Voorbeelden van vraagstukken en formules voor lichtgolven in de fysische optica.
Kenmerken van licht
1. Licht is een elektromagnetische golf, daarom is licht….
A. Ervaart geen reflectie.
B. Ondergaat geen refractie.
C. Vereist geen vermeerderingsmedium.
D. Draagt geen energie over tijdens de voortplanting.
Discussie
Licht is een golf en ondergaat daarom reflectie, breking en transporteert energie tijdens de voortplanting, net als andere golven. Licht is een elektromagnetische golf en heeft dus geen medium nodig om zich voort te planten.
Het juiste antwoord is C.
2. Besteed aandacht aan de volgende verklaring:
1. Licht beweegt in een rechte lijn.
2. Licht is een elektromagnetische golf.
3. Licht kan worden geabsorbeerd
4. Licht draagt een elektrische lading.
De juiste bewering met betrekking tot de eigenschappen van licht is...
A. bewering 1 alleen
B. beweringen 1 en 2
C. beweringen 1, 2 en 3
D. alle beweringen zijn waar
Discussie
1. Licht beweegt in een rechte lijn.
Deze bewering klopt, want hoewel licht zich voortplant als een transversale golf, is het pad van licht een rechte lijn. In de geometrische optica (reflectie en breking van licht) wordt licht voorgesteld als een straal waarvan het bewegingspad een rechte lijn is.
2. Licht is een elektromagnetische golf:
Deze bewering is juist omdat licht een elektromagnetische golf is, waarbij de voortplanting van licht geen medium vereist.
3. Licht kan worden geabsorbeerd:
Deze bewering klopt. Licht is een type elektromagnetische golf. Alle golven, zowel mechanische als elektromagnetische, dragen energie met zich mee terwijl ze zich van de ene naar de andere locatie verplaatsen. Daarom kan een deel van de energie van het licht worden geabsorbeerd door het medium waar het doorheen gaat. Wanneer licht bijvoorbeeld naar een vlakke spiegel beweegt, wordt het grootste deel van het licht gereflecteerd, maar een klein deel wordt door de spiegel geabsorbeerd.
4. Licht draagt een elektrische lading:
Deze bewering is onjuist. Licht is een elektromagnetische golf, en elektromagnetische golven worden geproduceerd door oscillerende elektrische en magnetische velden. Elektromagnetische golven worden uitgezonden door versnellende elektrische ladingen.
Het juiste antwoord is C.
Perfecte weerspiegeling
3. De afbeelding rechts toont een zeer kostbare diamant, omdat het licht dat door de diamant wordt weerkaatst zo fonkelt. Dit fenomeen wordt veroorzaakt door…
A. perfecte breking, waarbij licht van een minder dicht medium een dichter medium binnendringt.
B. perfecte breking waarbij de invalshoek kleiner is dan de grenshoek
C. perfecte reflectie, waarbij het licht van een minder dicht medium naar een dichter medium gaat.
D. perfecte reflectie waarbij de invalshoek groter is dan de grenshoek
Discussie
Het licht van een diamant lijkt te fonkelen door lichtverstrooiing en perfecte reflectie. Perfecte reflectie treedt op wanneer licht van een medium met een hogere brekingsindex naar een medium met een lagere brekingsindex gaat. Licht gaat bijvoorbeeld van diamant (met een hogere brekingsindex) naar lucht (met een lagere brekingsindex). Bekijk de onderstaande afbeelding om dit beter te begrijpen.
Wanneer licht van een medium met een hoge brekingsindex naar een medium met een lage brekingsindex gaat, wordt het licht van de normaal afgebogen. Als de invalshoek (i) groter is, is de brekingshoek (r) ook groter. Bij een bepaalde invalshoek is de brekingshoek 90°. De invalshoek waarbij de brekingshoek 90° is, wordt de kritische hoek (θk) of grenshoek genoemd. Als de invalshoek groter is dan de kritische hoek of grenshoek, wordt er geen licht gebroken; al het licht wordt gereflecteerd.
Het juiste antwoord is D.
4. Vragen voor de Nationale Wetenschapsolympiade 2011 voor middelbare scholen op regionaal/stedelijk niveau nr. 39
Het volgende fenomeen, dat een symptoom is van perfecte reflectie, is...
