Vzorec světelné vlny fyzikální optiky

Příklady otázek a vzorců pro světelné vlny ve fyzikální optice

Charakteristiky světla

1. Světlo je elektromagnetická vlna, proto světlo…

A. Nezažívá odraz
B. Nedochází k refrakci
C. Nevyžaduje rozmnožovací médium
D. Při šíření nepřenáší energii

Diskuse
Světlo je vlna, a proto se při šíření odráží, láme a přenáší energii, stejně jako jiné vlny. Světlo je elektromagnetická vlna, takže pro šíření nepotřebuje žádné médium.
Správná odpověď je C.

2. Věnujte pozornost následujícímu tvrzení:
1. Světlo se pohybuje přímočarě
2. Světlo je elektromagnetická vlna
3. Světlo může být absorbováno
4. Světlo nese elektrický náboj
Správné tvrzení týkající se vlastností světla je...

A. pouze výrok 1
B. výroky 1 a 2
C. výroky 1, 2 a 3
D. všechna tvrzení jsou pravdivá

Diskuse
1. Světlo se pohybuje přímočarě.
Toto tvrzení je pravdivé, protože ačkoli se světlo pohybuje jako příčná vlna, jeho dráha je přímka. V tématu geometrické optiky (odraz a lom světla) je světlo znázorněno jako paprsek, jehož dráha pohybu je přímka.
2. Světlo je elektromagnetická vlna:
Toto tvrzení je pravdivé, protože světlo je elektromagnetická vlna, kde šíření světla nevyžaduje médium.
3. Světlo může být absorbováno:
Toto tvrzení je pravdivé. Světlo je typ elektromagnetické vlny. Všechny vlny, mechanické i elektromagnetické, přenášejí energii, když se šíří z jednoho místa na druhé. Část světelné energie proto může být absorbována prostředím, kterým prochází. Například když světlo putuje k rovinnému zrcadlu, většina světla se odrazí, ale malá část je zrcadlem absorbována.
4. Světlo nese elektrický náboj:
Toto tvrzení je nepravdivé. Světlo je elektromagnetická vlna a elektromagnetické vlny jsou produkovány kmitajícími elektrickými a magnetickými poli. Elektromagnetické vlny jsou vyzařovány zrychlujícími se elektrickými náboji.
Správná odpověď je C.

Dokonalý odraz

3. Obrázek vpravo ukazuje diamantový šperk, který je velmi drahý, protože světlo odrážené diamantem se tak třpytí. Tento jev je způsoben…
A. dokonalá refrakce, kde světlo vstupuje z méně hustého prostředí do hustšího prostředí
B. dokonalá refrakce, kde je úhel dopadu menší než hraniční úhel
C. dokonalý odraz, kdy světlo vychází z méně hustého prostředí do hustšího prostředí
D. dokonalý odraz, kde je úhel dopadu větší než hraniční úhel
Diskuse
Světlo z diamantu se zdá být jiskřivé díky rozptylu světla a dokonalému odrazu. K dokonalému odrazu dochází, když se světlo pohybuje z prostředí s vyšším indexem lomu do prostředí s nižším indexem lomu. Například světlo se pohybuje z diamantu (s vyšším indexem lomu) do vzduchu (s nižším indexem lomu). Pro lepší pochopení si prohlédněte obrázek níže.

Když se světlo pohybuje z prostředí s velkým indexem lomu do prostředí s malým indexem lomu, světlo se lomí od kolmice. Pokud je úhel dopadu (i) větší, pak je větší i úhel lomu (r). Při určitém úhlu dopadu je úhel lomu 90°. Úhel dopadu, když je úhel lomu 90°, se nazývá kritický úhel (θk) nebo mezní úhel. Pokud je úhel dopadu větší než kritický úhel nebo mezní úhel, pak se žádné světlo neláme; veškeré světlo se odráží.
Správná odpověď je D.

