Примери за въпроси и формули за светлинни вълни във физическата оптика
Характеристики на светлината
1. Светлината е електромагнитна вълна, следователно светлина….
А. Не изпитва отражение
Б. Не изпитва пречупване
C. Не изисква среда за размножаване
Г. Не носи енергия при разпространението си
Дискусия
Светлината е вълна, следователно, тя претърпява отражение, пречупване и носи енергия по време на разпространението си, точно както другите вълни. Светлината е електромагнитна вълна, така че не се нуждае от среда за разпространение.
Верният отговор е C.
2. Обърнете внимание на следното твърдение:
1. Светлината се движи по права линия
2. Светлината е електромагнитна вълна
3. Светлината може да се абсорбира
4. Светлината носи електрически заряд
Правилното твърдение относно свойствата на светлината е...
А. само твърдение 1
Б. твърдения 1 и 2
В. твърдения 1, 2 и 3
Г. всички твърдения са верни
Дискусия
1. Светлината се движи по права линия.
Това твърдение е вярно, защото въпреки че светлината се движи като напречна вълна, пътят на светлината е права линия. В темата за геометричната оптика (отражение и пречупване на светлината) светлината се изобразява като лъч, чийто път на движение е права линия.
2. Светлината е електромагнитна вълна:
Това твърдение е вярно, защото светлината е електромагнитна вълна, при която разпространението на светлината не изисква среда.
3. Светлината може да се абсорбира:
Това твърдение е вярно. Светлината е вид електромагнитна вълна. Всички вълни, както механични, така и електромагнитни, носят енергия, докато пътуват от едно място до друго. Следователно, част от енергията на светлината може да бъде абсорбирана от средата, през която тя преминава. Например, когато светлината пътува към плоско огледало, по-голямата част от светлината се отразява, но малка част се абсорбира от огледалото.
4. Светлината носи електрически заряд:
Това твърдение е невярно. Светлината е електромагнитна вълна, а електромагнитните вълни се произвеждат от осцилиращи електрически и магнитни полета. Електромагнитните вълни се излъчват от ускоряващи се електрически заряди.
Верният отговор е C.
Перфектно отражение
3. Картината вдясно показва диамантен бижутериен камък, който е много скъп, защото светлината, отразена от диаманта, е толкова искряща. Това явление се причинява от…
A. перфектно пречупване, при което светлината преминава от по-рядко плътна среда в по-плътна среда
Б. перфектно пречупване, при което ъгълът на падане е по-малък от граничния ъгъл
C. перфектно отражение, при което светлината идва от по-малко плътна среда към по-плътна среда
D. перфектно отражение, при което ъгълът на падане е по-голям от граничния ъгъл
Дискусия
Светлината от диаманта изглежда блести поради дисперсията на светлината и перфектното отражение. Перфектно отражение се получава, когато светлината преминава от среда с по-висок коефициент на пречупване към такава с по-нисък коефициент на пречупване. Например, светлината преминава от диамант (с по-висок коефициент на пречупване) към въздух (с по-нисък коефициент на пречупване). За да разберете това по-добре, разгледайте изображението по-долу.
Когато светлината преминава от среда с голям коефициент на пречупване към среда с малък коефициент на пречупване, тя се отклонява от нормалата. Ако ъгълът на падане (i) е по-голям, тогава ъгълът на пречупване (r) е по-голям. При определен ъгъл на падане, ъгълът на пречупване е 90°. Ъгълът на падане, когато ъгълът на пречупване е 90°, се нарича критичен ъгъл (θk) или граничен ъгъл. Ако ъгълът на падане е по-голям от критичния ъгъл или граничния ъгъл, тогава никаква светлина не се пречупва; цялата светлина се отразява.
Верният отговор е Д.
