نمونه سوالات و فرمول‌های امواج نور در اپتیک فیزیکی
ویژگی‌های نور
۱. نور یک موج الکترومغناطیسی است، بنابراین نور…
الف. بازتاب را تجربه نمی‌کند
ب. شکست نور را تجربه نمی‌کند
ج. به محیط انتشار نیاز ندارد
د. در انتشار خود انرژی حمل نمی‌کند
پمباهاسان
نور یک موج است، بنابراین، مانند سایر امواج، در طول انتشار خود دچار بازتاب، شکست و حمل انرژی می‌شود. نور یک موج الکترومغناطیسی است، بنابراین برای انتشار به محیط مادی نیاز ندارد.
جواب صحیح C است.
۲. به عبارت زیر توجه کنید:
۱. نور در خط مستقیم حرکت می‌کند
۲. نور یک موج الکترومغناطیسی است
۳. نور قابل جذب است
۴. نور حامل بار الکتریکی است
جمله صحیح در مورد خواص نور این است...
الف. فقط عبارت ۱
ب. گزاره‌های ۱ و ۳
ج. گزاره‌های ۱، ۲ و ۳
د. همه اظهارات صحیح است
پمباهاسان
۱. نور در خط مستقیم حرکت می‌کند.
این گفته درست است زیرا اگرچه نور مانند یک موج عرضی حرکت می‌کند، اما مسیر نور یک خط مستقیم است. در مبحث اپتیک هندسی (بازتاب و شکست نور)، نور به صورت پرتویی تصویر می‌شود که مسیر حرکت آن یک خط مستقیم است.
۲. نور یک موج الکترومغناطیسی است:
این گفته درست است زیرا نور یک موج الکترومغناطیسی است، که در آن انتشار نور به محیط مادی نیاز ندارد.
۳. نور می‌تواند جذب شود:
این گفته درست است. نور نوعی موج الکترومغناطیسی است. همه امواج، چه مکانیکی و چه الکترومغناطیسی، هنگام حرکت از یک مکان به مکان دیگر، انرژی حمل می‌کنند. بنابراین، مقداری از انرژی نور می‌تواند توسط محیطی که از آن عبور می‌کند جذب شود. به عنوان مثال، وقتی نور به سمت یک آینه تخت حرکت می‌کند، بیشتر نور منعکس می‌شود، اما بخش کوچکی توسط آینه جذب می‌شود.
۴. نور حامل بار الکتریکی است:
این گفته نادرست است. نور یک موج الکترومغناطیسی است و امواج الکترومغناطیسی توسط میدان‌های الکتریکی و مغناطیسی نوسانی تولید می‌شوند. امواج الکترومغناطیسی توسط بارهای الکتریکی شتاب‌دار ساطع می‌شوند.
جواب صحیح C است.
انعکاس کامل
۳. تصویر سمت راست یک سنگ جواهر الماس را نشان می‌دهد که بسیار گران‌قیمت است زیرا نوری که از الماس منعکس می‌شود بسیار درخشان است. این پدیده ناشی از…
الف. شکست کامل که در آن نور از محیطی با چگالی کمتر به محیطی با چگالی بیشتر وارد می‌شود
ب. شکست کامل که در آن زاویه تابش کوچکتر از زاویه مرزی است
ج. بازتاب کامل که در آن نور از محیطی با چگالی کمتر به محیطی با چگالی بیشتر می‌آید
د. بازتاب کامل که در آن زاویه تابش بزرگتر از زاویه مرزی است
پمباهاسان
نور الماس به دلیل پراکندگی نور و انعکاس کامل، برق می‌زند. انعکاس کامل زمانی رخ می‌دهد که نور از محیطی با ضریب شکست بالاتر به محیطی با ضریب شکست پایین‌تر حرکت کند. به عنوان مثال، نور از الماس (با ضریب شکست بالاتر) به هوا (با ضریب شکست پایین‌تر) حرکت می‌کند. برای درک بیشتر این موضوع، تصویر زیر را بررسی کنید.
وقتی نور از محیطی با ضریب شکست بزرگ به محیطی با ضریب شکست کوچک حرکت می‌کند، نور از خط عمود منحرف می‌شود. اگر زاویه تابش (i) بزرگتر باشد، زاویه شکست (r) نیز بزرگتر است. در یک زاویه تابش خاص، زاویه شکست ۹۰ درجه است. زاویه تابش وقتی زاویه شکست ۹۰ درجه است، زاویه بحرانی (θk) یا زاویه حد نامیده می‌شود. اگر زاویه تابش بزرگتر از زاویه بحرانی یا زاویه حد باشد، هیچ نوری شکسته نمی‌شود؛ تمام نور منعکس می‌شود.
جواب صحیح D است.
