נוסחת גלי אור באופטיקה פיזיקלית

דוגמאות לשאלות ונוסחאות עבור גלי אור באופטיקה פיזיקלית

מאפייני האור

1. אור הוא גל אלקטרומגנטי, לכן אור...

א. לא חווה השתקפות
ב. אינו חווה שבירה
ג. אינו דורש אמצעי התפשטות
ד. אינו נושא אנרגיה בהתפשטותו

דִיוּן
אור הוא גל, לכן הוא עובר החזרה, שבירה ונושא אנרגיה במהלך התפשטותו, בדיוק כמו גלים אחרים. אור הוא גל אלקטרומגנטי, ולכן הוא אינו דורש תווך להתפשטותו.
התשובה הנכונה היא ג'.

2. שימו לב להצהרה הבאה:
1. אור נע בקו ישר
2. אור הוא גל אלקטרומגנטי
3. אור יכול להיספג
4. אור נושא מטען חשמלי
ההיגד הנכון לגבי תכונות האור הוא...

א. הצהרה 1 בלבד
ב. הצהרות 1 ו-2
ג. הצהרות 1, 2 ו-3
ד. כל ההצהרות נכונות

דִיוּן
1. אור נע בקו ישר.
אמירה זו נכונה משום שלמרות שאור נע כמו גל רוחבי, מסלול האור הוא קו ישר. בנושא האופטיקה הגיאומטרית (החזרה ושבירה של אור), אור מתואר כקרן שמסלול תנועתה הוא קו ישר.
2. אור הוא גל אלקטרומגנטי:
אמירה זו נכונה משום שאור הוא גל אלקטרומגנטי, שבו התפשטות האור אינה דורשת תווך.
3. אור יכול להיספג:
משפט זה נכון. אור הוא סוג של גל אלקטרומגנטי. כל הגלים, הן מכניים והן אלקטרומגנטיים, נושאים אנרגיה כשהם נעים ממקום אחד למשנהו. לכן, חלק מאנרגיית האור יכולה להיספג על ידי התווך שדרכו הוא עובר. לדוגמה, כאשר אור נע לעבר מראה מישורית, רוב האור מוחזר, אך חלק קטן נספג על ידי המראה.
4. אור נושא מטען חשמלי:
טענה זו אינה נכונה. אור הוא גל אלקטרומגנטי, וגלים אלקטרומגנטיים נוצרים על ידי שדות חשמליים ומגנטיים מתנודדים. גלים אלקטרומגנטיים נפלטים על ידי האצת מטענים חשמליים.
התשובה הנכונה היא ג'.

השתקפות מושלמת

3. התמונה מימין מציגה תכשיט יהלום יקר מאוד משום שהאור המוחזר מהיהלום נוצץ מאוד. תופעה זו נגרמת על ידי...
א. שבירה מושלמת שבה אור נכנס מתווך פחות צפוף לתווך צפוף יותר
ב. שבירה מושלמת כאשר זווית הפגיעה קטנה יותר מזווית הגבול
ג. השתקפות מושלמת שבה האור מגיע מתווך פחות צפוף לתווך צפוף יותר
ד. השתקפות מושלמת כאשר זווית הפגיעה גדולה מזווית הגבול
דִיוּן
האור מיהלום נראה נוצץ עקב פיזור האור והשתקפות מושלמת. השתקפות מושלמת מתרחשת כאשר אור עובר מתווך בעל מקדם שבירה גבוה יותר לתווך בעל מקדם שבירה נמוך יותר. לדוגמה, אור עובר מיהלום (בעל מקדם שבירה גבוה יותר) לאוויר (בעל מקדם שבירה נמוך יותר). כדי להבין זאת טוב יותר, עיינו בתמונה למטה.

כאשר אור נע מתווך בעל מקדם שבירה גדול למדוך בעל מקדם שבירה קטן, האור מתעקם הרחק מהנרתיק. אם זווית הפגיעה (i) גדולה יותר, אז זווית השבירה (r) גדולה יותר. בזווית פגיעה מסוימת, זווית השבירה היא 90 מעלות. זווית הפגיעה כאשר זווית השבירה היא 90 מעלות נקראת זווית קריטית (θk) או זווית גבול. אם זווית הפגיעה גדולה מהזווית הקריטית או זווית הגבול, אז שום אור לא נשבר; כל האור מוחזר.
התשובה הנכונה היא ד'.

