Eksempler på spørgsmål og formler for lysbølger i fysisk optik
Lysets karakteristika
1. Lys er en elektromagnetisk bølge, derfor lys….
A. Oplever ikke refleksion
B. Oplever ikke brydning
C. Kræver ikke et formeringsmedium
D. Bærer ikke energi i sin udbredelse
Diskussion
Lys er en bølge, derfor undergår den refleksion, brydning og bærer energi under sin udbredelse, ligesom andre bølger. Lys er en elektromagnetisk bølge, så den kræver ikke et medium for udbredelse.
Det rigtige svar er C.
2. Vær opmærksom på følgende udsagn:
1. Lys bevæger sig i en lige linje
2. Lys er en elektromagnetisk bølge
3. Lys kan absorberes
4. Lys bærer en elektrisk ladning
Den korrekte påstand om lysets egenskaber er...
A. kun udsagn 1
B. udsagn 1 og 2
C. udsagn 1, 2 og 3
D. alle udsagn er sande
Diskussion
1. Lys bevæger sig i en lige linje.
Denne påstand er sand, fordi selvom lys bevæger sig som en transversal bølge, er lysets bane en ret linje. Inden for geometrisk optik (lysrefleksion og -brydning) afbildes lys som en stråle, hvis bevægelsesbane er en ret linje.
2. Lys er en elektromagnetisk bølge:
Denne påstand er sand, fordi lys er en elektromagnetisk bølge, hvor lysets udbredelse ikke kræver et medium.
3. Lys kan absorberes:
Denne påstand er sand. Lys er en type elektromagnetisk bølge. Alle bølger, både mekaniske og elektromagnetiske, bærer energi, når de bevæger sig fra et sted til et andet. Derfor kan noget af lysets energi absorberes af det medium, det passerer igennem. For eksempel, når lys bevæger sig mod et plant spejl, reflekteres det meste af lyset, men en lille del absorberes af spejlet.
4. Lys bærer en elektrisk ladning:
Denne påstand er falsk. Lys er en elektromagnetisk bølge, og elektromagnetiske bølger produceres af oscillerende elektriske og magnetiske felter. Elektromagnetiske bølger udsendes ved accelererende elektriske ladninger.
Det rigtige svar er C.
Perfekt refleksion
3. Billedet til højre viser en diamantsmykkesten, der er meget dyr, fordi det lys, der reflekteres af diamanten, er så funklende. Dette fænomen er forårsaget af…
A. perfekt brydning, hvor lys kommer ind fra et mindre tæt medium til et tættere medium
B. perfekt brydning, hvor indfaldsvinklen er mindre end randvinklen
C. perfekt refleksion, hvor lyset kommer fra et mindre tæt medium til et tættere medium
D. perfekt refleksion, hvor indfaldsvinklen er større end randvinklen
Diskussion
Lyset fra en diamant ser ud til at funkle på grund af lysspredning og perfekt refleksion. Perfekt refleksion opstår, når lys bevæger sig fra et medium med et højere brydningsindeks til et med et lavere brydningsindeks. For eksempel bevæger lys sig fra diamant (med et højere brydningsindeks) til luft (med et lavere brydningsindeks). For at forstå dette yderligere kan du se på billedet nedenfor.
Når lys bevæger sig fra et medium med et stort brydningsindeks til et medium med et lavt brydningsindeks, bøjes lyset væk fra normalen. Hvis indfaldsvinklen (i) er større, er brydningsvinklen (r) større. Ved en bestemt indfaldsvinkel er brydningsvinklen 90°. Indfaldsvinklen, når brydningsvinklen er 90°, kaldes den kritiske vinkel (θk) eller grænsevinklen. Hvis indfaldsvinklen er større end den kritiske vinkel eller grænsevinklen, brydes intet lys; alt lys reflekteres.
Det rigtige svar er D.
4. Spørgsmål til den nationale naturvidenskabelige olympiade 2011 for ungdomsuddannelser på Regency-/byniveau nr. 39
Følgende fænomen, som er et symptom på perfekt refleksion, er….
A. regnbue
B. fatamorgana
C. farvet sø
D. bygningsfejl
Diskussion
Et fatamorgana kaldes et perfekt refleksionsfænomen, fordi intet lys fra luften i denne proces brydes af vejoverfladen, men det ser ud som om alt lyset reflekteres af vejoverfladen. Fatamorganaer opstår, fordi lys bevæger sig gennem luftlag, der har forskellige brydningsindekser på grund af de forskellige tætheder af disse luftlag. I virkeligheden reflekteres lys ikke af vejoverfladen, men brydes (bøjes) af luftlag, der har forskellige brydningsindekser.
Det rigtige svar er B.
5. Spørgsmål til den nationale naturvidenskabelige olympiade 2010 for ungdomsuddannelser på Regency-/byniveau nr. 30
Synet af en olieforurening på overfladen af en asfaltvej på en varm dag er i bund og grund en total refleksionshændelse, fordi….
A. Brydningsindekset for de øvre luftlag er større end for de nedre lag.
B. Brydningsindekset for de øvre luftlag er mindre end de nedre lag.
C. Vanddråber reflekterer forskellige farver ved forskellige refleksionsvinkler.
D. Vanddråber bryder forskellige farver ved forskellige brydningsvinkler.
Diskussion
Et eksempel på en luftspejling er et eksempel på en olieforurening på en asfaltvej på en varm dag. Luftspejlinger opstår på grund af forskellen i brydningsindeks mellem luftlaget nær vejen og luftlaget over det.