۴. سوالات المپیاد علمی سراسری سال ۲۰۱۱ برای مدارس راهنمایی در سطح ریجنسی/شهرستان شماره ۵۶
پدیده زیر که نشانه‌ای از انعکاس کامل است، عبارت است از...
الف. رنگین کمان
ب. سراب
دریاچه رنگی C.
د. آستیگماتیسم
پمباهاسان
سراب پدیده‌ای با بازتاب کامل نامیده می‌شود، زیرا در این فرآیند، هیچ نوری که از هوا می‌آید توسط سطح جاده شکسته نمی‌شود، اما به نظر می‌رسد که تمام نور توسط سطح جاده منعکس می‌شود. سراب‌ها به این دلیل رخ می‌دهند که نور از لایه‌هایی از هوا که به دلیل چگالی‌های مختلف این لایه‌های هوا، ضریب شکست متفاوتی دارند، عبور می‌کند. در واقع، نور توسط سطح جاده منعکس نمی‌شود، بلکه توسط لایه‌هایی از هوا که ضریب شکست متفاوتی دارند، شکسته (خم) می‌شود.
جواب صحیح B است.
۴. سوالات المپیاد علمی سراسری سال ۲۰۱۱ برای مدارس راهنمایی در سطح ریجنسی/شهرستان شماره ۵۶
دیدن یک لکه نفت روی سطح جاده آسفالت در یک روز گرم اساساً یک رویداد بازتاب کامل است زیرا…
الف) ضریب شکست لایه های بالایی هوا بیشتر از لایه های پایینی است.
ب- ضریب شکست لایه های بالایی هوا کوچکتر از لایه های پایینی است.
ج- قطرات آب در زوایای مختلف بازتاب، رنگ های متفاوتی را منعکس می کنند.
د. قطرات آب رنگ‌های مختلف را در زوایای شکست مختلف می‌شکنند.
پمباهاسان
صحنه‌ای مانند لکه روغن روی جاده آسفالت در یک روز گرم، نمونه‌ای از سراب است. سراب‌ها به دلیل اختلاف ضریب شکست بین لایه هوای نزدیک جاده و لایه هوای بالای آن رخ می‌دهند.
در یک روز گرم، سطح جاده هوای بالای خود را گرم می‌کند و باعث می‌شود لایه هوای بالای سطح جاده داغ‌تر از لایه هوای بالای آن باشد. لایه هوای گرم‌تر انبساط حجمی بیشتری را تجربه می‌کند و باعث می‌شود چگالی کمتری داشته باشد (چگالی کمتر). برعکس، لایه هوای گرم‌تر بالای آن انبساط حجمی کمتری را تجربه می‌کند و آن را چگال‌تر (چگالی بالاتر) می‌کند. بنابراین لایه هوای پایینی چگالی کمتری دارد، در حالی که لایه هوای بالایی چگال‌تر است.
از آنجا که لایه هوا در پایین (نزدیک‌تر به سطح جاده) چگالی کمتری دارد، نور هنگام عبور از آن سریع‌تر حرکت می‌کند، در حالی که لایه هوا در بالا چگالی بیشتری دارد، بنابراین نور هنگام عبور از آن کندتر حرکت می‌کند.
فرمول ضریب شکست به صورت زیر است: n = c / v، که در آن n ضریب شکست، c = سرعت نور در خلاء = ثابت = 3 x 108 m/s، v = سرعت نور در محیط. بر اساس این فرمول، c ثابت است به طوری که اگر v بزرگتر شود، n کوچکتر می‌شود و برعکس اگر v کاهش یابد، n بزرگتر می‌شود.
نور در لایه هوای پایینی (v بزرگ) سریع‌تر حرکت می‌کند، بنابراین لایه هوای پایینی ضریب شکست کمتری دارد (n کوچک) در حالی که نور در لایه هوای بالایی (v کوچک) کندتر حرکت می‌کند، بنابراین لایه هوای بالایی ضریب شکست بیشتری دارد (n بزرگ).
جواب صحیح الف است.
ضریب شکست
۶. یک پرتو نور مرئی در هوا طول موج ۵۱۰ نانومتر دارد. اگر پرتو نور وارد محیطی با ضریب شکست ۱.۵ شود، طول موج آن به ... تغییر می‌کند.
الف. ۶۸۰ نانومتر
ب. ۵۱۰ نانومتر
ج. ۳۴۰ نانومتر
د. ۱۷۰ نانومتر
پمباهاسان
معلوم است که:
طول موج (λ) = 510 نانومتر = 510 × 10-9 متر
ضریب شکست (n) = ۱.۵
سوال: طول موج (λ) به ... تغییر می‌کند.
جواب:
طول موج (λ) به 340 نانومتر تغییر می‌کند.
جواب صحیح C است.
