Eksempler på spørsmål og formler for lysbølger i fysisk optikk
Lysets egenskaper
1. Lys er en elektromagnetisk bølge, derfor lys….
A. Opplever ikke refleksjon
B. Opplever ikke refraksjon
C. Krever ikke et forplantningsmedium
D. Bærer ikke energi i forplantningen sin
Diskusjon
Lys er en bølge, derfor gjennomgår den refleksjon, brytning og bærer energi under forplantningen sin, akkurat som andre bølger. Lys er en elektromagnetisk bølge, så den trenger ikke et medium for forplantning.
Det riktige svaret er C.
2. Vær oppmerksom på følgende utsagn:
1. Lys beveger seg i en rett linje
2. Lys er en elektromagnetisk bølge
3. Lys kan absorberes
4. Lys bærer en elektrisk ladning
Den korrekte påstanden om lysets egenskaper er ...
A. kun utsagn 1
B. utsagn 1 og 2
C. utsagn 1, 2 og 3
D. alle påstandene er sanne
Diskusjon
1. Lys beveger seg i en rett linje.
Denne påstanden er sann fordi selv om lys beveger seg som en transversal bølge, er lysets bane en rett linje. I emnet geometrisk optikk (refleksjon og brytning av lys) er lys avbildet som en stråle hvis bevegelsesbane er en rett linje.
2. Lys er en elektromagnetisk bølge:
Denne påstanden er sann fordi lys er en elektromagnetisk bølge, der lysets forplantning ikke krever et medium.
3. Lys kan absorberes:
Denne påstanden er sann. Lys er en type elektromagnetisk bølge. Alle bølger, både mekaniske og elektromagnetiske, bærer energi når de beveger seg fra ett sted til et annet. Derfor kan noe av lysets energi absorberes av mediet det passerer gjennom. For eksempel, når lys beveger seg mot et plant speil, reflekteres mesteparten av lyset, men en liten del absorberes av speilet.
4. Lys bærer en elektrisk ladning:
Denne påstanden er feil. Lys er en elektromagnetisk bølge, og elektromagnetiske bølger produseres av oscillerende elektriske og magnetiske felt. Elektromagnetiske bølger sendes ut av akselererende elektriske ladninger.
Det riktige svaret er C.
Perfekt refleksjon
3. Bildet til høyre viser en diamantsmykkestein som er veldig dyr fordi lyset som reflekteres av diamanten er så glitrende. Dette fenomenet er forårsaket av…
A. perfekt refraksjon der lys kommer inn fra et mindre tett medium til et tettere medium
B. perfekt brytning der innfallsvinkelen er mindre enn grensevinkelen
C. perfekt refleksjon der lyset kommer fra et mindre tett medium til et tettere medium
D. perfekt refleksjon der innfallsvinkelen er større enn grensevinkelen
Diskusjon
Lyset fra en diamant ser ut til å glitre på grunn av lysdispersjon og perfekt refleksjon. Perfekt refleksjon oppstår når lys beveger seg fra et medium med høyere brytningsindeks til et med lavere brytningsindeks. For eksempel beveger lys seg fra diamant (med høyere brytningsindeks) til luft (med lavere brytningsindeks). For å forstå dette bedre, se på bildet nedenfor.
Når lys beveger seg fra et medium med høy brytningsindeks til et medium med lav brytningsindeks, bøyes lyset bort fra normalen. Hvis innfallsvinkelen (i) er større, er brytningsvinkelen (r) større. Ved en viss innfallsvinkel er brytningsvinkelen 90°. Innfallsvinkelen når brytningsvinkelen er 90° kalles den kritiske vinkelen (θk) eller grensevinkelen. Hvis innfallsvinkelen er større enn den kritiske vinkelen eller grensevinkelen, brytes ikke noe lys; alt lys reflekteres.
Det riktige svaret er D.