4. Otázky pro Národní vědeckou olympiádu 2011 pro nižší střední školy na úrovni regentství/města č. 39
Následující jev, který je příznakem dokonalé reflexe, je…
A. duha
B. fatamorgana
C. barevné jezero
D. astigmatismus
Diskuse
Přelud se nazývá jev dokonalého odrazu, protože při tomto procesu se žádné světlo přicházející ze vzduchu neláme povrchem vozovky, ale zdá se, jako by se veškeré světlo odráželo od povrchu vozovky. Přeludy vznikají, protože světlo prochází vrstvami vzduchu, které mají různé indexy lomu v důsledku rozdílné hustoty těchto vrstev vzduchu. Ve skutečnosti se světlo od povrchu vozovky neodráží, ale je lámáno (ohýbáno) vrstvami vzduchu, které mají různé indexy lomu.
Správná odpověď je B.

5. Otázky pro Národní vědeckou olympiádu 2010 pro nižší střední školy na úrovni regentství/města č. 30
Pohled na ropnou skvrnu na povrchu asfaltové silnice za horkého dne je v podstatě událostí úplného odrazu, protože…
A. Index lomu horních vrstev vzduchu je větší než index lomu spodních vrstev.
B. Index lomu horních vrstev vzduchu je menší než u spodních vrstev.
C. Kapičky vody odrážejí různé barvy pod různými úhly odrazu.
D. Kapičky vody lámou různé barvy pod různými úhly lomu.
Diskuse
Příkladem fata morgany je například ropná skvrna na asfaltové silnici za horkého dne. Fata morgany vznikají v důsledku rozdílu v indexu lomu mezi vrstvou vzduchu poblíž silnice a vrstvou vzduchu nad ní.
Za horkého dne povrch vozovky ohřívá vzduch přímo nad sebou, čímž se vrstva vzduchu přímo nad povrchem vozovky otepluje více než vrstva vzduchu dále proti proudu. Teplejší vrstva vzduchu zažívá větší objemovou roztažnost, a proto má menší hustotu (nižší hustota). Naopak méně teplá vrstva vzduchu nad ní zažívá menší objemovou roztažnost, a proto má větší hustotu (vyšší hustota). Spodní vrstva vzduchu je tedy méně hustá, zatímco horní vrstva vzduchu je hustší.
Protože vrstva vzduchu dole (blíže k povrchu vozovky) má menší hustotu, světlo se při průchodu přes ni pohybuje rychleji, zatímco vrstva vzduchu nahoře je hustší, takže se světlo při průchodu přes ni pohybuje pomaleji.
Vzorec pro index lomu je: n = c / v, kde n je index lomu, c = rychlost světla ve vakuu = konstanta = 3 x 10⁸ m/s, v = rychlost světla v prostředí. Na základě tohoto vzorce je c fixní, takže pokud se v zvětší, pak se n zmenší, a naopak, pokud se v zmenší, pak se n zvětší.
Světlo se pohybuje rychleji ve spodní vrstvě vzduchu (velké v), takže spodní vrstva vzduchu má menší index lomu (malé n), zatímco ve vrchní vrstvě vzduchu se světlo pohybuje pomaleji (malé v), takže vrchní vrstva vzduchu má větší index lomu (velké n).
Správná odpověď je A.

index lomu

6. Viditelný světelný paprsek má ve vzduchu vlnovou délku 510 nm. Pokud světelný paprsek vstoupí do prostředí s indexem lomu 1,5, jeho vlnová délka se změní na….
A. 680 nm
B. 510 nm
cca 340 nm
D. 170 nm
Diskuse
Je známo, že:
Vlnová délka (λ) = 510 nm = 510 x 10^-9 metr
Index lomu (n) = 1,5
Otázka: Vlnová délka (λ) se změní na….
Odpověď:

Vlnová délka (λ) se změní na 340 nanometrů.
Správná odpověď je C.

