물리 광학에서 빛의 파동에 대한 질문과 공식의 예
빛의 특성
1. 빛은 전자기파이므로 빛은…
A. 반성을 경험하지 않는다.
B. 굴절이 발생하지 않습니다.
C. 전파 매체가 필요하지 않습니다.
D. 전파 과정에서 에너지를 전달하지 않습니다.
논의
빛은 파동이므로 다른 파동과 마찬가지로 전파되는 동안 반사, 굴절을 겪고 에너지를 전달합니다. 빛은 전자기파이므로 전파에 매질이 필요하지 않습니다.
정답은 C입니다.
2. 다음 내용을 주의 깊게 살펴보십시오.
1. 빛은 직진한다.
2. 빛은 전자기파입니다.
3. 빛은 흡수될 수 있다.
4. 빛은 전기적 전하를 띤다.
빛의 속성에 관한 올바른 설명은 다음과 같습니다...
A. 진술 1만 해당
B. 진술 1과 2
C. 진술 1, 2 및 3
D. 모든 진술이 사실입니다
논의
1. 빛은 직진한다.
이 진술은 빛이 횡파처럼 움직이지만 빛의 경로는 직선이기 때문에 사실입니다. 기하광학(빛의 반사와 굴절)에서는 빛을 직선 경로로 진행하는 광선으로 나타냅니다.
2. 빛은 전자기파입니다.
이 진술은 빛이 전자기파이기 때문에 사실입니다. 빛은 매질을 필요로 하지 않고 전파됩니다.
3. 빛은 흡수될 수 있습니다.
이 진술은 사실입니다. 빛은 전자기파의 한 종류입니다. 모든 파동, 즉 기계파와 전자기파는 한 위치에서 다른 위치로 이동하면서 에너지를 전달합니다. 따라서 빛의 에너지 중 일부는 빛이 통과하는 매질에 흡수될 수 있습니다. 예를 들어, 빛이 평면 거울을 향해 나아갈 때, 대부분의 빛은 반사되지만, 작은 부분은 거울에 흡수됩니다.
4. 빛은 전기적 전하를 띤다.
이 진술은 틀렸습니다. 빛은 전자기파이며, 전자기파는 진동하는 전기장과 자기장에 의해 생성됩니다. 전자기파는 가속하는 전하에 의해 방출됩니다.
정답은 C입니다.
완벽한 반사
3. 오른쪽 그림은 다이아몬드가 반사하는 빛이 매우 반짝거려서 값비싼 다이아몬드 보석을 보여줍니다. 이러한 현상은 다음과 같은 이유로 발생합니다…
A. 빛이 밀도가 낮은 매질에서 밀도가 높은 매질로 들어갈 때 발생하는 완전 굴절
B. 입사각이 경계각보다 작은 완전 굴절
C. 빛이 밀도가 낮은 매질에서 밀도가 높은 매질로 반사되는 완전 반사
D. 입사각이 경계각보다 큰 경우의 완전 반사
논의
다이아몬드에서 빛이 반짝이는 것처럼 보이는 이유는 빛의 분산과 완벽한 반사 때문입니다. 완벽한 반사는 빛이 굴절률이 높은 매질에서 굴절률이 낮은 매질로 이동할 때 발생합니다. 예를 들어, 빛은 굴절률이 높은 다이아몬드에서 굴절률이 낮은 공기로 이동합니다. 이를 더 자세히 이해하려면 아래 이미지를 살펴보세요.
빛이 굴절률이 큰 매질에서 굴절률이 작은 매질로 이동할 때, 빛은 법선에서 멀어지는 방향으로 꺾입니다. 입사각(i)이 굴절각(r)보다 크면 굴절각(r)도 커집니다. 특정 입사각에서 굴절각은 90°가 됩니다. 굴절각이 90°가 되는 입사각을 임계각(θk) 또는 한계각이라고 합니다. 입사각이 임계각 또는 한계각보다 크면 빛은 굴절되지 않고 모두 반사됩니다.
정답은 D입니다.
