Beispiele für Aufgaben und Formeln zu Lichtwellen in der physikalischen Optik
Eigenschaften des Lichts
1. Licht ist eine elektromagnetische Welle, daher ist Licht….
A. Erlebt keine Reflexion
B. Erfährt keine Brechung
C. Benötigt kein Vermehrungsmedium
D. Überträgt bei der Ausbreitung keine Energie.
Diskussion
Licht ist eine Welle und erfährt daher, wie andere Wellen auch, Reflexion und Brechung bei seiner Ausbreitung und transportiert Energie. Da Licht eine elektromagnetische Welle ist, benötigt es kein Medium zur Ausbreitung.
Die richtige Antwort ist C.
2. Beachten Sie die folgende Aussage:
1. Licht bewegt sich geradlinig.
2. Licht ist eine elektromagnetische Welle
3. Licht kann absorbiert werden
4. Licht trägt eine elektrische Ladung
Die korrekte Aussage über die Eigenschaften des Lichts lautet...
A. Nur Aussage 1
B. Aussagen 1 und 2
C. Aussagen 1, 2 und 3
D. Alle Aussagen sind wahr.
Diskussion
1. Licht bewegt sich geradlinig.
Diese Aussage ist richtig, denn obwohl sich Licht wie eine Transversalwelle ausbreitet, ist sein Weg geradlinig. In der geometrischen Optik (Reflexion und Brechung des Lichts) wird Licht als Strahl dargestellt, dessen Bewegungsbahn eine Gerade ist.
2. Licht ist eine elektromagnetische Welle:
Diese Aussage ist richtig, da Licht eine elektromagnetische Welle ist, deren Ausbreitung kein Medium erfordert.
3. Licht kann absorbiert werden:
Diese Aussage ist richtig. Licht ist eine elektromagnetische Welle. Alle Wellen, sowohl mechanische als auch elektromagnetische, transportieren Energie, wenn sie sich von einem Ort zum anderen ausbreiten. Daher kann ein Teil der Lichtenergie vom Medium absorbiert werden, durch das das Licht hindurchtritt. Trifft Licht beispielsweise auf einen ebenen Spiegel, wird der größte Teil des Lichts reflektiert, ein kleiner Teil jedoch vom Spiegel absorbiert.
4. Licht trägt eine elektrische Ladung:
Diese Aussage ist falsch. Licht ist eine elektromagnetische Welle, und elektromagnetische Wellen entstehen durch oszillierende elektrische und magnetische Felder. Sie werden von beschleunigten elektrischen Ladungen ausgesendet.
Die richtige Antwort ist C.
Perfekte Spiegelung
3. Das Bild rechts zeigt einen Diamanten, der aufgrund seines funkelnden Lichts sehr kostbar ist. Dieses Phänomen wird verursacht durch…
A. Perfekte Lichtbrechung, bei der Licht von einem Medium geringerer Dichte in ein Medium höherer Dichte eintritt
B. perfekte Brechung, bei der der Einfallswinkel kleiner als der Grenzwinkel ist
C. perfekte Reflexion, bei der das Licht von einem Medium geringerer Dichte in ein Medium höherer Dichte übergeht
D. perfekte Reflexion, bei der der Einfallswinkel größer als der Grenzwinkel ist
Diskussion
Das Licht eines Diamanten funkelt aufgrund von Lichtstreuung und perfekter Reflexion. Perfekte Reflexion tritt auf, wenn Licht von einem Medium mit höherem Brechungsindex in ein Medium mit niedrigerem Brechungsindex übergeht. Beispielsweise geht Licht von Diamant (mit höherem Brechungsindex) in Luft (mit niedrigerem Brechungsindex) über. Um dies besser zu verstehen, betrachten Sie die Abbildung unten.
Wenn Licht von einem Medium mit hohem Brechungsindex in ein Medium mit niedrigem Brechungsindex übergeht, wird es vom Lot weggebrochen. Ist der Einfallswinkel (i) größer als der Brechungswinkel (r), so ist auch der Brechungswinkel größer. Bei einem bestimmten Einfallswinkel beträgt der Brechungswinkel 90°. Dieser Einfallswinkel wird als Grenzwinkel (θk) bezeichnet. Ist der Einfallswinkel größer als der Grenzwinkel, wird kein Licht gebrochen, sondern vollständig reflektiert.
Die richtige Antwort ist D.
