Esimerkkejä kysymyksistä ja kaavoista, jotka koskevat valoaaltoja fyysisessä optiikassa
Valon ominaisuudet
1. Valo on sähkömagneettinen aalto, siksi valo….
A. Ei koe heijastusta
B. Ei koe taittumista
C. Ei vaadi lisääntymisalustaa
D. Ei kanna energiaa etenemisessään
Keskustelu
Valo on aalto, joten se heijastuu, taittuu ja kuljettaa energiaa etenemisensä aikana, aivan kuten muutkin aallot. Valo on sähkömagneettinen aalto, joten se ei tarvitse väliainetta etenemiseen.
Oikea vastaus on C.
2. Kiinnitä huomiota seuraavaan lauseeseen:
1. Valo liikkuu suorassa linjassa
2. Valo on sähkömagneettinen aalto
3. Valo voi imeytyä
4. Valo kantaa sähkövarausta
Oikea väite valon ominaisuuksista on...
A. vain lause 1
B. väittämät 1 ja 2
C. väittämät 1, 2 ja 3
D. kaikki väittämät ovat totta
Keskustelu
1. Valo liikkuu suorassa linjassa.
Tämä väite pitää paikkansa, koska vaikka valo liikkuu kuin poikittainen aalto, valon reitti on suora viiva. Geometrisessa optiikassa (valon heijastuminen ja taittuminen) valo kuvataan säteenä, jonka liikerata on suora viiva.
2. Valo on sähkömagneettinen aalto:
Tämä väite pitää paikkansa, koska valo on sähkömagneettinen aalto, jossa valon eteneminen ei vaadi väliainetta.
3. Valo voi absorboitua:
Tämä väite pitää paikkansa. Valo on eräänlainen sähkömagneettinen aalto. Kaikki aallot, sekä mekaaniset että sähkömagneettiset, kuljettavat energiaa kulkiessaan paikasta toiseen. Siksi osa valon energiasta voi absorboitua väliaineeseen, jonka läpi se kulkee. Esimerkiksi kun valo kulkee kohti tasopeiliä, suurin osa valosta heijastuu, mutta peili absorboi pienen osan.
4. Valo kantaa sähkövarausta:
Tämä väite on väärä. Valo on sähkömagneettinen aalto, ja sähkömagneettiset aallot syntyvät värähtelevistä sähkö- ja magneettikentistä. Sähkömagneettiset aallot lähtevät kiihtyvistä sähkövarauksista.
Oikea vastaus on C.
Täydellinen heijastus
3. Oikealla olevassa kuvassa on timanttikoru, joka on erittäin kallis, koska timantin heijastama valo on niin säihkyvää. Tämä ilmiö johtuu…
A. täydellinen taittuminen, jossa valo kulkee harvemmasta väliaineesta tiheämpään väliaineeseen
B. täydellinen taittuminen, jossa tulokulma on pienempi kuin reunakulma
C. täydellinen heijastus, jossa valo tulee harvemmasta väliaineesta tiheämpään väliaineeseen
D. täydellinen heijastus, jossa tulokulma on suurempi kuin reunakulma
Keskustelu
Timantin valo näyttää kimaltelevan valon hajaantumisen ja täydellisen heijastumisen ansiosta. Täydellinen heijastuminen tapahtuu, kun valo siirtyy korkeamman taitekertoimen omaavasta väliaineesta matalamman taitekertoimen omaavaan väliaineeseen. Esimerkiksi valo siirtyy timantista (jolla on korkeampi taitekerroin) ilmaan (jolla on matalampi taitekerroin). Ymmärtääksesi tätä paremmin, tutki alla olevaa kuvaa.
Kun valo siirtyy suuren taitekertoimen omaavasta väliaineesta pienen taitekertoimen omaavaan väliaineeseen, valo taittuu poispäin normaalistaan. Jos tulokulma (i) on suurempi, taittumiskulma (r) on suurempi. Tietyllä tulokulmalla taittumiskulma on 90o. Tulokulmaa, jossa taittumiskulma on 90o, kutsutaan kriittiseksi kulmaksi (θk) tai rajakulmaksi. Jos tulokulma on suurempi kuin kriittinen kulma tai rajakulma, valo ei taitu; kaikki valo heijastuu.
Oikea vastaus on D.
