Példák a fizikai optikában található fényhullámokra vonatkozó kérdésekre és képletekre
A fény jellemzői
1. A fény elektromágneses hullám, ezért a fény….
A. Nem tapasztal tükröződést
B. Nem tapasztal fénytörést
C. Nem igényel szaporítóközeget
D. Nem szállít energiát a terjedése során
Vita
A fény hullám, ezért visszaverődik, megtörik és energiát szállít terjedése során, akárcsak más hullámok. A fény elektromágneses hullám, tehát terjedéséhez nincs szükség közegre.
A helyes válasz a C.
2. Figyeljen a következő állításra:
1. A fény egyenes vonalban mozog
2. A fény elektromágneses hullám
3. A fény elnyelhető
4. A fény elektromos töltést hordoz
A fény tulajdonságaival kapcsolatos helyes állítás a következő...
A. csak az 1. állítás
B. 1. és 2. állítás
C. 1., 2. és 3. állítás
D. minden állítás igaz
Vita
1. A fény egyenes vonalban mozog.
Ez az állítás azért igaz, mert bár a fény transzverzális hullámként mozog, a fény útja egyenes vonalú. A geometriai optika (fény visszaverődése és törése) témakörében a fényt egy olyan sugárként ábrázolják, amelynek mozgási pályája egyenes vonalú.
2. A fény elektromágneses hullám:
Ez az állítás azért igaz, mert a fény elektromágneses hullám, ahol a fény terjedéséhez nincs szükség közegre.
3. A fény elnyelhető:
Ez az állítás igaz. A fény egyfajta elektromágneses hullám. Minden hullám, mind a mechanikai, mind az elektromágneses hullám, energiát szállít, miközben egyik helyről a másikra halad. Ezért a fény energiájának egy részét elnyelheti az a közeg, amelyen áthalad. Például, amikor a fény egy síktükör felé halad, a fény nagy része visszaverődik, de egy kis részét a tükör elnyeli.
4. A fény elektromos töltést hordoz:
Ez az állítás hamis. A fény elektromágneses hullám, és az elektromágneses hullámokat oszcilláló elektromos és mágneses mezők keltik. Az elektromágneses hullámokat gyorsuló elektromos töltések bocsátják ki.
A helyes válasz a C.
Tökéletes tükröződés
3. A jobb oldali képen egy gyémánt ékszer látható, ami nagyon drága, mert a gyémánt által visszavert fény annyira csillogó. Ezt a jelenséget a következő okozza…
A. tökéletes fénytörés, ahol a fény egy kevésbé sűrű közegből egy sűrűbb közegbe jut
B. tökéletes fénytörés, ahol a beesési szög kisebb, mint a határszög
C. tökéletes visszaverődés, ahol a fény egy kevésbé sűrű közegből egy sűrűbb közegbe érkezik
D. tökéletes visszaverődés, ahol a beesési szög nagyobb, mint a határszög
Vita
A gyémánt fénye a fényszórás és a tökéletes visszaverődés miatt szikrázónak tűnik. Tökéletes visszaverődés akkor következik be, amikor a fény egy magasabb törésmutatójú közegből egy alacsonyabb törésmutatójú közegbe kerül. Például a fény a (magasabb törésmutatójú) gyémántból a (alacsonyabb törésmutatójú) levegőbe jut. Ennek jobb megértéséhez vizsgálja meg az alábbi képet.
Amikor a fény egy nagy törésmutatójú közegből egy kis törésmutatójú közegbe halad, a fény eltér a merőlegestől. Ha a beesési szög (i) nagyobb, akkor a törési szög (r) is nagyobb. Egy bizonyos beesési szögnél a törési szög 90°. A 90°-os törési szöghöz tartozó beesési szöget kritikus szögnek (θk) vagy határszögnek nevezzük. Ha a beesési szög nagyobb, mint a kritikus szög vagy határszög, akkor nem törik meg a fény; minden fény visszaverődik.
A helyes válasz a D.