4. Nationale Wissenschaftsolympiade 2011 – Fragen für Junior High Schools auf Regency-/City-Ebene Nr. 39
Das folgende Phänomen, das ein Symptom perfekter Reflexion ist, ist….
A. Regenbogen
B. Fata Morgana
C. farbiger See
D. Astigmatismus
Diskussion
Eine Fata Morgana wird als perfektes Reflexionsphänomen bezeichnet, da dabei kein Licht aus der Luft von der Fahrbahnoberfläche gebrochen wird, sondern es so aussieht, als würde das gesamte Licht von ihr reflektiert. Fata Morganas entstehen, weil Licht durch Luftschichten mit unterschiedlichen Brechungsindizes wandert, bedingt durch deren unterschiedliche Dichte. Tatsächlich wird das Licht nicht von der Fahrbahnoberfläche reflektiert, sondern von den Luftschichten mit ihren unterschiedlichen Brechungsindizes gebrochen.
Die richtige Antwort ist B.
5. Nationale Wissenschaftsolympiade 2010 – Fragen für Junior High Schools auf Regency-/City-Ebene Nr. 30
Der Anblick eines Ölfilms auf der Oberfläche einer Asphaltstraße an einem heißen Tag ist im Wesentlichen ein Phänomen der Totalreflexion, weil….
A. Der Brechungsindex der oberen Luftschichten ist größer als der der unteren Schichten.
B. Der Brechungsindex der oberen Luftschichten ist kleiner als der der unteren Schichten.
C. Wassertropfen reflektieren unterschiedliche Farben bei unterschiedlichen Reflexionswinkeln.
D. Wassertropfen brechen verschiedene Farben unter verschiedenen Brechungswinkeln.
Diskussion
Ein Ölfilm auf einer Asphaltstraße an einem heißen Tag ist ein Beispiel für eine Fata Morgana. Fata Morganas entstehen durch den Unterschied im Brechungsindex zwischen der Luftschicht nahe der Straße und der darüber liegenden Luftschicht.
An einem heißen Tag erwärmt die Fahrbahnoberfläche die darüber liegende Luft, wodurch die Luftschicht direkt über der Fahrbahn wärmer ist als die weiter stromaufwärts liegende. Die wärmere Luftschicht dehnt sich stärker aus und ist daher weniger dicht. Umgekehrt dehnt sich die darüber liegende, kühlere Luftschicht weniger aus und ist daher dichter. Die untere Luftschicht ist also weniger dicht, die obere hingegen dichter.
Da die Luftschicht unten (näher an der Fahrbahnoberfläche) eine geringere Dichte aufweist, bewegt sich das Licht beim Durchgang durch sie schneller, während die Luftschicht oben dichter ist, sodass sich das Licht beim Durchgang durch sie langsamer bewegt.
Die Formel für den Brechungsindex lautet: n = c / v, wobei n der Brechungsindex, c die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum = konstant = 3 x 10⁻⁵ ist.8 m/s, v = Lichtgeschwindigkeit im Medium. Gemäß dieser Formel ist c so festgelegt, dass n kleiner wird, wenn v größer wird, und umgekehrt, wenn v kleiner wird, wird n größer.
Das Licht bewegt sich in der unteren Luftschicht schneller (großes v), sodass die untere Luftschicht einen kleineren Brechungsindex (kleines n) aufweist, wohingegen sich das Licht in der oberen Luftschicht langsamer bewegt (kleines v), sodass die obere Luftschicht einen größeren Brechungsindex (großes n) aufweist.
Die richtige Antwort ist A.
Brechungsindex
6. Ein sichtbarer Lichtstrahl hat in Luft eine Wellenlänge von 510 nm. Tritt der Lichtstrahl in ein Medium mit einem Brechungsindex von 1,5 ein, ändert sich seine Wellenlänge auf …
A. 680 nm
B. 510 nm
C. 340 nm
D. 170 nm
Diskussion
Es ist bekannt, dass:
Wellenlänge (λ) = 510 nm = 510 x 10-9 Meter
Brechungsindex (n) = 1,5
Frage: Die Wellenlänge (λ) ändert sich zu….
Antwort:
Die Wellenlänge (λ) ändert sich auf 340 Nanometer.
Die richtige Antwort ist C.
7. Ein Fisch befindet sich am Grund eines klaren Teichs. Der Teich ist 2 Meter tief und hat einen Brechungsindex von 4/3. Wenn der Fisch nahezu senkrecht zur Wasseroberfläche gesehen wird, wie weit ist er von der Wasseroberfläche aus sichtbar?