4. Въпроси за Националната олимпиада по природни науки за 2011 г. за прогимназии на ниво Регентство/Сити, № 39
Следното явление, което е симптом на перфектно отражение, е…
А. дъга
Б. мираж
C. цветно езеро
Г. астигматизъм
Дискусия
Миражът се нарича феномен на перфектно отражение, защото при този процес никаква светлина, идваща от въздуха, не се пречупва от пътната повърхност, а изглежда сякаш цялата светлина се отразява от пътната повърхност. Миражите възникват, защото светлината преминава през слоеве въздух, които имат различни показатели на пречупване поради различната плътност на тези слоеве въздух. В действителност светлината не се отразява от пътната повърхност, а се пречупва (огъва) от слоеве въздух, които имат различни показатели на пречупване.
Верният отговор е Б.
5. Въпроси за Националната олимпиада по природни науки за 2010 г. за прогимназии на ниво Регентство/Сити, № 30
Гледката на нефтено петно върху повърхността на асфалтов път в горещ ден е по същество събитие на пълно отражение, защото….
А. Коефициентът на пречупване на горните слоеве на въздуха е по-голям от този на долните слоеве.
Б. Коефициентът на пречупване на горните слоеве на въздуха е по-малък от този на долните слоеве.
C. Водните капчици отразяват различни цветове под различни ъгли на отражение.
Г. Водните капчици пречупват различни цветове под различни ъгли на пречупване.
Дискусия
Сцена като нефтен петно върху асфалтов път в горещ ден е пример за мираж. Миражите възникват поради разликата в коефициента на пречупване между въздушния слой близо до пътя и въздушния слой над него.
В горещ ден пътната настилка загрява въздуха директно над нея, което прави въздушния слой директно над пътната настилка по-горещ от въздушния слой по-нагоре по течението. По-горещият въздушен слой претърпява по-голямо обемно разширение, което го прави по-малко плътен (по-ниска плътност). Обратно, по-малко горещият въздушен слой над него претърпява по-малко обемно разширение, което го прави по-плътен (по-висока плътност). Така долният въздушен слой е по-малко плътен, докато горният въздушен слой е по-плътен.
Тъй като слоят въздух в долната част (по-близо до пътната повърхност) е по-малко плътен, светлината се движи по-бързо, когато преминава през него, докато слоят въздух в горната част е по-плътен, така че светлината се движи по-бавно, когато преминава през него.
Формулата за коефициента на пречупване е: n = c / v, където n е коефициентът на пречупване, c = скорост на светлината във вакуум = константа = 3 x 108 m/s, v = скорост на светлината в средата. Въз основа на тази формула, c е фиксирано, така че ако v се увеличи, тогава n се понижи и обратно, ако v намалее, тогава n се повиши.
Светлината се движи по-бързо в долния въздушен слой (голямо v), така че долният въздушен слой има по-малък коефициент на пречупване (малко n), докато светлината се движи по-бавно в горния въздушен слой (малко v), така че горният въздушен слой има по-голям коефициент на пречупване (голямо n).
Верният отговор е А.
индекс на пречупване
6. Видимият светлинен лъч има дължина на вълната 510 nm във въздуха. Ако светлинният лъч навлезе в среда с коефициент на пречупване 1,5, дължината на вълната му се променя на….
А. 680 nm
Б. 510 nm
C. 340 nm
D. 170 nm
Дискусия
Известно е, че:
Дължина на вълната (λ) = 510 nm = 510 x 10-9 метър
Индекс на пречупване (n) = 1,5
Въпрос: Дължината на вълната (λ) се променя на….
Отговор:
Дължината на вълната (λ) се променя на 340 нанометра.
Верният отговор е C.
7. На морското дъно на бистър басейн се вижда риба, дълбочината на басейна е 2 метра, а коефициентът на пречупване на басейна е 4/3. Ако рибата се вижда почти перпендикулярно на повърхността на басейна, на какво разстояние от повърхността на басейна изглежда тя?