4. 2011. évi Országos Természettudományi Olimpia kérdései Regency/Városi szintű Általános Iskolák Számára, 39. sz.
A következő jelenség, amely a tökéletes visszaverődés tünete, a következő:…
A. szivárvány
B. délibáb
C. színes tó
D. asztigmatizmus
Vita
A délibábot tökéletes visszaverődési jelenségnek nevezik, mivel ennek a folyamatnak a során a levegőből érkező fény nem törik meg az útfelületen, hanem úgy tűnik, mintha az összes fényt visszaverné az útfelület. A délibábok azért keletkeznek, mert a fény különböző törésmutatójú levegőrétegeken halad át, amelyek eltérő sűrűségűek. A valóságban a fényt nem az útfelület veri vissza, hanem különböző törésmutatójú levegőrétegek törik meg (hajlítják).
A helyes válasz a B.
5. 2010. évi Országos Természettudományi Olimpia kérdései Regency/Városi szintű Általános Iskolák Számára, 30. sz.
Egy forró napon az aszfaltúton lévő olajfolt látványa lényegében teljes visszaverődésnek számít, mert…
A. A levegő felső rétegeinek törésmutatója nagyobb, mint az alsó rétegeké.
B. A levegő felső rétegeinek törésmutatója kisebb, mint az alsó rétegeké.
C. A vízcseppek különböző színeket vernek vissza különböző visszaverődési szögek alatt.
D. A vízcseppek különböző színeket törnek meg különböző törési szögek alatt.
Vita
Egy példa a délibábra, például egy olajfolt az aszfaltúton egy forró napon. A délibábok az út közelében lévő levegőréteg és a felette lévő levegőréteg törésmutatójának különbsége miatt keletkeznek.
Egy forró napon az útfelület felmelegíti a közvetlenül felette lévő levegőt, így a közvetlenül az útfelület feletti légréteg melegebb lesz, mint a folyásiránnyal szemben lévő. A melegebb légréteg nagyobb térfogat-tágulással jár, így kevésbé sűrű (alacsonyabb sűrűségű). Fordítva, a felette lévő kevésbé meleg légréteg kisebb térfogat-tágulással jár, így sűrűbb (nagyobb sűrűségű). Tehát az alsó légréteg kevésbé sűrű, míg a felső légréteg sűrűbb.
Mivel az alsó (az útfelülethez közelebbi) levegőréteg kevésbé sűrű, a fény gyorsabban halad át rajta, míg a felső levegőréteg sűrűbb, ezért a fény lassabban halad át rajta.
A törésmutató képlete: n = c / v, ahol n a törésmutató, c = a fénysebesség vákuumban = állandó = 3 x 108 m/s, v = a fénysebesség a közegben. E képlet alapján c rögzített, tehát ha v nagyobb lesz, akkor n kisebb lesz, és fordítva, ha v csökken, akkor n nagyobb lesz.
A fény gyorsabban mozog az alsó levegőrétegben (nagy v), így az alsó levegőréteg törésmutatója kisebb (kicsi n), míg a felső levegőrétegben lassabban mozog a fény (kicsi v), így a felső levegőréteg törésmutatója nagyobb (nagy n).
A helyes válasz az A.
törésmutató
6. Egy látható fénysugár hullámhossza levegőben 510 nm. Ha a fénysugár egy 1,5-ös törésmutatójú közegbe lép, a hullámhossza…-ra változik.
A. 680 nm
B. 510 nm
C. 340 nm
D. 170 nm
Vita
Köztudott, hogy:
Hullámhossz (λ) = 510 nm = 510 x 10-9 méter
Törésmutató (n) = 1,5
Kérdés: A hullámhossz (λ) erre változik….
Válasz:
A hullámhossz (λ) 340 nanométerre változik.
A helyes válasz a C.
7. Egy hal látható egy tiszta medence fenekén, a medence mélysége 2 méter, a medence törésmutatója 4/3. Ha a halat majdnem merőlegesen látjuk a medence felszínére, milyen messze tűnik a hal a medence felszínétől?
