spiegel beträgt \(3R\). Ein kleiner Fisch, der sich anfangs an dem dem Spiegel nächstgelegenen Punkt befindet, beginnt, sich mit der Geschwindigkeit \(v\) entlang der Wand zu bewegen. Ein Beobachter betrachtet den Fisch aus sehr großer Entfernung entlang einer horizontalen Geraden durch den Mittelpunkt des Aquariums.
Mit welcher Relativgeschwindigkeit \(v_{\mathrm{rel}}\) bewegen sich die beiden vom Beobachter gesehenen Bilder des Fisches auseinander? Drücken Sie Ihre Antwort durch \(v\) aus. Nehmen Sie an, dass:
- Die Wand des Aquariums aus sehr dünnem Glas besteht.
- Der Brechungsindex von Wasser \(n=4/3\) beträgt.
Aufgabentext aus dem offiziellen englischen Text übersetzt.
Antworten
- 4. Die anfängliche Relativgeschwindigkeit beträgt \[ \boxed{v_{\mathrm{rel}}=\frac{8}{3}v}. \] Das direkte Bild bewegt sich mit \(2v\), während sich das durch Reflexion gesehene Bild mit \(2v/3\) in die entgegengesetzte Richtung bewegt.
Lösung
4. Wir wählen die Blickachse als \(x\)-Achse, die vom Beobachter zum Spiegel gerichtet ist. Der Mittelpunkt des Aquariums liege bei \(x=0\), der Spiegel bei \(x=3R\) und der Fisch anfangs bei \(x=R\).
Wir wählen die transversale \(y\)-Richtung entlang der anfänglichen Bewegungsrichtung des Fisches. Da sich der Fisch tangential zur kugelförmigen Wand bewegt, ist seine Verschiebung in erster Ordnung in der Zeit \[ y=vt, \] während seine axiale Verschiebung von zweiter Ordnung ist. Daher können wir seine axiale Koordinate bei der Berechnung der anfänglichen Bildgeschwindigkeiten gleich \(R\) setzen.
Das dünne Glas kann vernachlässigt werden: Die Brechungen an seinen beiden nahezu zusammenfallenden Grenzflächen ergeben zusammen eine Brechung unmittelbar zwischen Wasser und Luft. Wir verwenden das Snelliussche Brechungsgesetz in paraxialer Näherung, die für die anfängliche Bewegung in der Nähe der Achse ausreicht.
Aufgrund der Umkehrbarkeit des Lichtwegs verfolgen wir die Strahlen rückwärts vom weit entfernten Beobachter zum Fisch. Mit der erforderlichen Genauigkeit verlaufen diese Strahlen zunächst parallel zur Achse. Ihre Höhe \(h\) an der dem Beobachter zugewandten Oberfläche bei \(x=-R\) gibt die scheinbare transversale Bildposition an.
An dieser Oberfläche bildet die ins Wasser gerichtete Normale mit der Achse den kleinen Winkel \(-h/R\). Bildet der gebrochene Strahl den Winkel \(\alpha\), so liefert das Snelliussche Brechungsgesetz \[ 0+\frac{h}{R} =n\left(\alpha+\frac{h}{R}\right). \] Folglich gilt \[ \alpha=-\frac{n-1}{n}\frac{h}{R} =-\frac{h}{4R}. \] Nach dem Durchqueren des Aquariums beträgt seine Höhe an der dem Spiegel zugewandten Oberfläche bei \(x=R\) \[ k=h+2R\alpha=\frac{h}{2}. \]
Direktes Bild. Beim direkten Strahlengang erreicht der rückwärts verfolgte Strahl den Fisch an dieser Oberfläche, sodass \(k=y\) gilt. Daher ist \[ h_{\mathrm d}=2y, \qquad \boxed{\dot h_{\mathrm d}=2v}. \]
Durch Reflexion gesehenes Bild. Bei diesem Strahlengang tritt der rückwärts verfolgte Strahl durch die dem Spiegel zugewandte Oberfläche hindurch und läuft weiter zum Spiegel. Die nach außen gerichtete Oberflächennormale bildet mit der Achse den Winkel \(k/R\). Ist der Winkel des Strahls in Luft \(\gamma\), so liefert das Snelliussche Brechungsgesetz \[ n\left(\alpha-\frac{k}{R}\right) =\gamma-\frac{k}{R}. \] Mit \(n=4/3\), \(\alpha=-h/(4R)\) und \(k=h/2\) ergibt sich \[ \gamma=n\alpha-(n-1)\frac{k}{R} =-\frac{h}{2R}. \]
Wir können den Strahlengang bei der Reflexion am ebenen Spiegel entfalten, indem wir den Fisch durch sein Spiegelbild ersetzen. Dessen axiale Koordinate ist \[ x_{\mathrm{mirror\ image}}=2(3R)-R=5R, \] und seine transversale Koordinate bleibt \(y\). Da sich der Fisch an der Wand befindet, kommt durch die Brechung an der Stelle, an der der Strahl ihn schließlich erreicht, keine zusätzliche Ausbreitungsstrecke hinzu.