4. Spørsmål til den nasjonale naturfag-OL 2011 for ungdomsskoler på Regency-/bynivå nr. 39
Følgende fenomen, som er et symptom på perfekt refleksjon, er….
A. regnbue
B. luftspeiling
C. farget innsjø
D. astigmatisme
Diskusjon
En luftspeiling kalles et perfekt refleksjonsfenomen fordi i denne prosessen brytes ikke noe lys fra luften av veioverflaten, men det ser ut som om alt lyset reflekteres av veioverflaten. Luftspeilinger oppstår fordi lys beveger seg gjennom luftlag som har forskjellige brytningsindekser på grunn av de forskjellige tetthetene i disse luftlagene. I virkeligheten reflekteres ikke lys av veioverflaten, men brytes (bøys) av luftlag som har forskjellige brytningsindekser.
Det riktige svaret er B.
5. Spørsmål til den nasjonale naturfag-OL 2010 for ungdomsskoler på Regency-/bynivå nr. 30
Synet av et oljeflekk på overflaten av en asfaltvei på en varm dag er i hovedsak en total refleksjonshendelse fordi….
A. Brytningsindeksen til de øvre luftlagene er større enn brytningsindeksen til de nedre lagene.
B. Brytningsindeksen til de øvre luftlagene er mindre enn de nedre lagene.
C. Vanndråper reflekterer forskjellige farger ved forskjellige refleksjonsvinkler.
D. Vanndråper bryter forskjellige farger ved forskjellige brytningsvinkler.
Diskusjon
Et motiv som et oljesøl på en asfaltvei på en varm dag er et eksempel på en luftspeiling. Luftspeilinger oppstår på grunn av forskjellen i brytningsindeks mellom luftlaget nær veien og luftlaget over det.
På en varm dag varmer veibanen opp luften rett over den, noe som gjør luftlaget rett over veibanen varmere enn luftlaget lenger oppstrøms. Det varmere luftlaget opplever større volumutvidelse, noe som gjør det mindre tett (lavere tetthet). Omvendt opplever det mindre varme luftlaget over det mindre volumutvidelse, noe som gjør det tettere (høyere tetthet). Så det nedre luftlaget er mindre tett, mens det øvre luftlaget er tettere.
Fordi luftlaget nederst (nærmere veioverflaten) er mindre tett, beveger lyset seg raskere når det passerer gjennom det, mens luftlaget øverst er tettere, slik at lyset beveger seg saktere når det passerer gjennom det.
Formelen for brytningsindeksen er: n = c / v, hvor n er brytningsindeksen, c = lysets hastighet i vakuum = konstant = 3 x 108 m/s, v = lysets hastighet i mediet. Basert på denne formelen er c fastsatt slik at hvis v blir større, blir n mindre, og omvendt, hvis v avtar, blir n større.
Lys beveger seg raskere i det nedre luftlaget (stor v) slik at det nedre luftlaget har en mindre brytningsindeks (liten n), mens lys beveger seg saktere i det øvre luftlaget (liten v), slik at det øvre luftlaget har en større brytningsindeks (stor n).
Det riktige svaret er A.
brytningsindeks
6. En synlig lysstråle har en bølgelengde på 510 nm i luft. Hvis lysstrålen kommer inn i et medium med en brytningsindeks på 1,5, endres bølgelengden til….
A. 680 nm
B. 510 nm
C. 340 nm
D. 170 nm
Diskusjon
Det er kjent at:
Bølgelengde (λ) = 510 nm = 510 x 10-9 meter
Brytningsindeks (n) = 1,5
Spørsmål: Bølgelengden (λ) endres til….
Jawab:
Bølgelengden (λ) endres til 340 nanometer.
Det riktige svaret er C.
7. En fisk sees på havbunnen av et klart basseng, dybden på bassenget er 2 meter, brytningsindeksen til bassenget er 4/3. Hvis fisken sees nesten vinkelrett på overflaten av bassenget, hvor langt fra overflaten av bassenget ser fisken ut?