4. שאלות באולימפיאדת המדעים הלאומית 2011 לחטיבות ביניים ברמת ריג'נסי/סיטי מס' 39
התופעה הבאה, שהיא סימפטום של השתקפות מושלמת, היא...
א. קשת בענן
ב. מיראז'
אגם צבעוני ג.
ד. אסטיגמציה
דִיוּן
מיראז' נקרא תופעת השתקפות מושלמת משום שבתהליך זה, אף אור המגיע מהאוויר לא נשבר על ידי פני הכביש, אלא נראה כאילו כל האור מוחזר על ידי פני הכביש. מיראז'ים מתרחשים מכיוון שאור עובר דרך שכבות אוויר בעלות מקדמי שבירה שונים עקב הצפיפויות השונות של שכבות אוויר אלו. במציאות, אור אינו מוחזר על ידי פני הכביש אלא נשבר (מכופף) על ידי שכבות אוויר בעלות מקדמי שבירה שונים.
התשובה הנכונה היא ב'.

5. שאלות באולימפיאדת המדעים הלאומית 2010 לחטיבות ביניים ברמת ריג'נסי/סיטי מס' 30
מראה כתם שמן על פני כביש אספלט ביום חם הוא למעשה אירוע השתקפות מוחלטת מכיוון ש...
א. מקדם השבירה של שכבות האוויר העליונות גדול מזה של השכבות התחתונות.
ב. מקדם השבירה של שכבות האוויר העליונות קטן יותר מהשכבות התחתונות.
ג. טיפות מים מחזירות צבעים שונים בזוויות החזרה שונות.
ד. טיפות מים נשברות צבעים שונים בזוויות שבירה שונות.
דִיוּן
סצנה כמו כתם שמן על כביש אספלט ביום חם היא דוגמה למיראז'. מיראז'ים מתרחשים עקב ההבדל במקדם השבירה בין שכבת האוויר ליד הכביש לשכבת האוויר שמעליה.
ביום חם, פני הכביש מחממים את האוויר שמעליו, מה שהופך את שכבת האוויר שמעליו לחמה יותר משכבת ​​האוויר במעלה הזרם. שכבת האוויר החמה יותר חווה התפשטות נפחית גדולה יותר, מה שהופך אותה לפחות צפופה (צפיפות נמוכה יותר). לעומת זאת, שכבת האוויר הפחות חמה מעליה חווה פחות התפשטות נפחית, מה שהופך אותה לצפופה יותר (צפיפות גבוהה יותר). לכן, שכבת האוויר התחתונה פחות צפופה, בעוד ששכבת האוויר העליונה צפופה יותר.
מכיוון ששכבת האוויר בתחתית (קרובה יותר לפני הכביש) פחות צפופה, האור נע מהר יותר כשהוא עובר דרכה, בעוד ששכבת האוויר בחלק העליון צפופה יותר ולכן האור נע לאט יותר כשהוא עובר דרכה.
הנוסחה למקדם השבירה היא: n = c / v, כאשר n הוא מקדם השבירה, c = מהירות האור בוואקום = קבוע = 3 x 10⁸ מטר/שנייה, v = מהירות האור בתווך. בהתבסס על נוסחה זו, c קבוע כך שאם v גדל אז n קטן ולהיפך, אם v קטן אז n גדל.
אור נע מהר יותר בשכבת האוויר התחתונה (v גדול) כך שלשכבת האוויר התחתונה יש מקדם שבירה קטן יותר (n קטן), בעוד שאור נע לאט יותר בשכבת האוויר העליונה (v קטן) כך שלשכבת האוויר העליונה יש מקדם שבירה גדול יותר (n גדול).
התשובה הנכונה היא א'.

מקדם שבירה

6. לקרן אור נראית יש אורך גל של 510 ננומטר באוויר. אם קרן האור נכנסת לתווך בעל מקדם שבירה של 1,5, אורך הגל שלה משתנה ל...
א. 680 ננומטר
ב. 510 ננומטר
ג. 340 ננומטר
ד. 170 ננומטר
דִיוּן
ידוע כי:
אורך גל (λ) = 510 ננומטר = 510 x 10^-9 מטר
מקדם שבירה (n) = 1,5
שאלה: אורך הגל (λ) משתנה ל...
תשובה:

אורך הגל (λ) משתנה ל-340 ננומטר.
התשובה הנכונה היא ג'.