Der entfaltete Strahl legt von der dem Spiegel zugewandten Oberfläche des Aquariums bis zu dieser gespiegelten Position eine axiale Strecke von \(4R\) zurück. Daher gilt \[ y=k+4R\gamma =\frac{h}{2}+4R\left(-\frac{h}{2R}\right) =-\frac{3h}{2}. \] Somit hat das reflektierte Bild die scheinbare transversale Position und Geschwindigkeit \[ h_{\mathrm r}=-\frac{2}{3}y, \qquad \boxed{\dot h_{\mathrm r}=-\frac{2}{3}v}. \]
Die beiden Bilder bewegen sich in entgegengesetzte transversale Richtungen. Ihre anfängliche Relativgeschwindigkeit beträgt daher \[ \boxed{ v_{\mathrm{rel}} =\left|\dot h_{\mathrm d}-\dot h_{\mathrm r}\right| =2v+\frac{2}{3}v =\frac{8}{3}v }. \]
Die Lösung wurde mit der offiziellen Lösung abgeglichen.
IPhO 1971 · Teori sorusu 4
Düzlem ayna önündeki küresel bir akvaryumda bulunan balık
Su ile dolu küresel bir akvaryum, düşey bir düzlem aynanın önüne yerleştirilmiştir. Akvaryumun yarıçapı \(R\), merkezi ile ayna arasındaki uzaklık ise \(3R\)'dir. Başlangıçta aynaya en yakın noktada bulunan küçük bir balık, akvaryumun duvarı boyunca \(v\) hızıyla hareket etmeye başlar. Bir gözlemci, akvaryumun merkezinden geçen yatay bir doğru boyunca çok büyük bir uzaklıktan balığa bakmaktadır.
Gözlemcinin gördüğü iki balık görüntüsü birbirinden hangi \(v_{\mathrm{rel}}\) bağıl hızıyla uzaklaşır? Cevabınızı \(v\) cinsinden ifade ediniz. Şunları varsayınız:
- Akvaryumun duvarı çok ince camdan yapılmıştır.
- Suyun kırılma indisi \(n=4/3\)'tür.
Soru metni resmi İngilizce metinden çevrilmiştir.
Cevaplar
- 4. Başlangıçtaki bağıl hız \[ \boxed{v_{\mathrm{rel}}=\frac{8}{3}v}. \] Doğrudan görülen görüntü \(2v\) hızıyla hareket ederken, yansıma yoluyla görülen görüntü ters yönde \(2v/3\) hızıyla hareket eder.
Çözüm
4. Bakış eksenini, gözlemciden aynaya doğru yönelen \(x\) ekseni olarak alalım. Akvaryumun merkezini \(x=0\), aynayı \(x=3R\) ve balığın başlangıç konumunu \(x=R\) olarak belirleyelim.
Enine \(y\) yönünü balığın başlangıçtaki hareketi yönünde seçelim. Balık küresel duvara teğet olarak hareket ettiğinden, zamanda birinci mertebeye kadar yer değiştirmesi \[ y=vt, \] olurken, eksen doğrultusundaki yer değiştirmesi ikinci mertebedendir. Bu nedenle, başlangıçtaki görüntü hızlarını hesaplarken eksen doğrultusundaki koordinatını \(R\) olarak tutabiliriz.