4. Vuoden 2011 kansallisten luonnontieteiden olympialaisten kysymykset yläkouluille Regency/City-tasolla nro 39
Seuraava ilmiö, joka on täydellisen heijastuksen oire, on….
A. sateenkaari
B. kangastus
C. värillinen järvi
D. hajataittoisuus
Keskustelu
Kangastusta kutsutaan täydelliseksi heijastusilmiöksi, koska tässä prosessissa mikään ilmasta tuleva valo ei taitu tien pinnasta, vaan näyttää siltä kuin kaikki valo heijastuisi tien pinnasta. Kangastukset syntyvät, koska valo kulkee ilmakerrosten läpi, joilla on erilaiset taitekertoimet näiden ilmakerrosten erilaisten tiheyksien vuoksi. Todellisuudessa valo ei heijastu tien pinnasta, vaan se taittuu (taipuu) ilmakerrosten vaikutuksesta, joilla on erilaiset taitekertoimet.
Oikea vastaus on B.
5. Vuoden 2010 kansallisten luonnontieteiden olympialaisten kysymykset yläkouluille Regency/City-tasolla nro 30
Öljylaastin näkeminen asfalttitien pinnalla kuumana päivänä on pohjimmiltaan täydellinen heijastustapahtuma, koska….
A. Ilman ylempien kerrosten taitekerroin on suurempi kuin alempien kerrosten.
B. Ilman ylempien kerrosten taitekerroin on pienempi kuin alempien kerrosten.
C. Vesipisarat heijastavat eri värejä eri heijastuskulmista.
D. Vesipisarat taittavat eri värejä eri taitekulmilla.
Keskustelu
Esimerkki kangastuksesta on öljylautta asfalttitiellä kuumana päivänä. Kangastus syntyy tien lähellä olevan ilmakerroksen ja sen yläpuolella olevan ilmakerroksen taitekertoimien eron vuoksi.
Kuumana päivänä tienpinta lämmittää suoraan sen yläpuolella olevaa ilmaa, jolloin suoraan tienpinnan yläpuolella oleva ilmakerros on kuumempi kuin ylävirtaan oleva ilmakerros. Kuumempi ilmakerros kokee suuremman tilavuuden laajenemisen, mikä tekee siitä vähemmän tiheän (pienempi tiheys). Kääntäen, mitä vähemmän kuumaa ilmakerrosta sen yläpuolella on, sitä vähemmän tilavuuden laajeneminen tekee siitä tiheämmän (suurempi tiheys). Näin ollen alempi ilmakerros on vähemmän tiheä, kun taas ylempi ilmakerros on tiheämpi.
Koska pohjalla (lähempänä tienpintaa) oleva ilmakerros on harvempi, valo liikkuu nopeammin kulkiessaan sen läpi, kun taas ylhäällä oleva ilmakerros on tiheämpi, joten valo liikkuu hitaammin kulkiessaan sen läpi.
Taitekertoimen kaava on: n = c / v, jossa n on taitekerroin, c = valonnopeus tyhjiössä = vakio = 3 x 108 m/s, v = valonnopeus väliaineessa. Tämän kaavan perusteella c on kiinteä siten, että jos v kasvaa, n pienenee ja päinvastoin, jos v pienenee, n kasvaa.
Valo liikkuu nopeammin alemmassa ilmakerroksessa (suuri v), joten alemmalla ilmakerroksella on pienempi taitekerroin (pieni n), kun taas valo liikkuu hitaammin ylemmässä ilmakerroksessa (pieni v), joten ylemmällä ilmakerroksella on suurempi taitekerroin (suuri n).
Oikea vastaus on A.
taitekerroin
6. Näkyvän valonsäteen aallonpituus ilmassa on 510 nm. Jos valonsäde saapuu väliaineeseen, jonka taitekerroin on 1,5, sen aallonpituus muuttuu muotoon….
A. 680 nm
B. 510 nm
C. 340 nm
Halkaisija 170 nm
Keskustelu
Tiedetään, että:
Aallonpituus (λ) = 510 nm = 510 x 10-9 mittari
Taitekerroin (n) = 1,5
Kysymys: Aallonpituus (λ) muuttuu muotoon….
Vastaus:
Aallonpituus (λ) muuttuu 340 nanometriksi.
Oikea vastaus on C.
7. Kala näkyy kirkkaan altaan pohjassa, altaan syvyys on 2 metriä ja altaan taitekerroin 4/3. Jos kala näkyy lähes kohtisuorassa altaan pintaan nähden, kuinka kaukana kala näkyy altaan pinnasta?
