Dæmi um spurningar og formúlur fyrir ljósbylgjur í eðlisfræðilegri ljósfræði
Einkenni ljóss
1. Ljós er rafsegulbylgja, þess vegna ljós….
A. Upplifir ekki speglun
B. Upplifir ekki ljósbrot
C. Þarfnast ekki fjölgunarmiðils
D. Ber ekki orku í útbreiðslu sinni
Umræða
Ljós er bylgja og því endurspeglast það, brotnar og ber orku við útbreiðslu sína, rétt eins og aðrar bylgjur. Ljós er rafsegulbylgja og þarfnast því ekki miðils til útbreiðslu.
Rétta svarið er C.
2. Gefðu gaum að eftirfarandi fullyrðingu:
1. Ljós hreyfist í beinni línu
2. Ljós er rafsegulbylgja
3. Ljós getur gleypt sig
4. Ljós ber rafhleðslu
Rétta fullyrðingin um eiginleika ljóss er...
A. aðeins fullyrðing 1
B. fullyrðingar 1 og 2
C. fullyrðingar 1, 2 og 3
D. allar fullyrðingar eru sannar
Umræða
1. Ljós hreyfist í beinni línu.
Þessi fullyrðing er sönn því þótt ljós hreyfist eins og þversbylgja, þá er leið ljóssins bein lína. Í rúmfræðilegri ljósfræði (endurspeglun og ljósbrot) er ljós lýst sem geisli sem fer eftir beinni línu.
2. Ljós er rafsegulbylgja:
Þessi fullyrðing er sönn vegna þess að ljós er rafsegulbylgja þar sem útbreiðsla ljóss þarfnast ekki miðils.
3. Ljós getur gleyptst:
Þessi fullyrðing er sönn. Ljós er tegund rafsegulbylgju. Allar bylgjur, bæði vélrænar og rafsegulbylgjur, bera orku þegar þær ferðast frá einum stað til annars. Þess vegna getur miðillinn sem það fer í gegnum frásogað hluta af orku ljóssins. Til dæmis, þegar ljós ferðast í átt að sléttum spegli, endurkastast megnið af ljósinu, en lítill hluti frásogast af speglinum.
4. Ljós ber rafhleðslu:
Þessi fullyrðing er röng. Ljós er rafsegulbylgja og rafsegulbylgjur eru framleiddar með sveiflukenndum raf- og segulsviðum. Rafsegulbylgjur eru sendar út með hröðun rafhleðslu.
Rétta svarið er C.
Fullkomin speglun
3. Myndin til hægri sýnir demantsskartgripi sem er mjög dýr vegna þess að ljósið sem demanturinn endurkastar er svo glitrandi. Þetta fyrirbæri stafar af…
A. fullkomin ljósbrot þar sem ljós fer frá minna þéttu efni yfir í þéttara efni
B. fullkomin ljósbrot þar sem innfallshornið er minna en jaðarhornið
C. fullkomin endurspeglun þar sem ljósið kemur frá minna þéttu efni til þéttara efnis
D. fullkomin endurspeglun þar sem innfallshornið er stærra en jaðarhornið
Umræða
Ljósið frá demanti virðist glitra vegna ljósdreifingar og fullkominnar endurspeglunar. Fullkomin endurspeglun á sér stað þegar ljós færist frá miðli með hærri ljósbrotsstuðul yfir í miðil með lægri ljósbrotsstuðul. Til dæmis færist ljós frá demanti (með hærri ljósbrotsstuðul) yfir í loft (með lægri ljósbrotsstuðul). Til að skilja þetta betur, skoðið myndina hér að neðan.
Þegar ljós fer frá miðli með stóran ljósbrotsstuðul yfir í miðil með lágan ljósbrotsstuðul, beygist það frá hornlínunni. Ef innfallshornið (i) er stærra, þá er ljósbrotshornið (r) stærra. Við ákveðið innfallshorn er ljósbrotshornið 90°. Innfallshornið þegar ljósbrotshornið er 90° kallast gagnrýnið horn (θk) eða takmörkunarhorn. Ef innfallshornið er stærra en gagnrýnið horn eða takmörkunarhorn, þá brotnar ekkert ljós; allt ljós endurkastast.
Rétta svarið er D.
