Näited küsimustest ja valemitest füüsikalise optika valguslainete kohta
Valguse omadused
1. Valgus on elektromagnetlaine, seega valgus….
A. Ei koge peegeldust
B. Ei koge refraktsiooni
C. Ei vaja paljunduskeskkonda
D. Ei kanna levimisel energiat
Arutelu
Valgus on laine, seega peegeldub, murdub ja kannab levimise ajal energiat, täpselt nagu teisedki lained. Valgus on elektromagnetlaine, seega ei vaja see levimiseks keskkonda.
Õige vastus on C.
2. Pöörake tähelepanu järgmisele väitele:
1. Valgus liigub sirgjooneliselt
2. Valgus on elektromagnetlaine
3. Valgust saab neelata
4. Valgus kannab elektrilaengut
Valguse omaduste kohta on õige väide...
A. ainult 1. väide
B. väited 1 ja 2
C. väited 1, 2 ja 3
D. kõik väited on tõesed
Arutelu
1. Valgus liigub sirgjooneliselt.
See väide on tõene, sest kuigi valgus liigub nagu põiklinn, on valguse tee sirgjooneline. Geomeetrilise optika (valguse peegeldus ja murdumine) teemas on valgus kujutatud kiirena, mille liikumistee on sirgjooneline.
2. Valgus on elektromagnetlaine:
See väide on tõene, sest valgus on elektromagnetlaine, kus valguse levimiseks ei ole vaja keskkonda.
3. Valgust saab neelata:
See väide on tõene. Valgus on elektromagnetlaine liik. Kõik lained, nii mehaanilised kui ka elektromagnetilised, kannavad energiat, kui nad liiguvad ühest kohast teise. Seetõttu võib osa valguse energiast neelata keskkonnas, millest see läbib. Näiteks kui valgus liigub tasapinnalise peegli poole, peegeldub suurem osa valgusest, kuid peegel neelab väikese osa.
4. Valgus kannab elektrilaengut:
See väide on vale. Valgus on elektromagnetlaine ja elektromagnetlaineid tekitavad võnkuvad elektri- ja magnetväljad. Elektromagnetlaineid kiirgavad kiirenevad elektrilaengud.
Õige vastus on C.
Täiuslik peegeldus
3. Parempoolsel pildil on kujutatud teemantkivi, mis on väga kallis, kuna teemandilt peegelduv valgus on nii sädelev. Selle nähtuse põhjustab…
A. täiuslik murdumine, kus valgus siseneb vähem tihedast keskkonnast tihedamasse keskkonda
B. täiuslik murdumine, mille korral langemisnurk on väiksem kui äärenurk
C. täiuslik peegeldus, kus valgus tuleb vähem tihedast keskkonnast tihedamasse keskkonda
D. täiuslik peegeldus, kus langemisnurk on suurem kui äärenurk
Arutelu
Teemandi valgus paistab sätendavat valguse hajumise ja täiusliku peegeldumise tõttu. Täiuslik peegeldus toimub siis, kui valgus liigub kõrgema murdumisnäitajaga keskkonnast madalama murdumisnäitajaga keskkonda. Näiteks liigub valgus teemandist (kõrgema murdumisnäitajaga) õhku (madalama murdumisnäitajaga). Selle paremaks mõistmiseks uurige allolevat pilti.
Kui valgus liigub suure murdumisnäitajaga keskkonnast väikese murdumisnäitajaga keskkonda, siis paindub valgus normaalist eemale. Kui langemisnurk (i) on suurem, siis on murdumisnurk (r) suurem. Teatud langemisnurga korral on murdumisnurk 90°. Langemisnurka, mille korral murdumisnurk on 90°, nimetatakse kriitiliseks nurgaks (θk) ehk piirnurgaks. Kui langemisnurk on suurem kui kriitiline nurk või piirnurk, siis valgus ei murdu; kogu valgus peegeldub.
Õige vastus on D.