A. 1 metrin päässä altaan pinnasta
B. 1,5 metriä altaan pinnasta
C. 2 metriä altaan pinnasta
D. 2,67 metriä altaan pinnasta
Keskustelu
Tiedetään, että:
Altaan taitekerroin = 4/3
Altaan syvyys = 2 metriä
Kysymys: Kuinka kauas kala näkyy lammen pinnasta?
Vastaus:
Näennäinen etäisyys = 1 : n (todellinen etäisyys)
Näennäinen etäisyys = 1 : 4/3 (2 metriä)
Näennäinen etäisyys = 1 x 3/4 (2 metriä)
Näennäinen etäisyys = 3/4 (2 metriä)
Näennäinen etäisyys = 6/4
Näennäinen etäisyys = 1,5 metriä
Kalojen näkyvyys lammen pinnalta = 1,5 metriä
Oikea vastaus on B.
8. Valo voi kulkea kanavassa, jonka taitekerroin ympäristöön nähden on….
A. > 1
B. = 1
C. < 1
D. = 0
Keskustelu
Tyhjiön taitekerroin = 1,0000
Väliaineen taitekerroin on suurempi kuin tyhjiön taitekerroin.
Oikea vastaus on A.
Valon hajaantuminen
9. Dispersiokulma on kahden monokromaattisen valon värin välinen kulma, joka syntyy, jos….
A. valon polarisaatio
B. valon absorptio
C. valon hajaantuminen
D. valon diffraktio
Keskustelu
Monokromaattinen valo on valoa, jolla on yksi väri tai aallonpituus. Valkoinen valo, kuten auringonvalo, on kaikkien värien yhdistelmä, joilla jokaisella on eri aallonpituus tai taajuus. Valkoisen valon hajoamista näkyvään spektriin (punainen, oranssi, keltainen, vihreä, sininen, indigo ja violetti) kutsutaan valon dispersioksi.
Valon hajaantumista voidaan saada aikaan prismojen, vesipisaroiden tai muiden esineiden avulla. Sateenkaari on esimerkki valon hajaannuksesta jokapäiväisessä elämässä, jossa auringonvalo hajaantuu sadepisaroiden avulla.
Oikea vastaus on C.
10. Vuoden 2011 kansallisten luonnontieteiden olympialaisten kysymykset yläkouluille Regency/City-tasolla nro 60
Sateenkaari näkyy värikkäänä nauhana, joka on muodoltaan osittainen ympyrä. Alla olevien neljän sateenkaaren värin oikea järjestys pienimmästä suurimpaan säteeseen on…
A. punainen, oranssi, keltainen, vihreä
B. sininen, violetti, vihreä, keltainen
C. vihreä, sininen, indigo, violetti
D. indigo, sininen, vihreä, keltainen
Keskustelu
Sateenkaaren värien järjestys on punainen, oranssi, keltainen, vihreä, sininen, indigo ja violetti.
Punaisella valolla on pisin aallonpituus, kun taas violetilla valolla on lyhin. Kunkin valon värin taipuminen riippuu sen aallonpituudesta.
Kun sadepisarat hajottavat valkoista auringonvaloa, pidempien aallonpituuksien valo taittuu vähemmän, kun taas lyhyempien aallonpituuksien valo taittuu enemmän. Punainen valo taittuu vähiten, koska sen aallonpituus on pidempi, kun taas violetti valo taittuu eniten, koska sen aallonpituus on lyhyempi, kuten alla olevasta kaaviosta käy ilmi. Näin ollen havaitsijan silmä näkee punaisen valon ylhäällä ja violetin valon alhaalla.
Kaikki sateenkaaren valon värit ovat ympyrän muotoisia, jossa punainen valokehä on ylhäällä, joten sillä on suurin säde, kun taas violetti valokehä on alhaalla, joten sillä on pienin säde.
Vaalean värin järjestys suurimmasta säteestä pienimpään on punainen, oranssi, keltainen, vihreä, sininen, indigo, violetti.
Oikea vastaus on D.
11. Veden pinnalla olevan öljykerroksen vaaleat värit johtuvat tapahtumasta...
A. häiriö
B. polarisaatio
C. dispersi
D. diffraktio
Keskustelu
Oikea vastaus on C.