4. 2011년 전국 중학교 과학 올림피아드 시/군/구 단위 문제 제39호
완벽한 반영의 증상인 다음 현상은…
A. 무지개
B. 신기루
C. 색깔 있는 호수
D. 난시
논의
신기루는 완벽한 반사 현상이라고 불리는데, 그 이유는 공기에서 오는 빛이 도로 표면에 의해 굴절되지 않고 마치 모든 빛이 도로 표면에 반사된 것처럼 보이기 때문입니다. 신기루는 빛이 밀도가 다른 공기층을 통과할 때 굴절률이 달라지기 때문에 발생합니다. 실제로 빛은 도로 표면에서 반사되는 것이 아니라 굴절률이 다른 공기층에 의해 굴절(휘어짐)되는 것입니다.
정답은 B입니다.
5. 2010년 전국 중학교 과학 올림피아드 시/군/구 단위 문제 제30호
더운 날 아스팔트 도로 표면에 기름띠가 떠 있는 모습은 그야말로 전면적인 반사 현상입니다. 왜냐하면…
A. 상층 공기의 굴절률은 하층 공기의 굴절률보다 크다.
B. 상층 공기의 굴절률은 하층 공기의 굴절률보다 작습니다.
C. 물방울은 반사각에 따라 서로 다른 색을 반사합니다.
D. 물방울은 서로 다른 굴절각에서 서로 다른 색을 굴절시킵니다.
논의
더운 날 아스팔트 도로 위에 기름띠가 생긴 것처럼 보이는 장면은 신기루의 한 예입니다. 신기루는 도로 근처의 공기층과 그 위의 공기층 사이의 굴절률 차이 때문에 발생합니다.
더운 날에는 도로 표면이 바로 위의 공기를 가열하여 도로 표면 바로 위의 공기층이 그보다 더 위쪽의 공기층보다 더 뜨거워집니다. 더 뜨거운 공기층은 부피 팽창이 더 커서 밀도가 낮아집니다. 반대로, 그 위에 있는 덜 뜨거운 공기층은 부피 팽창이 더 작아서 밀도가 높아집니다. 따라서 아래쪽 공기층은 밀도가 낮고 위쪽 공기층은 밀도가 높습니다.
아래쪽(도로 표면에 가까운) 공기층은 밀도가 낮기 때문에 빛이 통과할 때 더 빠르게 이동하고, 위쪽 공기층은 밀도가 높기 때문에 빛이 통과할 때 더 느리게 이동합니다.
굴절률 공식은 n = c / v 이며, 여기서 n은 굴절률이고, c는 진공에서의 빛의 속도(상수, 3 x 10⁻⁶)입니다.8 m/s, 여기서 v는 매질에서의 빛의 속도입니다. 이 공식에 따르면, c는 고정되어 있으므로 v가 커지면 n은 작아지고, 반대로 v가 작아지면 n은 커집니다.
빛은 아래쪽 공기층에서 더 빠르게 움직이므로(v가 큼) 아래쪽 공기층의 굴절률이 더 작습니다(n이 작음). 반대로 빛은 위쪽 공기층에서 더 느리게 움직이므로(v가 작음) 위쪽 공기층의 굴절률이 더 큽니다(n이 큼).
정답은 A입니다.
굴절률
6. 가시광선은 공기 중에서 510nm의 파장을 갖습니다. 이 빛이 굴절률이 1,5인 매질에 들어가면 파장은 어떻게 변할까요?
A. 680 nm
B. 510nm
C. 340 nm
D. 170 nm
논의
알려진 바에 따르면:
파장(λ) = 510 nm = 510 x 10-9 미터
굴절률(n) = 1,5
질문: 파장(λ)이 어떻게 변합니까?
답변 :
파장(λ)은 340나노미터로 변합니다.
정답은 C입니다.
7. 맑은 연못 바닥에 물고기가 보입니다. 연못의 깊이는 2미터이고, 연못 물의 굴절률은 4/3입니다. 물고기가 연못 수면과 거의 수직으로 보인다면, 물고기는 수면에서 얼마나 떨어진 거리에서 보입니까?