Een regenboog
B. luchtspiegeling
C. gekleurd meer
D. astigmatisme
Discussie
Een luchtspiegeling wordt een perfect reflectiefenomeen genoemd, omdat er bij dit proces geen licht uit de lucht door het wegdek wordt gebroken, maar het lijkt alsof al het licht door het wegdek wordt weerkaatst. Luchtspiegelingen ontstaan doordat licht door luchtlagen reist die verschillende brekingsindices hebben als gevolg van de verschillende dichtheden van deze luchtlagen. In werkelijkheid wordt licht niet door het wegdek weerkaatst, maar gebroken (afgebogen) door de luchtlagen met verschillende brekingsindices.
Het juiste antwoord is B.
5. Vragen voor de Nationale Wetenschapsolympiade 2010 voor middelbare scholen op regionaal/stedelijk niveau nr. 30
De aanblik van een olievlek op het asfalt van een wegdek op een warme dag is in wezen een moment van totale reflectie, omdat...
A. De brekingsindex van de bovenste luchtlagen is groter dan die van de onderste luchtlagen.
B. De brekingsindex van de bovenste luchtlagen is kleiner dan die van de onderste lagen.
C. Waterdruppels reflecteren verschillende kleuren bij verschillende reflectiehoeken.
D. Waterdruppels breken verschillende kleuren bij verschillende brekingshoeken.
Discussie
Een tafereel zoals een olievlek op een asfaltweg op een warme dag is een voorbeeld van een luchtspiegeling. Luchtspiegelingen ontstaan door het verschil in brekingsindex tussen de luchtlaag nabij de weg en de luchtlaag erboven.
Op een warme dag verwarmt het wegdek de lucht er direct boven, waardoor de luchtlaag direct boven het wegdek warmer is dan de luchtlaag verder stroomopwaarts. De warmere luchtlaag ondergaat een grotere volumetoename, waardoor deze minder dicht is (lagere dichtheid). Omgekeerd ondergaat de minder warme luchtlaag erboven een kleinere volumetoename, waardoor deze dichter is (hogere dichtheid). De onderste luchtlaag is dus minder dicht, terwijl de bovenste luchtlaag dichter is.
Omdat de onderste luchtlaag (dichter bij het wegdek) minder dicht is, beweegt licht sneller wanneer het erdoorheen gaat, terwijl de bovenste luchtlaag dichter is, waardoor licht langzamer beweegt wanneer het erdoorheen gaat.
De formule voor de brekingsindex is: n = c / v, waarbij n de brekingsindex is, c = lichtsnelheid in vacuüm = constant = 3 x 10⁻⁶8 m/s, waarbij v de lichtsnelheid in het medium is. Op basis van deze formule is c constant, zodat als v groter wordt, n kleiner wordt en omgekeerd: als v afneemt, wordt n groter.
Licht beweegt sneller in de onderste luchtlaag (grote v), waardoor de onderste luchtlaag een kleinere brekingsindex heeft (kleine n), terwijl licht langzamer beweegt in de bovenste luchtlaag (kleine v), waardoor de bovenste luchtlaag een grotere brekingsindex heeft (grote n).
Het juiste antwoord is A.
brekingsindex
6. Een zichtbare lichtbundel heeft een golflengte van 510 nm in lucht. Als de lichtbundel een medium met een brekingsindex van 1,5 binnengaat, verandert de golflengte in….
A. 680 nm
B. 510 nm
C. 340 nm
D. 170 nm
Discussie
Het is bekend dat:
Golflengte (λ) = 510 nm = 510 x 10-9 meter
Brekingsindex (n) = 1,5
Vraag: De golflengte (λ) verandert in….
Antwoord :
De golflengte (λ) verandert naar 340 nanometer.
Het juiste antwoord is C.
7. Een vis wordt gezien op de bodem van een heldere vijver. De vijver is 2 meter diep en de brekingsindex van het water is 4/3. Als de vis vrijwel loodrecht op het wateroppervlak wordt gezien, hoe ver lijkt de vis dan van het wateroppervlak verwijderd te zijn?