İnce cam ihmal edilebilir: neredeyse çakışan iki yüzeyindeki kırılmalar, doğrudan su ile hava arasındaki kırılmaya eşdeğerdir. Eksen çevresindeki başlangıç hareketi için yeterli olan paraksiyal Snell yasasını kullanacağız.
Işığın tersinirliği ilkesinden yararlanarak, ışınları uzaktaki gözlemciden balığa doğru geriye izleyelim. Gerekli duyarlılık düzeyinde, bu ışınlar başlangıçta eksene paralel ilerler. Gözlemciye bakan \(x=-R\) yüzeyindeki \(h\) yükseklikleri, görüntünün görünen enine konumunu verir.
Bu yüzeyde, suyun içine doğru yönelen normal, eksenle küçük bir \(-h/R\) açısı yapar. Kırılan ışın \(\alpha\) açısını yapıyorsa, Snell yasası \[ 0+\frac{h}{R} =n\left(\alpha+\frac{h}{R}\right) \] bağıntısını verir. Dolayısıyla, \[ \alpha=-\frac{n-1}{n}\frac{h}{R} =-\frac{h}{4R}. \] Işın akvaryumu geçtikten sonra, aynaya bakan \(x=R\) yüzeyindeki yüksekliği \[ k=h+2R\alpha=\frac{h}{2} \] olur.
Doğrudan görülen görüntü. Doğrudan izlenen yol için, geriye doğru izlenen ışın bu yüzeyde balığa ulaşır; dolayısıyla \(k=y\) olur. Böylece \[ h_{\mathrm d}=2y, \qquad \boxed{\dot h_{\mathrm d}=2v}. \]
Yansıma yoluyla görülen görüntü. Bu yol için, geriye doğru izlenen ışın aynaya bakan yüzeyden geçerek aynaya doğru ilerlemeyi sürdürür. Dışa yönelen yüzey normali, eksenle \(k/R\) açısı yapar. Işının havadaki açısı \(\gamma\) ise, Snell yasası \[ n\left(\alpha-\frac{k}{R}\right) =\gamma-\frac{k}{R} \] bağıntısını verir. \(n=4/3\), \(\alpha=-h/(4R)\) ve \(k=h/2\) kullanılarak, \[ \gamma=n\alpha-(n-1)\frac{k}{R} =-\frac{h}{2R}. \]
Balığın yerine aynadaki görüntüsünü koyarak düzlem aynadaki yansımayı açılmış bir ışın yolu olarak ele alabiliriz. Bu görüntünün eksen doğrultusundaki koordinatı \[ x_{\mathrm{mirror\ image}}=2(3R)-R=5R, \] olurken, enine koordinatı \(y\) olarak kalır. Balık duvarda bulunduğundan, ışının sonunda ona ulaştığı yerdeki kırılma, ek bir yayılma mesafesi oluşturmaz.
Açılmış ışın, akvaryumun aynaya bakan yüzeyinden aynadaki bu konuma kadar eksen doğrultusunda \(4R\) uzaklık kat eder. Bu nedenle \[ y=k+4R\gamma =\frac{h}{2}+4R\left(-\frac{h}{2R}\right) =-\frac{3h}{2}. \] Böylece yansıyan görüntünün görünen enine konumu ve hızı \[ h_{\mathrm r}=-\frac{2}{3}y, \qquad \boxed{\dot h_{\mathrm r}=-\frac{2}{3}v} \] olur.
İki görüntü enine doğrultuda zıt yönlerde hareket eder. Bu nedenle başlangıçtaki bağıl hızları \[ \boxed{ v_{\mathrm{rel}} =\left|\dot h_{\mathrm d}-\dot h_{\mathrm r}\right| =2v+\frac{2}{3}v =\frac{8}{3}v } \] olur.
Çözüm, resmi çözümle karşılaştırılarak kontrol edildi.
IPhO 1971 · Problema teórico 4
Pez en un acuario esférico frente a un espejo plano
Un acuario esférico, lleno de agua, está situado frente a un espejo plano vertical. El radio del acuario es \(R\), y la distancia entre su centro y el espejo es \(3R\). Un pequeño pez, que inicialmente se encuentra en el punto más cercano al espejo, comienza a moverse con velocidad \(v\) a lo largo de la pared. Un observador mira al pez desde una distancia muy grande a lo largo de una línea horizontal que pasa por el centro del acuario.
