Näkyvän valon keskustelua käsitteleviä esimerkkikysymyksiä
Johdanto
Näkyvä valo on ihmissilmälle näkyvä osa sähkömagneettisesta spektristä. Näkyvän valon aallonpituusalue on noin 380–740 nanometriä. Tämä valo koostuu useista väreistä, jotka voidaan erottaa taittumisen tai diffraktion avulla. Tätä ilmiötä tutkitaan usein fysiikassa, erityisesti optiikan luvussa.
Valo on jokapäiväisessä elämässä välttämätön energiamuoto ja keskeinen aihe useissa fysiikan ongelmissa. Tässä artikkelissa käsittelemme useita esimerkkiongelmia ja niiden ratkaisemista, jotka liittyvät näkyvään valoon.
Katso myös Soal ja Pembahasan
Kysymys 1: Valkoisen valon spektri
Lasiprismaa käytetään valkoisen valonsäteen erottamiseen sen osaväreihin. Listaa prisman läpi taittuvan valkoisen valon värispektri lyhyimmästä pisimpään aallonpituuteen.
Keskustelu:
Valkoinen valo koostuu eri väreistä, joilla on eri aallonpituudet. Kun valkoinen valo kulkee prisman läpi, jokainen värikomponentti taittuu eri kulmassa aallonpituudestaan riippuen. Värien järjestys lyhyimmästä pisimpään aallonpituus on:
1. Violetti
2. Sininen
3. Vihreä
4. Keltainen
5. Oranssi
6. Punainen
Violetilla on lyhin aallonpituus (~380 nm) ja se taipuu eniten, kun taas punaisella on pisin aallonpituus (~700 nm) ja se taipuu vähiten.
Kysymys 2: Taitekerroin
Monokromaattinen valo, jonka aallonpituus on 600 nm, on vedessä, jonka taitekerroin on \(n\). Valo tulee toiseen väliaineeseen, lasiin, jonka taitekerroin on 1,5. Laske taitekulma, jos valon tulokulma vedessä on 30 astetta. Veden taitekerroin on 1,33.
Keskustelu:
Käytä Snellin lakia, joka sanoo, että:
\[n_1 \sin \theta_1 = n_2 \sin \theta_2 \]
Annettu:
– Veden taitekerroin, \(n_1 = 1,33 \)
– Lasin taitekerroin, \(n_2 = 1,5 \)
– Tulokulma vedessä, \( \theta_1 = 30^\circ \)
Niin:
\[ 1,33 \sin 30^\circ = 1,5 \sin \theta_2 \]
Koska \(\sin 30^\circ = 0,5\), sijoita yhtälöön:
\[1,33 kertaa 0,5 = 1,5 sin \theta_2 \]
\[0,665 = 1,5 \sin \theta_2 \]
\[ \sin \theta_2 = \frac{0,665}{1,5} \]
\[ \sin \theta_2 = 0,4433 \]
Etsi taittumiskulma \( \theta_2 \):
\[ \theta_2 = \sin^{-1}(0,4433) \noin 26,4^\circ \]
Joten lasin taittumiskulma \( \theta_2 \) on noin 26,4 astetta.
Kysymys 3: Valon aiheuttama interferenssi
Kahta kapeaa yhdensuuntaista rakoa, joiden välinen etäisyys on \(d = 0,1\) mm, valaistaan monokromaattisella valonsäteellä, jonka aallonpituus on \(\lambda = 500\) nm. Valonsäde tuottaa interferenssikuvion valkokankaalle 2 metrin etäisyydelle raoista. Laske kahden peräkkäisen kirkkaan juovan välinen etäisyys valkokankaalla.
Keskustelu:
Käytä yhtälöä kahden peräkkäisen kirkkaan kaistan välisen etäisyyden laskemiseen kahden raon interferenssikuviossa:
\[ \Delta y = \frac{\lambda L}{d} \]
Annettu:
– Valon aallonpituus, \( \lambda = 500 \times 10^{-9} \) metriä
– Etäisyys raosta seulaan, \(L = 2 \) metriä
– Kahden raon välinen etäisyys, \(d = 0,1 \x 10^{-3} \) metriä
Korvaa nämä arvot:
\[ \Delta y = \frac{500 \times 10^{-9} \text{ m} \times 2 \text{ m}}{0,1 \times 10^{-3} \text{ m}} \]
\[ \Delta y = \frac{1000 \times 10^{-9} \text{ m}}{0,1 \times 10^{-3} \text{ m}} \]
\[ \Delta y = \frac{1000 \times 10^{-9}}{10^{-4}} \]
\[ \Delta y = 10^{-5 + 4} \]
\[ \Delta y = 10^{-1} \]
\[ \Delta y = 0,01 \text{ m} \]
Joten kahden peräkkäisen kirkkaan raidan välinen etäisyys näytöllä on 0,01 metriä eli 1 cm.
Kysymys 4: Valon diffraktio
Valo, jonka aallonpituus on \( \lambda = 600 \) nm, kulkee yhden \(a = 0,02\) mm leveän raon läpi. Tuloksena oleva diffraktiokuvio tallennetaan valkokankaalle 3 metrin etäisyydelle raosta. Laske diffraktiokuvion keskikohdasta lasketun ensimmäisen tumman juovan leveys.
Keskustelu:
Käytä yhtälöä ensimmäisen tumman juovan leveyden laskemiseksi (yksirakoinen diffraktiokuvio):
\[y = \frac{m \lambda L}{a} \]
Ensimmäiselle tummalle kaistalle \(m = 1 \):
\[y = \frac{1 \times 600 \times 10^{-9} \text{ m} \times 3 \text{ m}}{0,02 \times 10^{-3} \text{ m}} \]
Arvojen korvaaminen:
\[y = \frac{600 \times 10^{-9} \text{ m} \times 3 \text{ m}}{0,02 \times 10^{-3} \text{ m}} \]
\[y = \frac{1800 \times 10^{-9} \text{ m}}{0,02 \times 10^{-3} \text{ m}} \]
\[y = \frac{1800}{0,02} \times 10^{-6} \text{m} \]
\[y = \frac{1800}{0,02} \times 10^{-6} \text{m} \]
\[ y = 90000 \x 10^{-6} \text{ m} \]
\[ y = 0,09 \tekst{ m} \]
Joten ensimmäisen tumman kaistan leveys diffraktiokuvion keskeltä on 0,09 metriä tai 9 cm.
Johtopäätös
Näkyvä valo on ihmissilmän havaittavissa oleva sähkömagneettisen spektrin alue, ja se on ratkaisevan tärkeää optisille ilmiöille, kuten taittumiselle, interferenssille ja diffraktiolle. Peruskäsitteiden ymmärtäminen ja näihin ilmiöihin liittyvien ongelmien ratkaiseminen on ratkaisevan tärkeää opiskelijoille ja tutkijoille. Tässä artikkelissa olemme tarkastelleet useita esimerkkiongelmia selityksineen, jotka auttavat meitä ymmärtämään, miten näkyvä valo vuorovaikuttaa väliaineen kanssa ja tuottaa erilaisia optisia ilmiöitä. Paremman ymmärryksen avulla voimme tutkia näkyvän valon muita sovelluksia tieteessä ja teknologiassa.