4. 2011. aasta riikliku loodusteaduste olümpiaadi küsimused Regency/Linna tasemel põhikoolidele nr 39
Järgmine nähtus, mis on täiusliku peegelduse sümptom, on….
A. vikerkaar
B. miraaž
C. värviline järv
D. astigmatism
Arutelu
Miraaži nimetatakse täiuslikuks peegeldusnähtuseks, sest selle protsessi käigus ei murra teepind õhust tulevat valgust, vaid näib, nagu peegeldaks teepind kogu valguse. Miraaž tekib seetõttu, et valgus liigub läbi õhukihtide, millel on erinevad murdumisnäitajad nende õhukihtide erineva tiheduse tõttu. Tegelikkuses ei peegelda valgus teepinda, vaid seda murravad (painuvad) erineva murdumisnäitajaga õhukihid.
Õige vastus on B.
5. 2010. aasta riikliku loodusteaduste olümpiaadi küsimused Regency/Linna tasemel põhikoolidele nr 30
Kuumal päeval asfaltteel oleva õlilaigu nägemine on sisuliselt täielik peegeldus, sest…
A. Õhu ülemiste kihtide murdumisnäitaja on suurem kui alumiste kihtide murdumisnäitaja.
B. Õhu ülemiste kihtide murdumisnäitaja on väiksem kui alumistel kihtidel.
C. Veepiisad peegeldavad erinevate peegeldusnurkade all erinevaid värve.
D. Veepiisad murdavad eri värve erinevate murdumisnurkade all.
Arutelu
Näiteks kuumal päeval asfaltteel olev õlilaik on miraaži näide. Miraaž tekib tee lähedal asuva õhukihi ja selle kohal asuva õhukihi murdumisnäitajate erinevuse tõttu.
Kuumal päeval soojendab teekate otse selle kohal olevat õhku, mistõttu on teekatte kohal olev õhukiht kuumem kui ülesvoolu asuv õhukiht. Kuumem õhukiht kogeb suuremat mahupaisumist, mistõttu on see vähem tihe (madalam tihedus). Seevastu selle kohal olev vähem kuum õhukiht kogeb vähem mahupaisumist, mistõttu on see tihedam (suurem tihedus). Seega on alumine õhukiht vähem tihe, ülemine aga tihedam.
Kuna allosas (teepinnale lähemal) olev õhukiht on hõredam, liigub valgus sellest läbi minnes kiiremini, samas kui ülemine õhukiht on tihedam, mistõttu liigub valgus sellest läbi minnes aeglasemalt.
Murdumisnäitaja valem on: n = c / v, kus n on murdumisnäitaja, c = valguse kiirus vaakumis = konstant = 3 x 108 m/s, v = valguse kiirus keskkonnas. Selle valemi põhjal on c fikseeritud nii, et kui v suureneb, siis n väheneb ja vastupidi, kui v väheneb, siis n suureneb.
Valgus liigub alumises õhukihis (suur v) kiiremini, mistõttu alumise õhukihi murdumisnäitaja on väiksem (väike n), samas kui ülemises õhukihis (väike v) liigub valgus aeglasemalt, mistõttu ülemise õhukihi murdumisnäitaja on suurem (suur n).
Õige vastus on A.
murdumisnäitaja
6. Nähtava valguskiire lainepikkus õhus on 510 nm. Kui valguskiir siseneb keskkonda, mille murdumisnäitaja on 1,5, muutub selle lainepikkus….
A. 680 nm
B. 510 nm
C. 340 nm
Laius 170 nm
Arutelu
On teada, et:
Lainepikkus (λ) = 510 nm = 510 x 10-9 meeter
Murdumisnäitaja (n) = 1,5
Küsimus: Lainepikkus (λ) muutub….
Vastus:
Lainepikkus (λ) muutub 340 nanomeetriks.
Õige vastus on C.
7. Selge veega basseini põhjas on näha kala, basseini sügavus on 2 meetrit ja basseini murdumisnäitaja on 4/3. Kui kala on näha peaaegu risti basseini pinnaga, siis kui kaugele kala basseini pinnast paistab?