¿Cuál es la velocidad relativa \(v_{\mathrm{rel}}\) con la que se separarán las dos imágenes del pez que ve el observador? Exprese su respuesta en función de \(v\). Suponga que:
- La pared del acuario está hecha de vidrio muy delgado.
- El índice de refracción del agua es \(n=4/3\).
Enunciado traducido del texto oficial en inglés.
Respuestas
- 4. La velocidad relativa inicial es \[ \boxed{v_{\mathrm{rel}}=\frac{8}{3}v}. \] La imagen directa se mueve a \(2v\), mientras que la imagen vista por reflexión se mueve en sentido contrario a \(2v/3\).
Solución
4. Tomemos el eje de observación como eje \(x\), dirigido desde el observador hacia el espejo. Situemos el centro del acuario en \(x=0\), el espejo en \(x=3R\) y el pez inicialmente en \(x=R\).
Elijamos la dirección transversal \(y\) en el sentido del movimiento inicial del pez. Como el pez se mueve tangencialmente a la pared esférica, su desplazamiento a primer orden en el tiempo es \[ y=vt, \] mientras que su desplazamiento axial es de segundo orden. Por tanto, podemos mantener su coordenada axial igual a \(R\) al calcular las velocidades iniciales de las imágenes.
El vidrio delgado puede despreciarse: las refracciones en sus dos superficies casi coincidentes equivalen a una refracción directa entre el agua y el aire. Utilizamos la ley de Snell en la aproximación paraxial, que es suficiente para el movimiento inicial en torno al eje.
Por la reversibilidad de la luz, tracemos los rayos en sentido inverso desde el observador distante hacia el pez. Con la precisión requerida, estos rayos viajan inicialmente paralelos al eje. Su altura \(h\) en la superficie orientada hacia el observador, \(x=-R\), da la posición transversal aparente de la imagen.
En esta superficie, la normal dirigida hacia el interior del agua forma el pequeño ángulo \(-h/R\) con el eje. Si el rayo refractado forma un ángulo \(\alpha\), la ley de Snell da \[ 0+\frac{h}{R} =n\left(\alpha+\frac{h}{R}\right). \] Por consiguiente, \[ \alpha=-\frac{n-1}{n}\frac{h}{R} =-\frac{h}{4R}. \] Tras atravesar el acuario, su altura en la superficie orientada hacia el espejo, \(x=R\), es \[ k=h+2R\alpha=\frac{h}{2}. \]
Imagen directa. Para el trayecto directo, el rayo trazado en sentido inverso alcanza al pez en esta superficie, de modo que \(k=y\). Por tanto, \[ h_{\mathrm d}=2y, \qquad \boxed{\dot h_{\mathrm d}=2v}. \]
Imagen vista por reflexión. Para este trayecto, el rayo trazado en sentido inverso continúa a través de la superficie orientada hacia el espejo y se dirige hacia este. La normal exterior a la superficie forma un ángulo \(k/R\) con el eje. Si el ángulo del rayo en el aire es \(\gamma\), la ley de Snell da \[ n\left(\alpha-\frac{k}{R}\right) =\gamma-\frac{k}{R}. \] Utilizando \(n=4/3\), \(\alpha=-h/(4R)\) y \(k=h/2\), \[ \gamma=n\alpha-(n-1)\frac{k}{R} =-\frac{h}{2R}. \]
Podemos desplegar el trayecto de la reflexión en el espejo plano sustituyendo el pez por su imagen especular. Su coordenada axial es \[ x_{\mathrm{mirror\ image}}=2(3R)-R=5R, \] y su coordenada transversal sigue siendo \(y\). Como el pez se encuentra en la pared, la refracción en el punto donde el rayo finalmente lo alcanza no introduce ninguna distancia de propagación adicional.