A. 1 Meter von der Oberfläche des Beckens entfernt
B. 1,5 Meter von der Oberfläche des Beckens entfernt
C. 2 Meter von der Oberfläche des Beckens entfernt
D. 2,67 Meter von der Oberfläche des Beckens
Diskussion
Es ist bekannt, dass:
Brechungsindex des Pools = 4/3
Beckentiefe = 2 Meter
Frage: Wie weit kann man die Fische von der Wasseroberfläche des Teichs aus sehen?
Antwort:
Scheinbare Entfernung = 1 : n (tatsächliche Entfernung)
Scheinbare Entfernung = 1 : 4/3 (2 Meter)
Scheinbare Entfernung = 1 x 3/4 (2 Meter)
Scheinbare Entfernung = 3/4 (2 Meter)
Scheinbare Entfernung = 6/4
Scheinbare Entfernung = 1,5 Meter
Die Entfernung des Fisches, die von der Wasseroberfläche des Teichs aus sichtbar ist, beträgt 1,5 Meter.
Die richtige Antwort ist B.
8. Licht kann in einem Kanal übertragen werden, dessen Brechungsindex im Vergleich zur Umgebung … beträgt.
A. > 1
B. = 1
C. < 1
D. = 0
Diskussion
Brechungsindex des Vakuums = 1,0000
Der Brechungsindex eines Mediums ist größer als der Brechungsindex des Vakuums.
Die richtige Antwort ist A.
Lichtstreuung
9. Der Dispersionswinkel ist der Winkel zwischen zwei Farben monochromatischen Lichts, der im Falle von … auftritt.
A. Polarisation des Lichts
B. Lichtabsorption
C. Lichtstreuung
D. Beugung des Lichts
Diskussion
Monochromatisches Licht besitzt nur eine Farbe oder Wellenlänge. Weißes Licht, wie Sonnenlicht, ist eine Mischung aller Farben, jede mit einer anderen Wellenlänge oder Frequenz. Die Aufspaltung von weißem Licht in das sichtbare Spektrum (Rot, Orange, Gelb, Grün, Blau, Indigo und Violett) wird als Lichtdispersion bezeichnet.
Lichtstreuung kann durch Prismen, Wassertropfen oder andere Objekte erreicht werden. Regenbögen sind ein Beispiel für Lichtstreuung im Alltag, bei der Sonnenlicht durch Regentropfen gestreut wird.
Die richtige Antwort ist C.
10. Nationale Wissenschaftsolympiade 2011 – Fragen für Junior High Schools auf Regency-/City-Ebene Nr. 60
Ein Regenbogen erscheint als ein farbenfrohes, halbkreisförmiges Band. Die korrekte Reihenfolge der vier Regenbogenfarben unten, vom kleinsten zum größten Radius, ist…
A. Rot, Orange, Gelb, Grün
B. blau, lila, grün, gelb
C. Grün, Blau, Indigo, Violett
D. Indigo, Blau, Grün, Gelb
Diskussion
Die Reihenfolge der Regenbogenfarben ist Rot, Orange, Gelb, Grün, Blau, Indigo und Lila.
Rotes Licht hat die längste Wellenlänge, violettes Licht die kürzeste. Die Ablenkung des Lichts jeder Farbe hängt von seiner Wellenlänge ab.
Wenn weißes Sonnenlicht von Regentropfen gestreut wird, wird Licht mit längeren Wellenlängen weniger stark abgelenkt, während Licht mit kürzeren Wellenlängen stärker abgelenkt wird. Rotes Licht wird am wenigsten abgelenkt, da seine Wellenlänge länger ist, während violettes Licht am stärksten abgelenkt wird, da seine Wellenlänge kürzer ist, wie in der Abbildung unten dargestellt. Daher sieht das Auge des Betrachters das rote Licht oben und das violette Licht unten.
Alle Farben des Regenbogenlichts sind teilweise kreisförmig, wobei der rote Lichtkreis oben liegt und daher den größten Radius hat, während der violette Lichtkreis unten liegt und daher den kleinsten Radius hat.
Die Reihenfolge der hellen Farben vom größten zum kleinsten Radius ist: Rot, Orange, Gelb, Grün, Blau, Indigo, Violett.
Die richtige Antwort ist D.
11. Die hellen Farben der Ölschicht auf der Wasseroberfläche entstehen durch folgendes Ereignis...
A. Interferenz
B. Polarisation
C. dispersi
D. Beugung
Diskussion
Die richtige Antwort ist C.