7. Na mořském dně průzračné tůně je vidět ryba, hloubka tůně je 2 metry, index lomu tůně je 4/3. Pokud je ryba pozorována téměř kolmo k hladině tůně, jak daleko se ryba jeví od hladiny tůně?
A. 1 metr od hladiny bazénu
B. 1,5 metru od hladiny bazénu
C. 2 metry od hladiny bazénu
D. 2,67 metru od hladiny bazénu
Diskuse
Je známo, že:
Index lomu bazénu = 4/3
Hloubka bazénu = 2 metry
Otázka: Jak daleko jsou ryby vidět od hladiny rybníka?
Odpověď:
Zdánlivá vzdálenost = 1 : n (skutečná vzdálenost)
Zdánlivá vzdálenost = 1 : 4/3 (2 metry)
Zdánlivá vzdálenost = 1 x 3/4 (2 metry)
Zdánlivá vzdálenost = 3/4 (2 metry)
Zdánlivá vzdálenost = 6/4
Zdánlivá vzdálenost = 1,5 metru
Vzdálenost ryb viditelných od hladiny rybníka = 1,5 metru
Správná odpověď je B.

8. Světlo může být propouštěno kanálem, jehož index lomu vzhledem k okolí je….
A. > 1
B. = 1
C. < 1
D. = 0
Diskuse
Index lomu vakua = 1,0000
Index lomu média je větší než index lomu vakua.
Správná odpověď je A.

Disperze světla

9. Úhel rozptylu je úhel mezi dvěma barvami monochromatického světla, který vzniká v případě…
A. polarizace světla
B. absorpce světla
C. rozptyl světla
D. difrakce světla
Diskuse
Monochromatické světlo je světlo, které má jednu barvu nebo vlnovou délku. Bílé světlo, stejně jako sluneční světlo, je kombinací všech barev, z nichž každá má jinou vlnovou délku nebo frekvenci. Rozklad bílého světla do viditelného spektra (červená, oranžová, žlutá, zelená, modrá, indigová a fialová) se nazývá disperze světla.
Rozptylu světla lze dosáhnout hranoly, kapkami vody nebo jinými předměty. Duha je příkladem rozptylu světla v každodenním životě, kde je sluneční světlo rozptylováno dešťovými kapkami.
Správná odpověď je C.

10. Otázky pro Národní vědeckou olympiádu 2011 pro nižší střední školy na úrovni regentství/města č. 60
Duha se jeví jako barevná stuha ve tvaru částečného kruhu. Správné pořadí čtyř barev duhy níže, od nejmenšího po největší poloměr, je…
A. červená, oranžová, žlutá, zelená
B. modrá, fialová, zelená, žlutá
C. zelená, modrá, indigová, fialová
D. indigo, modrá, zelená, žlutá
Diskuse
Pořadí barev duhy je červená, oranžová, žlutá, zelená, modrá, indigová a fialová.
Červené světlo má nejdelší vlnovou délku, zatímco fialové světlo má nejkratší. Vychýlení každé barvy světla závisí na její vlnové délce.
Když je bílé sluneční světlo rozptylováno dešťovými kapkami, světlo s delšími vlnovými délkami se odchyluje méně, zatímco světlo s kratšími vlnovými délkami se odchyluje více. Červené světlo se odchyluje nejméně, protože jeho vlnová délka je delší, zatímco fialové světlo se odchyluje nejvíce, protože jeho vlnová délka je kratší, jak je znázorněno na níže uvedeném diagramu. Oko pozorovatele tedy vidí červené světlo nahoře a fialové světlo dole.
Všechny barvy duhového světla mají částečně kruhový tvar, kde červený kruh světla je nahoře, takže má největší poloměr, zatímco fialový kruh světla je dole, takže má nejmenší poloměr.
Pořadí barev světla od největšího poloměru po nejmenší je červená, oranžová, žlutá, zelená, modrá, indigo, fialová.
Správná odpověď je D.

11. Světlé barvy z olejové vrstvy na hladině vody vznikají v důsledku události...
A. interference
B. polarizace
C. dispersi
D. difrakce
Diskuse
Správná odpověď je C.