El rayo del trayecto desplegado recorre una distancia axial \(4R\) desde la superficie del acuario orientada hacia el espejo hasta esta posición especular. Por tanto, \[ y=k+4R\gamma =\frac{h}{2}+4R\left(-\frac{h}{2R}\right) =-\frac{3h}{2}. \] Así, la imagen reflejada tiene la siguiente posición transversal aparente y velocidad: \[ h_{\mathrm r}=-\frac{2}{3}y, \qquad \boxed{\dot h_{\mathrm r}=-\frac{2}{3}v}. \]
Las dos imágenes se mueven en sentidos transversales opuestos. Su velocidad relativa inicial es, por tanto, \[ \boxed{ v_{\mathrm{rel}} =\left|\dot h_{\mathrm d}-\dot h_{\mathrm r}\right| =2v+\frac{2}{3}v =\frac{8}{3}v }. \]
La solución se comprobó con la solución oficial.
IPhO 1971 · 理论题 4
平面镜前球形鱼缸中的鱼
一个装满水的球形鱼缸放置在一面竖直平面镜前。鱼缸的半径为 \(R\),其球心到镜面的距离为 \(3R\)。一条小鱼起初位于最靠近镜面的点,随后开始以速率 \(v\) 沿缸壁运动。观察者从很远处沿一条通过鱼缸球心的水平直线观察这条鱼。
观察者看到的鱼的两个像将以多大的相对速度 \(v_{\mathrm{rel}}\) 彼此分离?用 \(v\) 表示你的答案。假设:
- 鱼缸壁由很薄的玻璃制成。
- 水的折射率为 \(n=4/3\)。
题目译自官方英文原文。
答案
- 4. 初始相对速度为 \[ \boxed{v_{\mathrm{rel}}=\frac{8}{3}v}. \] 直接看到的像以速率 \(2v\) 运动,而通过反射看到的像则沿相反方向以速率 \(2v/3\) 运动。
解答
4. 取观察轴为 \(x\) 轴,正方向由观察者指向镜面。令鱼缸球心位于 \(x=0\),镜面位于 \(x=3R\),鱼的初始位置为 \(x=R\)。
沿鱼的初始运动方向选取横向的 \(y\) 轴正方向。由于鱼沿球形缸壁的切线方向运动,其位移保留到时间的一阶项为 \[ y=vt, \] 而其轴向位移为时间的二阶量。因此,在计算像的初始速度时,可以将鱼的轴向坐标保持为 \(R\)。
薄玻璃的影响可以忽略:其两个几乎重合的表面上的折射可合并为水与空气之间的直接折射。我们使用近轴形式的斯涅尔定律,这对于分析轴线附近的初始运动已足够。
根据光路可逆性,从远处的观察者向鱼反向追迹光线。在所需的精度下,这些光线起初平行于轴线传播。它们在朝向观察者的表面 \(x=-R\) 处的高度 \(h\) 给出了像的视横向位置。
在此表面上,指向水内的法线与轴线成小角度 \(-h/R\)。若折射光线与轴线的夹角为 \(\alpha\),则由斯涅尔定律得 \[ 0+\frac{h}{R} =n\left(\alpha+\frac{h}{R}\right). \] 因此, \[ \alpha=-\frac{n-1}{n}\frac{h}{R} =-\frac{h}{4R}. \] 光线穿过鱼缸后,在朝向镜面的表面 \(x=R\) 处的高度为 \[ k=h+2R\alpha=\frac{h}{2}. \]
直接看到的像。 对于直接光路,反向追迹的光线在此表面处到达鱼,因此 \(k=y\)。于是 \[ h_{\mathrm d}=2y, \qquad \boxed{\dot h_{\mathrm d}=2v}. \]
通过反射看到的像。 对于这条光路,反向追迹的光线继续穿过朝向镜面的表面,向镜面传播。该表面的外法线与轴线成角度 \(k/R\)。若光线在空气中与轴线的夹角为 \(\gamma\),则由斯涅尔定律得 \[ n\left(\alpha-\frac{k}{R}\right) =\gamma-\frac{k}{R}. \] 利用 \(n=4/3\)、\(\alpha=-h/(4R)\) 和 \(k=h/2\),得 \[ \gamma=n\alpha-(n-1)\frac{k}{R} =-\frac{h}{2R}. \]
我们可以用鱼的镜像代替鱼,从而将平面镜的反射光路展开。其轴向坐标为 \[ x_{\mathrm{mirror\ image}}=2(3R)-R=5R, \] 而其横向坐标仍为 \(y\)。由于鱼位于缸壁处,光线最终到达鱼的位置时发生的折射不会引入额外的传播距离。
展开后的光线从鱼缸朝向镜面的表面传播到这一镜像位置,沿轴向经过的距离为 \(4R\)。因此 \[ y=k+4R\gamma =\frac{h}{2}+4R\left(-\frac{h}{2R}\right) =-\frac{3h}{2}. \] 于是,通过反射看到的像的视横向位置和速度为 \[ h_{\mathrm r}=-\frac{2}{3}y, \qquad \boxed{\dot h_{\mathrm r}=-\frac{2}{3}v}. \]