A. 1 meter vanaf het wateroppervlak van het zwembad
B. 1,5 meter vanaf het wateroppervlak van het zwembad
C. 2 meter vanaf het wateroppervlak van het zwembad
D. 2,67 meter vanaf het wateroppervlak van het zwembad
Discussie
Het is bekend dat:
Brekingsindex van het zwembad = 4/3
Diepte van het zwembad = 2 meter
Vraag: Hoe ver zijn de vissen vanaf het wateroppervlak van de vijver te zien?
Antwoord :
Schijnbare afstand = 1 : n (werkelijke afstand)
Schijnbare afstand = 1 : 4/3 (2 meter)
Schijnbare afstand = 1 x 3/4 (2 meter)
Schijnbare afstand = 3/4 (2 meter)
Schijnbare afstand = 6/4
Schijnbare afstand = 1,5 meter
De afstand waarop de vissen vanaf het wateroppervlak van de vijver zichtbaar zijn = 1,5 meter
Het juiste antwoord is B.
8. Licht kan worden doorgelaten in een kanaal waarvan de brekingsindex ten opzichte van de omgeving gelijk is aan….
A. > 1
B. = 1
C. < 1
D. = 0
Discussie
Brekingsindex van vacuüm = 1,0000
De brekingsindex van een medium is groter dan de brekingsindex van een vacuüm.
Het juiste antwoord is A.
Lichtverspreiding
9. De spreidingshoek is de hoek tussen twee kleuren monochromatisch licht die optreedt in het geval van….
A. polarisatie van licht
B. lichtabsorptie
C. lichtverstrooiing
D. diffractie van licht
Discussie
Monochromatisch licht is licht met één enkele kleur of golflengte. Wit licht, zoals zonlicht, is een combinatie van alle kleuren, elk met een andere golflengte of frequentie. De opsplitsing van wit licht in het zichtbare spectrum (rood, oranje, geel, groen, blauw, indigo en violet) wordt lichtverstrooiing genoemd.
Lichtverstrooiing kan worden bereikt door prisma's, waterdruppels of andere objecten. Regenbogen zijn een voorbeeld van lichtverstrooiing in het dagelijks leven, waarbij zonlicht wordt verstrooid door regendruppels.
Het juiste antwoord is C.
10. Vragen voor de Nationale Wetenschapsolympiade 2011 voor middelbare scholen op regionaal/stedelijk niveau nr. 60
Een regenboog verschijnt als een kleurrijk lint in de vorm van een gedeeltelijke cirkel. De juiste volgorde van de vier regenboogkleuren hieronder, van kleinste naar grootste straal, is...
A. rood, oranje, geel, groen
B. blauw, paars, groen, geel
C. groen, blauw, indigo, violet
D. indigo, blauw, groen, geel
Discussie
De volgorde van de regenboogkleuren is rood, oranje, geel, groen, blauw, indigo en paars.
Rood licht heeft de langste golflengte, terwijl violet licht de kortste heeft. De afbuiging van elke lichtkleur hangt af van de golflengte.
Wanneer wit zonlicht door regendruppels wordt verstrooid, wordt licht met langere golflengten minder afgebogen, terwijl licht met kortere golflengten meer wordt afgebogen. Rood licht wordt het minst afgebogen omdat de golflengte langer is, terwijl violet licht het meest wordt afgebogen omdat de golflengte korter is, zoals weergegeven in het onderstaande diagram. Het oog van de waarnemer ziet dus het rode licht bovenaan en het violette licht onderaan.
Alle kleuren van de regenboog hebben een gedeeltelijk cirkelvormige vorm, waarbij de rode cirkel bovenaan staat en dus de grootste straal heeft, terwijl de paarse cirkel onderaan staat en dus de kleinste straal heeft.
De volgorde van lichtkleuren van de grootste naar de kleinste straal is rood, oranje, geel, groen, blauw, indigo, paars.
Het juiste antwoord is D.
11. De lichte kleuren van de olielaag op het wateroppervlak ontstaan door de volgende gebeurtenis...
A. interferentie
B. polarisatie
C. dispersi
D. diffractie
Discussie
Het juiste antwoord is C.