7. דג נראה בתחתית בריכה צלולה, עומק הבריכה הוא 2 מטרים, מקדם השבירה של הבריכה הוא 4/3. אם הדג נראה כמעט בניצב לפני השטח של הבריכה, באיזה מרחק ניתן לראות את הדג מפני השטח של הבריכה?
א. מטר אחד מפני השטח של הבריכה
ב. 1,5 מטרים מפני השטח של הבריכה
כ-2 מטרים מפני השטח של הבריכה
ד. 2,67 מטרים מפני השטח של הבריכה
דִיוּן
ידוע כי:
מקדם שבירה של הבריכה = 4/3
עומק הבריכה = 2 מטרים
שאלה: עד כמה ניתן לראות את הדגים מפני השטח של הבריכה?
תשובה:
מרחק לכאורה = 1 : n (מרחק אמיתי)
מרחק לכאורה = 1 : 4/3 (2 מטרים)
מרחק לכאורה = 1 x 3/4 (2 מטרים)
מרחק לכאורה = 3/4 (2 מטרים)
מרחק לכאורה = 6/4
מרחק לכאורה = 1,5 מטרים
המרחק של הדגים הנראים מפני השטח של הבריכה = 1,5 מטרים
התשובה הנכונה היא ב'.

8. אור יכול לעבור בתעלה שמקדם השבירה שלה יחסית לסביבה הוא...
א. > 1
ב. = 1
ג. < 1
ד. = 0
דִיוּן
מקדם שבירה של ואקום = 1,0000
מקדם השבירה של תווך גדול ממקדם השבירה של ואקום.
התשובה הנכונה היא א'.

פיזור האור

9. זווית הפיזור היא הזווית בין שני צבעים של אור מונוכרומטי המתרחשת במקרה של….
א. קיטוב של אור
ב. ספיגת אור
ג. פיזור אור
ד. דיפרקציית אור
דִיוּן
אור מונוכרומטי הוא אור בעל צבע או אורך גל יחיד. אור לבן, כמו אור שמש, הוא שילוב של כל הצבעים, שלכל אחד אורך גל או תדר שונים. פירוק האור הלבן לספקטרום הנראה (אדום, כתום, צהוב, ירוק, כחול, אינדיגו וסגול) נקרא פיזור אור.
פיזור אור יכול להתבצע באמצעות מנסרות, טיפות מים או עצמים אחרים. קשתות בענן הן דוגמה לפיזור אור בחיי היומיום, שבהן אור השמש מתפזר על ידי טיפות גשם.
התשובה הנכונה היא ג'.

10. שאלות באולימפיאדת המדעים הלאומית 2011 לחטיבות ביניים ברמת ריג'נסי/סיטי מס' 60
קשת בענן מופיעה כסרט צבעוני בצורת עיגול חלקי. הסדר הנכון של ארבעת צבעי הקשת למטה, מהרדיוס הקטן ביותר לגדול ביותר, הוא...
א. אדום, כתום, צהוב, ירוק
ב. כחול, סגול, ירוק, צהוב
ירוק, כחול, אינדיגו, סגול
ד. אינדיגו, כחול, ירוק, צהוב
דִיוּן
סדר צבעי הקשת הוא אדום, כתום, צהוב, ירוק, כחול, אינדיגו וסגול.
לאור אדום יש את אורך הגל הארוך ביותר, בעוד שאור סגול הוא הקצר ביותר. הסטייה של כל צבע אור תלויה באורך הגל שלו.
כאשר אור שמש לבן מתפזר על ידי טיפות גשם, אור בעל אורכי גל ארוכים יותר מוסח פחות, בעוד שאור בעל אורכי גל קצרים יותר מוסח יותר. אור אדום מוסח הכי פחות מכיוון שאורך הגל שלו ארוך יותר, בעוד שאור סגול מוסח הכי הרבה מכיוון שאורך הגל שלו קצר יותר, כפי שמוצג בתרשים למטה. לפיכך, עינו של הצופה רואה את האור האדום בחלק העליון ואת האור הסגול בחלק התחתון.
כל צבעי אור הקשת בצורת עיגול, כאשר עיגול האור האדום נמצא בחלק העליון ולכן יש לו את הרדיוס הגדול ביותר, בעוד שעיגול האור הסגול נמצא בחלק התחתון ולכן יש לו את הרדיוס הקטן ביותר.
סדר צבעי האור, מהרדיוס הגדול ביותר לרדיוס הקטן ביותר, הוא אדום, כתום, צהוב, ירוק, כחול, אינדיגו וסגול.
התשובה הנכונה היא ד'.

11. הצבעים הבהירים משכבת ​​השמן על פני המים מתרחשים בגלל האירוע...
א. הפרעה
ב. קיטוב
C. dispersi
ד. דיפרקציה
דִיוּן
התשובה הנכונה היא ג'.