两个像沿相反的横向方向运动。因此,它们的初始相对速度为 \[ \boxed{ v_{\mathrm{rel}} =\left|\dot h_{\mathrm d}-\dot h_{\mathrm r}\right| =2v+\frac{2}{3}v =\frac{8}{3}v }. \]
解答已与官方解答核对。
IPhO 1971 · Теоретическая задача 4
Рыбка в сферическом аквариуме перед плоским зеркалом
Сферический аквариум, наполненный водой, расположен перед плоским вертикальным зеркалом. Радиус аквариума равен \(R\), а расстояние от его центра до зеркала — \(3R\). Маленькая рыбка, первоначально находящаяся в ближайшей к зеркалу точке, начинает двигаться со скоростью \(v\) вдоль стенки. Наблюдатель смотрит на рыбку с очень большого расстояния вдоль горизонтальной прямой, проходящей через центр аквариума.
С какой относительной скоростью \(v_{\mathrm{rel}}\) будут удаляться друг от друга два изображения рыбки, видимые наблюдателем? Выразите ответ через \(v\). Примите следующие допущения:
- Стенка аквариума изготовлена из очень тонкого стекла.
- Показатель преломления воды равен \(n=4/3\).
Условие переведено с официального английского текста.
Ответы
- 4. Начальная относительная скорость равна \[ \boxed{v_{\mathrm{rel}}=\frac{8}{3}v}. \] Изображение, наблюдаемое непосредственно, движется со скоростью \(2v\), а изображение, наблюдаемое после отражения, движется в противоположном направлении со скоростью \(2v/3\).
Решение
4. Выберем ось наблюдения в качестве оси \(x\), направленной от наблюдателя к зеркалу. Поместим центр аквариума в точку \(x=0\), зеркало — в точку \(x=3R\), а рыбку в начальный момент — в точку \(x=R\).
Выберем поперечное направление \(y\) вдоль начального движения рыбки. Поскольку рыбка движется по касательной к сферической стенке, её смещение в первом порядке по времени равно \[ y=vt, \] тогда как её смещение вдоль оси имеет второй порядок. Поэтому при вычислении начальных скоростей изображений можно считать её осевую координату равной \(R\).
Влиянием тонкого стекла можно пренебречь: преломления на двух его почти совпадающих поверхностях в совокупности эквивалентны преломлению непосредственно на границе воды и воздуха. Воспользуемся законом Снеллиуса в параксиальном приближении, которого достаточно для описания начального движения вблизи оси.
В силу обратимости хода световых лучей проследим лучи в обратном направлении — от удалённого наблюдателя к рыбке. С требуемой точностью эти лучи первоначально идут параллельно оси. Их высота \(h\) на обращённой к наблюдателю поверхности, \(x=-R\), задаёт видимое поперечное положение изображения.