På en varm dag opvarmer vejoverfladen luften direkte over den, hvilket gør luftlaget direkte over vejoverfladen varmere end luftlaget længere opstrøms. Det varmere luftlag oplever større volumenudvidelse, hvilket gør det mindre tæt (lavere densitet). Omvendt oplever det mindre varme luftlag over det mindre volumenudvidelse, hvilket gør det tættere (højere densitet). Så det nedre luftlag er mindre tæt, mens det øvre luftlag er tættere.
Fordi luftlaget nederst (tættere på vejoverfladen) er mindre tæt, bevæger lyset sig hurtigere, når det passerer igennem det, mens luftlaget øverst er tættere, så lyset bevæger sig langsommere, når det passerer igennem det.
Formlen for brydningsindekset er: n = c / v, hvor n er brydningsindekset, c = lysets hastighed i vakuum = konstant = 3 x 108 m/s, v = lysets hastighed i mediet. Baseret på denne formel er c fastsat således, at hvis v bliver større, så bliver n mindre, og omvendt, hvis v falder, så bliver n større.
Lys bevæger sig hurtigere i det nedre luftlag (stort v), så det nedre luftlag har et mindre brydningsindeks (lille n), hvorimod lys bevæger sig langsommere i det øvre luftlag (lille v), så det øvre luftlag har et større brydningsindeks (stort n).
Det rigtige svar er A.
brydningsindeks
6. En synlig lysstråle har en bølgelængde på 510 nm i luft. Hvis lysstrålen trænger ind i et medium med et brydningsindeks på 1,5, ændres dens bølgelængde til….
A. 680 nm
B. 510 nm
C. 340 nm
D. 170 nm
Diskussion
Det er kendt, at:
Bølgelængde (λ) = 510 nm = 510 x 10-9 meter
Brydningsindeks (n) = 1,5
Spørgsmål: Bølgelængden (λ) ændrer sig til….
Svar:
Bølgelængden (λ) ændres til 340 nanometer.
Det rigtige svar er C.
7. En fisk ses på bunden af en klar pool, poolens dybde er 2 meter, og poolens brydningsindeks er 4/3. Hvis fisken ses næsten vinkelret på poolens overflade, hvor langt er fisken så synlig fra poolens overflade?
A. 1 meter fra poolens overflade
B. 1,5 meter fra poolens overflade
C. 2 meter fra poolens overflade
D. 2,67 meter fra poolens overflade
Diskussion
Det er kendt, at:
Brydningsindeks for poolen = 4/3
Pooldybde = 2 meter
Spørgsmål: Hvor langt kan fiskene ses fra dammens overflade?
Svar:
Tilsyneladende afstand = 1 : n (reel afstand)
Tilsyneladende afstand = 1 : 4/3 (2 meter)
Tilsyneladende afstand = 1 x 3/4 (2 meter)
Tilsyneladende afstand = 3/4 (2 meter)
Tilsyneladende afstand = 6/4
Tilsyneladende afstand = 1,5 meter
Afstanden mellem fiskens synlighed og dammens overflade = 1,5 meter
Det rigtige svar er B.
8. Lys kan transmitteres i en kanal, hvis brydningsindeks i forhold til omgivelserne er….
A. > 1
B. = 1
C. < 1
D. = 0
Diskussion
Brydningsindeks for vakuum = 1,0000
Brydningsindekset for et medium er større end brydningsindekset for et vakuum.
Det rigtige svar er A.
Spredning af lys
9. Dispersionsvinklen er vinklen mellem to farver monokromatisk lys, der opstår i tilfælde af….
A. polarisering af lys
B. lysabsorption
C. spredning af lys
D. lysdiffraktion
Diskussion
Monokromatisk lys er lys, der har en enkelt farve eller bølgelængde. Hvidt lys er, ligesom sollys, en kombination af alle farver, hver med en forskellig bølgelængde eller frekvens. Opdelingen af hvidt lys i det synlige spektrum (rød, orange, gul, grøn, blå, indigo og violet) kaldes lysdispersion.
Lysspredning kan opnås ved hjælp af prismer, vanddråber eller andre genstande. Regnbuer er et eksempel på lysspredning i hverdagen, hvor sollys spredes af regndråber.
Det rigtige svar er C.
10. Spørgsmål til den nationale naturvidenskabelige olympiade 2011 for ungdomsuddannelser på Regency-/byniveau nr. 60
En regnbue fremstår som et farverigt bånd formet som en delvis cirkel. Den korrekte rækkefølge af de fire regnbuefarver nedenfor, fra den mindste til den største radius, er…
A. rød, orange, gul, grøn
B. blå, lilla, grøn, gul
C. grøn, blå, indigo, violet
D. indigo, blå, grøn, gul
Diskussion
Rækkefølgen af regnbuens farver er rød, orange, gul, grøn, blå, indigo og lilla.
Rødt lys har den længste bølgelængde, mens violet lys har den korteste. Afbøjningen af hver lysfarve afhænger af dens bølgelængde.
Når hvidt sollys spredes af regndråber, afbøjes lys med længere bølgelængder mindre, mens lys med kortere bølgelængder afbøjes mere. Rødt lys afbøjes mindst, fordi dets bølgelængde er længere, mens violet lys afbøjes mest, fordi dets bølgelængde er kortere, som vist i diagrammet nedenfor. Således ser observatørens øje det røde lys øverst og det violette lys nederst.
Alle farverne i regnbuens lys er formet som en cirkel, hvor den røde lyscirkel er øverst, så den har den største radius, mens den lilla lyscirkel er nederst, så den har den mindste radius.
Rækkefølgen af lyse farver fra den største radius til den mindste radius er rød, orange, gul, grøn, blå, indigo, lilla.
Det rigtige svar er D.
11. De lyse farver fra olielaget på vandoverfladen opstår på grund af begivenheden...
A. interferens
B. polarisering
C. dispersi
D. diffraktion
Diskussion
Det rigtige svar er C.