A. 수영장 표면에서 1미터
B. 수영장 표면에서 1,5미터
C. 수영장 표면에서 2미터
D. 수영장 표면에서 2,67미터
논의
알려진 바에 따르면:
수영장의 굴절률 = 4/3
수영장 깊이 = 2미터
질문: 연못 표면에서 물고기가 얼마나 멀리까지 보일 수 있나요?
답변 :
겉보기 거리 = 1 : n (실제 거리)
겉보기 거리 = 1 : 4/3 (2미터)
겉보기 거리 = 1 x 3/4 (2미터)
겉보기 거리 = 3/4 (2미터)
겉보기 거리 = 6/4
겉보기 거리 = 1,5미터
연못 수면에서 물고기가 보이는 거리 = 1,5미터
정답은 B입니다.
8. 빛은 주변 환경에 대한 굴절률이 …인 채널을 통해 전달될 수 있습니다.
A. > 1
B. = 1
C. < 1
D. = 0
논의
진공의 굴절률 = 1,0000
매질의 굴절률은 진공의 굴절률보다 크다.
정답은 A입니다.
빛의 분산
9. 분산각이란 단색광의 두 색 사이의 각도로, 다음과 같은 경우에 발생합니다.
A. 빛의 편광
B. 빛 흡수
C. 빛의 분산
D. 빛의 회절
논의
단색광은 단일 색상 또는 파장을 가진 빛입니다. 햇빛과 같은 백색광은 모든 색이 혼합된 것으로, 각 색은 서로 다른 파장 또는 주파수를 가지고 있습니다. 백색광이 가시광선 스펙트럼(빨강, 주황, 노랑, 초록, 파랑, 남색, 보라)으로 나뉘는 현상을 빛의 분산이라고 합니다.
빛의 분산은 프리즘, 물방울 또는 기타 물체에 의해 일어날 수 있습니다. 무지개는 햇빛이 빗방울에 의해 분산되어 생기는 일상생활 속 빛의 분산 현상의 한 예입니다.
정답은 C입니다.
10. 2011년 전국 중학교 과학 올림피아드 시/군/구 단위 문제 제60호
무지개는 반원 모양의 다채로운 리본처럼 보입니다. 아래 네 가지 무지개 색깔을 반지름이 작은 것부터 큰 것 순으로 나열하면 다음과 같습니다.
A. 빨강, 주황, 노랑, 초록
B. 파란색, 보라색, 녹색, 노란색
C. 녹색, 파란색, 남색, 보라색
D. 인디고, 파란색, 녹색, 노란색
논의
무지개 색깔의 순서는 빨강, 주황, 노랑, 초록, 파랑, 남색, 보라입니다.
붉은색 빛은 파장이 가장 길고, 보라색 빛은 파장이 가장 짧습니다. 각 색의 빛이 굴절되는 정도는 파장에 따라 달라집니다.
빗방울에 의해 백색광이 산란될 때, 파장이 긴 빛은 덜 산란되고, 파장이 짧은 빛은 더 많이 산란됩니다. 아래 그림에서 볼 수 있듯이, 붉은색 빛은 파장이 가장 길기 때문에 가장 적게 산란되고, 보라색 빛은 파장이 가장 짧기 때문에 가장 많이 산란됩니다. 따라서 관찰자의 눈은 위쪽에서 붉은색 빛을, 아래쪽에서 보라색 빛을 보게 됩니다.
무지개의 모든 색깔은 부분적으로 원형 모양을 하고 있는데, 빨간색 원은 가장 위쪽에 있어 반지름이 가장 크고, 보라색 원은 가장 아래쪽에 있어 반지름이 가장 작습니다.
빛의 색깔은 반지름이 가장 큰 것부터 가장 작은 것까지 순서대로 빨강, 주황, 노랑, 초록, 파랑, 남색, 보라입니다.
정답은 D입니다.
11. 수면의 기름층에서 밝은 색깔이 나타나는 이유는 다음과 같습니다...
A. 간섭
B. 분극
C. 디스퍼시
D. 회절
논의
정답은 C입니다.