На этой поверхности нормаль, направленная внутрь воды, составляет с осью малый угол \(-h/R\). Если преломлённый луч составляет с осью угол \(\alpha\), то закон Снеллиуса даёт \[ 0+\frac{h}{R} =n\left(\alpha+\frac{h}{R}\right). \] Следовательно, \[ \alpha=-\frac{n-1}{n}\frac{h}{R} =-\frac{h}{4R}. \] После прохождения через аквариум высота луча на обращённой к зеркалу поверхности, \(x=R\), равна \[ k=h+2R\alpha=\frac{h}{2}. \]
Изображение, наблюдаемое непосредственно. При непосредственном наблюдении луч, прослеживаемый в обратном направлении, достигает рыбки на этой поверхности, поэтому \(k=y\). Следовательно, \[ h_{\mathrm d}=2y, \qquad \boxed{\dot h_{\mathrm d}=2v}. \]
Изображение, наблюдаемое после отражения. В этом случае луч, прослеживаемый в обратном направлении, проходит через обращённую к зеркалу поверхность и продолжает движение к зеркалу. Внешняя нормаль к поверхности составляет с осью угол \(k/R\). Если угол луча в воздухе равен \(\gamma\), то закон Снеллиуса даёт \[ n\left(\alpha-\frac{k}{R}\right) =\gamma-\frac{k}{R}. \] Подставляя \(n=4/3\), \(\alpha=-h/(4R)\) и \(k=h/2\), получаем \[ \gamma=n\alpha-(n-1)\frac{k}{R} =-\frac{h}{2R}. \]
Отражение от плоского зеркала можно заменить прямолинейным продолжением луча, заменив рыбку её зеркальным изображением. Его осевая координата равна \[ x_{\mathrm{mirror\ image}}=2(3R)-R=5R, \] а поперечная координата остаётся равной \(y\). Поскольку рыбка находится у стенки, преломление в точке, где луч в конце своего пути достигает рыбки, не добавляет к его пути никакого расстояния.
В такой развёрнутой схеме луч проходит вдоль оси расстояние \(4R\) от обращённой к зеркалу поверхности аквариума до этого зеркального изображения. Поэтому \[ y=k+4R\gamma =\frac{h}{2}+4R\left(-\frac{h}{2R}\right) =-\frac{3h}{2}. \] Таким образом, видимые поперечное положение и скорость отражённого изображения равны \[ h_{\mathrm r}=-\frac{2}{3}y, \qquad \boxed{\dot h_{\mathrm r}=-\frac{2}{3}v}. \]
Два изображения движутся в противоположных поперечных направлениях. Поэтому их начальная относительная скорость равна \[ \boxed{ v_{\mathrm{rel}} =\left|\dot h_{\mathrm d}-\dot h_{\mathrm r}\right| =2v+\frac{2}{3}v =\frac{8}{3}v }. \]
Решение проверено по официальному решению.
IPhO 1971 · مسألة نظرية 4
سمكة في حوض كروي أمام مرآة مستوية
يوضع حوض أسماك كروي مملوء بالماء أمام مرآة مستوية رأسية. نصف قطر الحوض هو \(R\)، والمسافة بين مركزه والمرآة هي \(3R\). تبدأ سمكة صغيرة، تقع في البداية عند النقطة الأقرب إلى المرآة، بالحركة بسرعة \(v\) بمحاذاة الجدار. ينظر راصد إلى السمكة من مسافة بعيدة جدًا على امتداد خط أفقي يمر بمركز الحوض.
ما السرعة النسبية \(v_{\mathrm{rel}}\) التي تتباعد بها صورتا السمكة اللتان يراهما الراصد؟ عبّر عن إجابتك بدلالة \(v\). افترض ما يأتي:
- جدار الحوض مصنوع من زجاج رقيق جدًا.
- معامل انكسار الماء هو \(n=4/3\).
نص المسألة مترجم عن النص الإنجليزي الرسمي.
الإجابات
- 4. السرعة النسبية الابتدائية هي \[ \boxed{v_{\mathrm{rel}}=\frac{8}{3}v}. \] تتحرك الصورة المباشرة بسرعة \(2v\)، بينما تتحرك الصورة المرئية بالانعكاس في الاتجاه المعاكس بسرعة \(2v/3\).
الحل
4. نتخذ محور الرؤية محورًا لـ \(x\)، موجّهًا من الراصد نحو المرآة. نضع مركز الحوض عند \(x=0\)، والمرآة عند \(x=3R\)، والسمكة في البداية عند \(x=R\).
نختار الاتجاه العرضي \(y\) في اتجاه حركة السمكة الابتدائية. ولأن السمكة تتحرك مماسيًا للجدار الكروي، فإن إزاحتها إلى الرتبة الأولى في الزمن هي \[ y=vt, \] بينما تكون إزاحتها المحورية من الرتبة الثانية. لذا يمكننا إبقاء إحداثيها المحوري مساويًا لـ \(R\) عند حساب سرعتي الصورتين الابتدائيتين.
