Przykłady pytań i wzorów dla fal świetlnych w optyce fizycznej
Charakterystyka światła
1. Światło jest falą elektromagnetyczną, zatem światło…
A. Nie doświadcza refleksji
B. Nie doświadcza refrakcji
C. Nie wymaga podłoża propagacyjnego
D. Nie przenosi energii podczas propagacji
Pembahasan
Światło jest falą, a zatem ulega odbiciu, załamaniu i przenosi energię podczas propagacji, podobnie jak inne fale. Światło jest falą elektromagnetyczną, więc nie wymaga ośrodka do propagacji.
Prawidłowa odpowiedź to C.
2. Zwróć uwagę na następujące stwierdzenie:
1. Światło porusza się po linii prostej
2. Światło jest falą elektromagnetyczną
3. Światło może być absorbowane
4. Światło przenosi ładunek elektryczny
Prawidłowe stwierdzenie dotyczące właściwości światła brzmi...
A. tylko oświadczenie 1
B. oświadczenia 1 i 2
C. stwierdzenia 1, 2 i 3
D. wszystkie stwierdzenia są prawdziwe
Pembahasan
1. Światło porusza się po linii prostej.
To stwierdzenie jest prawdziwe, ponieważ chociaż światło porusza się jak fala poprzeczna, jego droga jest linią prostą. W optyce geometrycznej (odbicie i załamanie światła) światło jest przedstawiane jako promień, którego droga jest linią prostą.
2. Światło jest falą elektromagnetyczną:
To stwierdzenie jest prawdziwe, ponieważ światło jest falą elektromagnetyczną, a do rozchodzenia się światła nie potrzeba żadnego ośrodka.
3. Światło może być absorbowane:
To stwierdzenie jest prawdziwe. Światło jest rodzajem fali elektromagnetycznej. Wszystkie fale, zarówno mechaniczne, jak i elektromagnetyczne, niosą energię, przemieszczając się z jednego miejsca do drugiego. Dlatego część energii światła może zostać pochłonięta przez ośrodek, przez który przechodzi. Na przykład, gdy światło pada na płaskie lustro, większość światła ulega odbiciu, ale niewielka jego część jest pochłaniana przez lustro.
4. Światło przenosi ładunek elektryczny:
To stwierdzenie jest fałszywe. Światło jest falą elektromagnetyczną, a fale elektromagnetyczne powstają w wyniku oscylujących pól elektrycznych i magnetycznych. Fale elektromagnetyczne są emitowane przez przyspieszające ładunki elektryczne.
Prawidłowa odpowiedź to C.
Idealne odbicie
3. Zdjęcie po prawej przedstawia diamentowy kamień jubilerski, który jest bardzo drogi, ponieważ światło odbite od diamentu jest tak lśniące. Zjawisko to jest spowodowane…
A. doskonałe załamanie, w którym światło przechodzi z ośrodka o mniejszej gęstości do ośrodka o większej gęstości
B. idealne załamanie, w którym kąt padania jest mniejszy od kąta granicznego
C. idealne odbicie, w którym światło przechodzi z ośrodka o mniejszej gęstości do ośrodka o większej gęstości
D. idealne odbicie, w którym kąt padania jest większy od kąta granicznego
Pembahasan
Światło diamentu wydaje się mienić dzięki rozproszeniu światła i idealnemu odbiciu. Idealne odbicie występuje, gdy światło przechodzi z ośrodka o wyższym współczynniku załamania do ośrodka o niższym współczynniku załamania. Na przykład światło przechodzi z diamentu (o wyższym współczynniku załamania) do powietrza (o niższym współczynniku załamania). Aby lepiej to zrozumieć, spójrz na poniższy obraz.
Gdy światło przechodzi z ośrodka o dużym współczynniku załamania do ośrodka o małym współczynniku załamania, ulega odchyleniu od normalnej. Jeśli kąt padania (i) jest większy, to kąt załamania (r) jest większy. Przy pewnym kącie padania kąt załamania wynosi 90°. Kąt padania, gdy kąt załamania wynosi 90°, nazywany jest kątem krytycznym (θk) lub kątem granicznym. Jeśli kąt padania jest większy od kąta krytycznego lub kąta granicznego, światło nie ulega załamaniu; całe światło ulega odbiciu.
Prawidłowa odpowiedź to D.
4. Pytania do Krajowej Olimpiady Przyrodniczej 2011 dla szkół średnich I stopnia na poziomie regencji/miasta nr 39
Poniższe zjawisko, będące symptomem doskonałego odbicia, to….