A. 1 méterre a medence felszínétől
B. 1,5 méterre a medence felszínétől
C. 2 méterre a medence felszínétől
D. 2,67 méterre a medence felszínétől
Vita
Köztudott, hogy:
A medence törésmutatója = 4/3
Medencemélység = 2 méter
Kérdés: Milyen messze látható a hal a tó felszínétől?
Válasz:
Látszólagos távolság = 1 : n (valós távolság)
Látszólagos távolság = 1 : 4/3 (2 méter)
Látszólagos távolság = 1 x 3/4 (2 méter)
Látszólagos távolság = 3/4 (2 méter)
Látszólagos távolság = 6/4
Látszólagos távolság = 1,5 méter
A halak látható távolsága a tó felszínétől = 1,5 méter
A helyes válasz a B.
8. A fény egy olyan csatornán haladhat át, amelynek a környezethez viszonyított törésmutatója….
A. > 1
B. = 1
C. < 1
D. = 0
Vita
A vákuum törésmutatója = 1,0000
Egy közeg törésmutatója nagyobb, mint a vákuum törésmutatója.
A helyes válasz az A.
A fény szórása
9. A szóródási szög a monokróm fény két színe között bezárt szög, amely a következő esetben lép fel:…
A. a fény polarizációja
B. fényelnyelés
C. a fény szórása
D. a fény diffrakciója
Vita
A monokromatikus fény egyetlen színű vagy hullámhosszú fény. A fehér fény, akárcsak a napfény, az összes szín kombinációja, amelyek mindegyike eltérő hullámhosszú vagy frekvenciájú. A fehér fény látható spektrumra (vörös, narancs, sárga, zöld, kék, indigó és ibolya) történő lebomlását fénydiszperziónak nevezzük.
A fényszórás prizmákkal, vízcseppekkel vagy más tárgyakkal érhető el. A szivárvány a fényszórás egyik példája a mindennapi életben, ahol a napfényt esőcseppek szórják szét.
A helyes válasz a C.
10. 2011. évi Országos Természettudományi Olimpia kérdései Regency/Városi szintű Általános Iskolák Számára, 60. sz.
A szivárvány egy színes szalagként jelenik meg, amely egy részleges körhöz hasonlít. Az alábbi négy szivárványszín helyes sorrendje, a legkisebbtől a legnagyobb sugárig, a következő…
A. piros, narancssárga, sárga, zöld
B. kék, lila, zöld, sárga
C. zöld, kék, indigó, lila
D. indigó, kék, zöld, sárga
Vita
A szivárvány színeinek sorrendje: piros, narancs, sárga, zöld, kék, indigó és lila.
A vörös fénynek van a leghosszabb hullámhossza, míg az ibolya fénynek a legrövidebb. Az egyes fényszínek elhajlása a hullámhosszuktól függ.
Amikor a fehér napfényt esőcseppek szórják, a hosszabb hullámhosszú fény kevésbé, míg a rövidebb hullámhosszú fény jobban eltérül. A vörös fény térül el a legkevésbé, mivel a hullámhossza hosszabb, míg az ibolya fény térül el a legjobban, mivel a hullámhossza rövidebb, ahogy az alábbi ábra is mutatja. Így a megfigyelő szeme a vörös fényt felül, az ibolya fényt pedig alul látja.
A szivárvány minden színe részben kör alakú, ahol a piros fénykör felül van, így a legnagyobb sugara van, míg a lila fénykör alul van, így a legkisebb sugara van.
A világos színek sorrendje a legnagyobb sugártól a legkisebb sugárig: piros, narancs, sárga, zöld, kék, indigó, lila.
A helyes válasz a D.
11. A víz felszínén lévő olajréteg világos színei az eseménynek köszönhetők...
A. interferencia
B. polarizáció
C. dispersi
D. diffrakció
Vita
A helyes válasz a C.