A. 1 meter fra bassengoverflaten
B. 1,5 meter fra bassengoverflaten
C. 2 meter fra bassengoverflaten
D. 2,67 meter fra bassengoverflaten
Diskusjon
Det er kjent at:
Brytningsindeks for bassenget = 4/3
Bassengdybde = 2 meter
Spørsmål: Hvor langt kan fisken sees fra overflaten av dammen?
Jawab:
Tilsynelatende avstand = 1 : n (reell avstand)
Tilsynelatende avstand = 1 : 4/3 (2 meter)
Tilsynelatende avstand = 1 x 3/4 (2 meter)
Tilsynelatende avstand = 3/4 (2 meter)
Tilsynelatende avstand = 6/4
Tilsynelatende avstand = 1,5 meter
Avstanden til fisken som er synlig fra dammens overflate = 1,5 meter
Det riktige svaret er B.
8. Lys kan overføres i en kanal hvis brytningsindeks i forhold til omgivelsene er….
A. > 1
B. = 1
C. < 1
D. = 0
Diskusjon
Brytningsindeks for vakuum = 1,0000
Brytningsindeksen til et medium er større enn brytningsindeksen til et vakuum.
Det riktige svaret er A.
Spredning av lys
9. Spredningsvinkelen er vinkelen mellom to farger av monokromatisk lys som oppstår i tilfelle….
A. polarisering av lys
B. lysabsorpsjon
C. spredning av lys
D. diffraksjon av lys
Diskusjon
Monokromatisk lys er lys som har én farge eller bølgelengde. Hvitt lys, i likhet med sollys, er en kombinasjon av alle farger, hver med en ulik bølgelengde eller frekvens. Nedbrytningen av hvitt lys til det synlige spekteret (rødt, oransje, gult, grønt, blått, indigo og fiolett) kalles lysdispersjon.
Lysspredning kan oppnås ved hjelp av prismer, vanndråper eller andre objekter. Regnbuer er et eksempel på lysspredning i hverdagen, der sollys spres av regndråper.
Det riktige svaret er C.
10. Spørsmål til den nasjonale naturfag-OL 2011 for ungdomsskoler på Regency-/bynivå nr. 60
En regnbue fremstår som et fargerikt bånd formet som en delvis sirkel. Den riktige rekkefølgen av de fire regnbuefargene nedenfor, fra minste til største radius, er…
A. rød, oransje, gul, grønn
B. blå, lilla, grønn, gul
C. grønn, blå, indigo, fiolett
D. indigo, blå, grønn, gul
Diskusjon
Rekkefølgen på regnbuens farger er rød, oransje, gul, grønn, blå, indigo og lilla.
Rødt lys har den lengste bølgelengden, mens fiolett lys har den korteste. Avbøyningen av hver lysfarge avhenger av bølgelengden.
Når hvitt sollys spres av regndråper, avbøyes lys med lengre bølgelengder mindre, mens lys med kortere bølgelengder avbøyes mer. Rødt lys avbøyes minst fordi bølgelengden er lengre, mens fiolett lys avbøyes mest fordi bølgelengden er kortere, som vist i diagrammet nedenfor. Dermed ser observatørens øye det røde lyset øverst og det fiolette lyset nederst.
Alle farger av regnbuens lys er delvis sirkulære i formen, hvor den røde lyssirkelen er øverst, så den har den største radiusen, mens den lilla lyssirkelen er nederst, så den har den minste radiusen.
Rekkefølgen på lyse farger fra største radius til minste radius er rød, oransje, gul, grønn, blå, indigo og fiolett.
Det riktige svaret er D.
11. De lyse fargene fra oljelaget på vannoverflaten oppstår på grunn av hendelsen...
A. interferens
B. polarisering
C. dispergerer
D. diffraksjon
Diskusjon
Det riktige svaret er C.