4. Spurningar nr. 39 um Ólympíuleikana í náttúrufræði 2011 fyrir unglinga í Regency/City-skóla
Eftirfarandi fyrirbæri, sem er einkenni fullkominnar speglunar, er….
A. regnbogi
B. speglun
C. litað vatn
D. sjónskekkju
Umræða
Speglun er kölluð fullkomin endurspeglun vegna þess að í þessu ferli brotnar ekkert ljós sem kemur úr loftinu af yfirborði vegarins heldur virðist sem allt ljósið endurkastist af yfirborði vegarins. Speglun verður til vegna þess að ljós ferðast í gegnum loftlög sem hafa mismunandi ljósbrotsstuðula vegna mismunandi eðlisþyngdar þessara loftlaga. Í raun endurkastast ljós ekki af yfirborði vegarins heldur brotnar (beygist) það af loftlögum sem hafa mismunandi ljósbrotsstuðula.
Rétta svarið er B.
5. Spurningar nr. 30 um Ólympíuleikana í náttúrufræði 2010 fyrir unglinga í Regency/City-skóla
Að sjá olíublett á malbiki á heitum degi er í raun algjör endurspeglun vegna þess að….
A. Brotstuðull efri loftlaganna er hærri en neðri laganna.
B. Brotstuðull efri loftlaganna er minni en neðri laganna.
C. Vatnsdropar endurkasta mismunandi litum við mismunandi endurskinshorn.
D. Vatnsdropar brotna mismunandi liti við mismunandi ljósbrotshorn.
Umræða
Dæmi um sjónarspil eins og olíublett á malbiki á heitum degi er dæmi um speglun. Speglun verður til vegna mismunar á ljósbrotsstuðli milli loftlagsins nálægt veginum og loftlagsins fyrir ofan hann.
Á heitum degi hitar vegaryfirborðið loftið beint fyrir ofan það, sem gerir loftlagið beint fyrir ofan það heitara en loftlagið lengra upp fyrir veginn. Heitara loftlagið upplifir meiri rúmmálsþenslu, sem gerir það minna eðlisþyngd (meiri eðlisþyngd). Aftur á móti upplifir minna heitt loftlag fyrir ofan það minni rúmmálsþenslu, sem gerir það þéttara (meiri eðlisþyngd). Þannig er neðra loftlagið minna eðlisþyngd, en efra loftlagið er þéttara.
Þar sem loftlagið neðst (nær yfirborði vegarins) er minna þétt, ferðast ljós hraðar þegar það fer í gegnum það, en loftlagið efst er þéttara þannig að ljós ferðast hægar þegar það fer í gegnum það.
Formúlan fyrir ljósbrotsstuðulinn er: n = c / v, þar sem n er ljósbrotsstuðullinn, c = ljóshraði í lofttæmi = fasti = 3 x 108 m/s, v = ljóshraði í miðlinum. Byggt á þessari formúlu er c fast þannig að ef v stækkar þá minnkar n og öfugt, ef v minnkar þá stækkar n.
Ljós hreyfist hraðar í neðra loftlaginu (stórt v) þannig að neðra loftlagið hefur minni ljósbrotsstuðul (lítið n) en ljós hreyfist hægar í efra loftlaginu (lítið v) þannig að efra loftlagið hefur stærri ljósbrotsstuðul (stórt n).
Rétta svarið er A.
ljósbrotsstuðull
6. Sýnilegt ljósgeisla hefur bylgjulengd upp á 510 nm í lofti. Ef ljósgeislinn fer inn í miðil með ljósbrotsstuðul 1,5 breytist bylgjulengd hans í….
A. 680 nm
B. 510 nm
C. 340 nm
D. 170 nm
Umræða
Það er vitað að:
Bylgjulengd (λ) = 510 nm = 510 x 10-9 metra
Brotstuðull (n) = 1,5
Spurning: Bylgjulengdin (λ) breytist í….
Svar:
Bylgjulengdin (λ) breytist í 340 nanómetra.
Rétta svarið er C.
7. Fiskur sést á sjávarbotni tærrar pollar, dýptin er 2 metrar, ljósbrotstuðullinn er 4/3. Ef fiskurinn sést næstum hornrétt á yfirborð pollarins, hversu langt virðist fiskurinn vera frá yfirborði pollarins?