A. 1 meetri kaugusel basseini pinnast
B. 1,5 meetri kaugusel basseini pinnast
C. 2 meetrit basseini pinnast
D. 2,67 meetrit basseini pinnast
Arutelu
On teada, et:
Basseini murdumisnäitaja = 4/3
Basseini sügavus = 2 meetrit
Küsimus: Kui kaugelt on kala tiigi pinnast näha?
Vastus:
Nähtav kaugus = 1 : n (tegelik kaugus)
Nähtav kaugus = 1 : 4/3 (2 meetrit)
Nähtav kaugus = 1 x 3/4 (2 meetrit)
Nähtav kaugus = 3/4 (2 meetrit)
Nähtav kaugus = 6/4
Nähtav kaugus = 1,5 meetrit
Kalade nähtavuse kaugus tiigi pinnalt = 1,5 meetrit
Õige vastus on B.
8. Valgust saab edastada kanalis, mille murdumisnäitaja keskkonna suhtes on….
A. > 1
B. = 1
C. < 1
D. = 0
Arutelu
Vaakumi murdumisnäitaja = 1,0000
Keskkonna murdumisnäitaja on suurem kui vaakumi murdumisnäitaja.
Õige vastus on A.
Valguse hajumine
9. Hajumisnurk on nurk kahe monokromaatilise valguse värvi vahel, mis tekib juhul, kui….
A. valguse polarisatsioon
B. valguse neeldumine
C. valguse hajumine
D. valguse difraktsioon
Arutelu
Monokromaatiline valgus on valgus, millel on üks värvus või lainepikkus. Valge valgus, nagu päikesevalguski, on kõigi värvide kombinatsioon, millel kõigil on erinev lainepikkus või sagedus. Valge valguse lagunemist nähtavaks spektriks (punane, oranž, kollane, roheline, sinine, indigo ja violetne) nimetatakse valguse dispersiooniks.
Valguse hajumist saab saavutada prismade, veepiiskade või muude objektide abil. Vikerkaar on igapäevaelus valguse hajumise näide, kus päikesevalgust hajutavad vihmapiisad.
Õige vastus on C.
10. 2011. aasta riikliku loodusteaduste olümpiaadi küsimused Regency/Linna tasemel põhikoolidele nr 60
Vikerkaar on värviline lint, mis on kujuline osalise ringina. Allpool on nelja vikerkaarevärvi õige järjekord väikseimast suurima raadiuseni…
A. punane, oranž, kollane, roheline
B. sinine, lilla, roheline, kollane
C. roheline, sinine, indigo, violetne
D. indigo, sinine, roheline, kollane
Arutelu
Vikerkaarevärvide järjekord on punane, oranž, kollane, roheline, sinine, indigo ja lilla.
Punasel valgusel on pikim lainepikkus ja violetsel valgusel lühim. Iga valgusvärvi hälve sõltub selle lainepikkusest.
Kui valge päikesevalgus hajub vihmapiiskade poolt, kaldub pikema lainepikkusega valgus vähem kõrvale, lühema lainepikkusega valgus aga rohkem kõrvale. Punane valgus kaldub kõige vähem kõrvale, kuna selle lainepikkus on pikem, samas kui violetne valgus kaldub kõige rohkem kõrvale, kuna selle lainepikkus on lühem, nagu on näidatud alloleval diagrammil. Seega näeb vaatleja silm punast valgust üleval ja violetset valgust all.
Kõik vikerkaarevärvid on osaliselt ümmarguse kujuga, kus punane valgusring on ülaosas, seega on sellel suurim raadius, samas kui lilla valgusring on allosas, seega on sellel väikseim raadius.
Heledate värvide järjestus suurimast raadiusest väikseimani on punane, oranž, kollane, roheline, sinine, indigo, lilla.
Õige vastus on D.
11. Vee pinnal oleva õlikihi heledad värvid tekivad sündmuse tõttu...
A. sekkumine
B. polarisatsioon
C. dispersi
D. difraktsioon
Arutelu
Õige vastus on C.