يمكن إهمال الزجاج الرقيق: إذ يكافئ الانكساران عند سطحيه اللذين يكادان يتطابقان انكسارًا مباشرًا بين الماء والهواء. نستخدم قانون سنيل في التقريب شبه المحوري، وهو كافٍ لوصف الحركة الابتدائية حول المحور.
استنادًا إلى مبدأ انعكاسية مسار الضوء، نتتبع الأشعة عكسيًا من الراصد البعيد نحو السمكة. وضمن الدقة المطلوبة، تسير هذه الأشعة في البداية موازية للمحور. ويحدد ارتفاعها \(h\) عند السطح المواجه للراصد، \(x=-R\)، الموضع العرضي الظاهري للصورة.
عند هذا السطح، يصنع العمود على السطح الموجّه إلى داخل الماء زاوية صغيرة مقدارها \(-h/R\) مع المحور. وإذا صنع الشعاع المنكسر زاوية \(\alpha\)، فإن قانون سنيل يعطي \[ 0+\frac{h}{R} =n\left(\alpha+\frac{h}{R}\right). \] ومن ثم، \[ \alpha=-\frac{n-1}{n}\frac{h}{R} =-\frac{h}{4R}. \] بعد عبور الشعاع الحوض، يكون ارتفاعه عند السطح المواجه للمرآة، \(x=R\)، هو \[ k=h+2R\alpha=\frac{h}{2}. \]
الصورة المباشرة. في المسار المباشر، يصل الشعاع المتتبَّع عكسيًا إلى السمكة عند هذا السطح، ولذلك \(k=y\). وعليه، \[ h_{\mathrm d}=2y, \qquad \boxed{\dot h_{\mathrm d}=2v}. \]
الصورة المرئية بالانعكاس. في هذا المسار، يواصل الشعاع المتتبَّع عكسيًا سيره عبر السطح المواجه للمرآة نحو المرآة. ويصنع العمود على السطح الموجّه إلى الخارج زاوية \(k/R\) مع المحور. وإذا كانت زاوية الشعاع في الهواء هي \(\gamma\)، فإن قانون سنيل يعطي \[ n\left(\alpha-\frac{k}{R}\right) =\gamma-\frac{k}{R}. \] باستخدام \(n=4/3\)، و\(\alpha=-h/(4R)\)، و\(k=h/2\)، \[ \gamma=n\alpha-(n-1)\frac{k}{R} =-\frac{h}{2R}. \]
يمكننا فرد مسار الانعكاس عن المرآة المستوية باستبدال السمكة بصورتها في المرآة. ويكون إحداثي هذه الصورة المحوري \[ x_{\mathrm{mirror\ image}}=2(3R)-R=5R, \] ويبقى إحداثيها العرضي \(y\). وبما أن السمكة تقع عند الجدار، فإن الانكسار عند الموضع الذي يصل فيه الشعاع إليها في النهاية لا يضيف أي مسافة انتشار إضافية.
يقطع الشعاع في المسار المفرود مسافة محورية \(4R\) من سطح الحوض المواجه للمرآة إلى موضع هذه الصورة المرآتية. ومن ثم، \[ y=k+4R\gamma =\frac{h}{2}+4R\left(-\frac{h}{2R}\right) =-\frac{3h}{2}. \] وبذلك يكون الموضع العرضي الظاهري للصورة المنعكسة وسرعتها \[ h_{\mathrm r}=-\frac{2}{3}y, \qquad \boxed{\dot h_{\mathrm r}=-\frac{2}{3}v}. \]
تتحرك الصورتان في اتجاهين عرضيين متعاكسين. لذا فإن سرعتهما النسبية الابتدائية هي \[ \boxed{ v_{\mathrm{rel}} =\left|\dot h_{\mathrm d}-\dot h_{\mathrm r}\right| =2v+\frac{2}{3}v =\frac{8}{3}v }. \]
تمت مراجعة الحل بمقارنته بالحل الرسمي.