A. 1 metra frá yfirborði sundlaugarinnar
B. 1,5 metra frá yfirborði sundlaugarinnar
C. 2 metra frá yfirborði sundlaugarinnar
D. 2,67 metrar frá yfirborði laugarinnar
Umræða
Það er vitað að:
Brotstuðull laugarinnar = 4/3
Dýpt laugar = 2 metrar
Spurning: Hversu langt er hægt að sjá fiskinn frá yfirborði tjarnarinnar?
Svar:
Sýnileg fjarlægð = 1 : n (raunfjarlægð)
Sýnileg fjarlægð = 1 : 4/3 (2 metrar)
Sýnileg fjarlægð = 1 x 3/4 (2 metrar)
Sýnileg fjarlægð = 3/4 (2 metrar)
Sýnileg fjarlægð = 6/4
Sýnileg fjarlægð = 1,5 metrar
Fjarlægð fisksins sem sést frá yfirborði tjarnarinnar = 1,5 metrar
Rétta svarið er B.
8. Ljós getur borist í rás sem hefur ljósbrotsstuðul miðað við umhverfið….
A. > 1
B. = 1
C. < 1
D. = 0
Umræða
Ljósbrotstuðull lofttæmis = 1,0000
Brotstuðull miðils er hærri en brotstuðull lofttæmis.
Rétta svarið er A.
Dreifing ljóss
9. Dreifingarhornið er hornið milli tveggja lita einlita ljóss sem myndast ef….
A. skautun ljóss
B. ljósgleypni
C. dreifing ljóss
D. ljósbrot
Umræða
Einlita ljós er ljós sem hefur einn lit eða bylgjulengd. Hvítt ljós, eins og sólarljós, er samsetning allra lita, hver með mismunandi bylgjulengd eða tíðni. Sundurliðun hvíts ljóss í sýnilegt litróf (rautt, appelsínugult, gult, grænt, blátt, indigó og fjólublátt) kallast ljósdreifing.
Ljósdreifing getur átt sér stað með prismum, vatnsdropum eða öðrum hlutum. Regnbogar eru dæmi um ljósdreifingu í daglegu lífi, þar sem sólarljós dreifist með regndropum.
Rétta svarið er C.
10. Spurningar nr. 60 um Ólympíuleikana í náttúrufræði 2011 fyrir unglinga í Regency/City-skóla
Regnbogi birtist sem litríkur borðar í laginu eins og hálfur hringur. Rétt röðun á fjórum regnbogalitum hér að neðan, frá minnsta til stærsta radíus, er…
A. rauður, appelsínugulur, gulur, grænn
B. blár, fjólublár, grænn, gulur
C. grænn, blár, indigó, fjólublár
D. indigo, blár, grænn, gulur
Umræða
Röð regnbogalitanna er rauður, appelsínugulur, gulur, grænn, blár, indigó og fjólublár.
Rautt ljós hefur lengstu bylgjulengdina en fjólublátt ljós hefur þá stystu. Frávik hvers litar ljóss fer eftir bylgjulengd hans.
Þegar regndropum dreifir hvítu sólarljósi, þá sveigist ljós með lengri bylgjulengdum minna frá, en ljós með styttri bylgjulengdum meira frá. Rautt ljós sveigist minnst frá vegna þess að bylgjulengd þess er lengri, en fjólublátt ljós sveigist mest frá vegna þess að bylgjulengd þess er styttri, eins og sést á myndinni hér að neðan. Þannig sér auga áhorfandans rautt ljós efst og fjólublátt ljós neðst.
Allir litir regnbogans eru að hluta til hringlaga að lögun, þar sem rauði ljóshringurinn er efst og hefur því stærsta radíusinn, en fjólublái ljóshringurinn er neðst og hefur því minnsta radíusinn.
Röð ljóslitanna frá stærsta radíus til þess minnsta er rauður, appelsínugulur, gulur, grænn, blár, indigó og fjólublár.
Rétta svarið er D.
11. Ljóslitirnir frá olíulaginu á yfirborði vatnsins koma fram vegna atburðarins...
A. truflun
B. skautun
C. dispersi
D. dreifing
Umræða
Rétta svarið er C.