A. 1 метър от повърхността на басейна
Б. 1,5 метра от повърхността на басейна
C. 2 метра от повърхността на басейна
D. 2,67 метра от повърхността на басейна
Дискусия
Известно е, че:
Индекс на пречупване на басейна = 4/3
Дълбочина на басейна = 2 метра
Въпрос: Колко далеч от повърхността на езерото може да се види рибата?
Отговор:
Видимо разстояние = 1 : n (реално разстояние)
Видимо разстояние = 1 : 4/3 (2 метра)
Видимо разстояние = 1 x 3/4 (2 метра)
Видимо разстояние = 3/4 (2 метра)
Видимо разстояние = 6/4
Видимо разстояние = 1,5 метра
Разстоянието на видимост на рибата от повърхността на езерото = 1,5 метра
Верният отговор е Б.
8. Светлината може да се предава в канал, чийто коефициент на пречупване спрямо околната среда е….
А. > 1
Б. = 1
C. < 1
Д. = 0
Дискусия
Индекс на пречупване на вакуум = 1,0000
Коефициентът на пречупване на дадена среда е по-голям от коефициента на пречупване на вакуум.
Верният отговор е А.
Дисперсия на светлината
9. Ъгълът на дисперсия е ъгълът между два цвята монохроматична светлина, който се получава в случай на….
А. поляризация на светлината
Б. поглъщане на светлина
C. дисперсия на светлината
D. дифракция на светлината
Дискусия
Монохроматичната светлина е светлина, която има един цвят или дължина на вълната. Бялата светлина, подобно на слънчевата светлина, е комбинация от всички цветове, всеки с различна дължина на вълната или честота. Разлагането на бялата светлина във видимия спектър (червено, оранжево, жълто, зелено, синьо, индиго и виолетово) се нарича светлинна дисперсия.
Разсейването на светлината може да се постигне чрез призми, водни капчици или други обекти. Дъгите са пример за разсейване на светлината в ежедневието, където слънчевата светлина се разсейва от дъждовни капки.
Верният отговор е C.
10. Въпроси за Националната олимпиада по природни науки за 2011 г. за прогимназии на ниво Регентство/Сити, № 60
Дъгата се появява като цветна лента, оформена като частичен кръг. Правилният ред на четирите цвята на дъгата по-долу, от най-малкия до най-големия радиус, е…
A. червено, оранжево, жълто, зелено
Б. синьо, лилаво, зелено, жълто
C. зелено, синьо, индиго, виолетово
D. индиго, синьо, зелено, жълто
Дискусия
Редът на цветовете на дъгата е червено, оранжево, жълто, зелено, синьо, индиго и лилаво.
Червената светлина има най-дългата дължина на вълната, докато виолетовата светлина има най-късата. Отклонението на всеки цвят светлина зависи от неговата дължина на вълната.
Когато бялата слънчева светлина се разпръсква от дъждовни капки, светлината с по-дълги дължини на вълната се отклонява по-малко, докато светлината с по-къси дължини на вълната се отклонява повече. Червената светлина се отклонява най-малко, защото дължината на вълната ѝ е по-дълга, докато виолетовата светлина се отклонява най-много, защото дължината на вълната ѝ е по-къса, както е показано на диаграмата по-долу. По този начин окото на наблюдателя вижда червената светлина отгоре, а виолетовата - отдолу.
Всички цветове на дъгата са с частично кръгла форма, където червеният кръг от светлина е отгоре, така че има най-голям радиус, докато лилавият кръг от светлина е отдолу, така че има най-малък радиус.
Редът на светлите цветове от най-големия радиус до най-малкия радиус е червено, оранжево, жълто, зелено, синьо, индиго, виолетово.
Верният отговор е Д.
11. Светлите цветове от масления слой на повърхността на водата се появяват поради събитието...
А. интерференция
Б. поляризация
C. dispersi
D. дифракция
Дискусия
Верният отговор е C.