۷- یک ماهی در کف یک استخر شفاف دیده می شود، عمق استخر ۲ متر است، ضریب شکست نور استخر ۴/۳ است. اگر ماهی تقریباً عمود بر سطح استخر دیده شود، ماهی در چه فاصله ای از سطح استخر قابل مشاهده است؟
الف. ۱ متر از سطح استخر
ب. ۱.۵ متر از سطح استخر
ج. ۲ متر از سطح استخر
د. ۲.۶۷ متر از سطح استخر
پمباهاسان
معلوم است که:
ضریب شکست استخر = 4/3
عمق استخر = ۲ متر
سوال: ماهی‌ها از چه فاصله‌ای از سطح برکه دیده می‌شوند؟
جواب:
فاصله ظاهری = ۱:n (فاصله واقعی)
فاصله ظاهری = ۱:۴/۳ (۲ متر)
فاصله ظاهری = ۱ × ۳/۴ (۲ متر)
فاصله ظاهری = ¾ (۲ متر)
فاصله ظاهری = ۶/۴
فاصله ظاهری = ۱.۵ متر
فاصله ماهی قابل مشاهده از سطح استخر = 1,5 متر
جواب صحیح B است.
۸. نور می‌تواند در کانالی که ضریب شکست آن نسبت به محیط ... است، منتقل شود.
الف. > ۱
ب. = ۱
ج. < 1
د. = 0
پمباهاسان
ضریب شکست خلاء = ۱.۰۰۰۰
ضریب شکست یک محیط، بزرگتر از ضریب شکست خلاء است.
جواب صحیح الف است.
پراکندگی نور
۹. زاویه پراکندگی، زاویه بین دو رنگ نور تک رنگ است که در صورت ... رخ می‌دهد.
الف. قطبش نور
ب. جذب نور
ج. پراکندگی نور
د. پراش نور
پمباهاسان
نور تک رنگ، نوری است که یک رنگ یا طول موج دارد. نور سفید، مانند نور خورشید، ترکیبی از همه رنگ‌ها است که هر کدام طول موج یا فرکانس متفاوتی دارند. تجزیه نور سفید به طیف مرئی (قرمز، نارنجی، زرد، سبز، آبی، نیلی و بنفش) پاشندگی نور نامیده می‌شود.
پراکندگی نور می‌تواند توسط منشورها، قطرات آب یا اشیاء دیگر حاصل شود. رنگین‌کمان‌ها نمونه‌ای از پراکندگی نور در زندگی روزمره هستند، جایی که نور خورشید توسط قطرات باران پراکنده می‌شود.
جواب صحیح C است.
۴. سوالات المپیاد علمی سراسری سال ۲۰۱۱ برای مدارس راهنمایی در سطح ریجنسی/شهرستان شماره ۵۶
رنگین‌کمان به شکل یک روبان رنگارنگ به شکل یک دایره ناقص ظاهر می‌شود. ترتیب صحیح چهار رنگ رنگین‌کمان در زیر، از کوچکترین به بزرگترین شعاع، به شرح زیر است...
الف) قرمز، نارنجی، زرد، سبز
ب. آبی، بنفش، سبز، زرد
ج. سبز، آبی، نیلی، بنفش
د. نیلی، آبی، سبز، زرد
پمباهاسان
ترتیب رنگ‌های رنگین‌کمان قرمز، نارنجی، زرد، سبز، آبی، نیلی و بنفش است.
نور قرمز بلندترین طول موج را دارد، در حالی که نور بنفش کوتاه‌ترین طول موج را دارد. انحراف هر رنگ نور به طول موج آن بستگی دارد.
وقتی نور سفید خورشید توسط قطرات باران پراکنده می‌شود، نوری که طول موج بلندتری دارد کمتر منحرف می‌شود، در حالی که نوری که طول موج کوتاه‌تری دارد بیشتر منحرف می‌شود. نور قرمز به دلیل طول موج بلندترش، کمترین انحراف را دارد، در حالی که نور بنفش به دلیل طول موج کوتاه‌ترش، بیشترین انحراف را دارد، همانطور که در نمودار زیر نشان داده شده است. بنابراین، چشم ناظر نور قرمز را در بالا و نور بنفش را در پایین می‌بیند.
تمام رنگ‌های نور رنگین‌کمان تا حدی دایره‌ای شکل هستند، که دایره قرمز نور در بالا قرار دارد، بنابراین بزرگترین شعاع را دارد، در حالی که دایره بنفش نور در پایین است، بنابراین کوچکترین شعاع را دارد.
ترتیب رنگ‌های نور از بزرگترین شعاع به کوچکترین شعاع عبارت است از قرمز، نارنجی، زرد، سبز، آبی، نیلی، بنفش.
جواب صحیح D است.
۱۱. رنگ‌های روشن لایه روغن روی سطح آب به دلیل رویداد ... ایجاد می‌شوند.
الف. تداخل
ب. قطبش
C. پراکندگی
د. پراش
پمباهاسان
جواب صحیح C است.