A. tęcza
B. miraż
C. kolorowe jezioro
D. astygmatyzm
Pembahasan
Zjawisko mirażu nazywane jest zjawiskiem idealnego odbicia, ponieważ w tym procesie światło docierające z powietrza nie załamuje się na powierzchni drogi, lecz wydaje się, że całe światło jest od niej odbite. Zjawisko mirażu występuje, ponieważ światło przechodzi przez warstwy powietrza o różnych współczynnikach załamania światła, co wynika z ich różnej gęstości. W rzeczywistości światło nie odbija się od powierzchni drogi, lecz ulega załamaniu (zagięciu) w warstwach powietrza o różnych współczynnikach załamania światła.
Prawidłowa odpowiedź to B.
5. Pytania do Krajowej Olimpiady Przyrodniczej 2010 dla szkół średnich I stopnia na poziomie regencji/miasta nr 30
Widok plamy oleju na powierzchni asfaltowej drogi w upalny dzień jest w zasadzie zdarzeniem całkowitego odbicia, ponieważ…
A. Współczynnik załamania światła górnych warstw powietrza jest większy niż współczynnik załamania światła warstw dolnych.
B. Współczynnik załamania światła górnych warstw powietrza jest mniejszy niż warstw dolnych.
C. Krople wody odbijają różne kolory pod różnymi kątami odbicia.
D. Krople wody załamują światło w różnych kolorach pod różnymi kątami.
Pembahasan
Przykładem mirażu jest plama oleju na asfaltowej drodze w upalny dzień. Miraże powstają na skutek różnicy współczynnika załamania światła między warstwą powietrza w pobliżu drogi a warstwą powietrza nad nią.
W upalny dzień powierzchnia drogi ogrzewa powietrze znajdujące się bezpośrednio nad nią, przez co warstwa powietrza bezpośrednio nad nią jest cieplejsza niż warstwa powietrza znajdująca się dalej od niej. Cieplejsza warstwa powietrza ulega większej ekspansji objętościowej, co czyni ją mniej gęstą (mniejszą gęstością). I odwrotnie, mniej gorąca warstwa powietrza nad nią ulega mniejszej ekspansji objętościowej, co czyni ją gęstszą (większą gęstością). Zatem dolna warstwa powietrza jest mniej gęsta, a górna – gęstsza.
Ponieważ dolna warstwa powietrza (bliżej powierzchni drogi) jest mniej gęsta, światło porusza się szybciej, gdy przez nią przechodzi, natomiast górna warstwa powietrza jest gęstsza, więc światło porusza się wolniej, gdy przez nią przechodzi.
Wzór na współczynnik załamania światła jest następujący: n = c / v, gdzie n to współczynnik załamania światła, c = prędkość światła w próżni = stała = 3 x 108 m/s, v = prędkość światła w ośrodku. Zgodnie z tym wzorem, c jest stałe, więc jeśli v rośnie, to n maleje i odwrotnie, jeśli v maleje, to n rośnie.
Światło porusza się szybciej w dolnej warstwie powietrza (duże v), co sprawia, że dolna warstwa powietrza ma mniejszy współczynnik załamania światła (małe n), natomiast światło porusza się wolniej w górnej warstwie powietrza (małe v), co sprawia, że górna warstwa powietrza ma większy współczynnik załamania światła (duże n).
Prawidłowa odpowiedź to A.
współczynnik załamania światła
6. Wiązka światła widzialnego ma w powietrzu długość fali 510 nm. Jeśli wiązka światła wejdzie do ośrodka o współczynniku załamania światła 1,5, jej długość fali zmienia się na…
A. 680 nm
B. 510 nm
C. 340 nm
D. 170 nm
Pembahasan
Wiadomo, że:
Długość fali (λ) = 510 nm = 510 x 10-9 metr
Współczynnik załamania światła (n) = 1,5
Pytanie: Długość fali (λ) zmienia się na….
Jawab:
Długość fali (λ) zmienia się na 340 nanometrów.
Prawidłowa odpowiedź to C.
7. Rybę widać na dnie przezroczystego basenu o głębokości 2 metrów i współczynniku załamania światła 4/3. Jeśli ryba jest widoczna niemal prostopadle do powierzchni basenu, jak daleko jest widoczna od powierzchni basenu?
A. 1 metr od powierzchni basenu
B. 1,5 metra od powierzchni basenu
C. 2 metry od powierzchni basenu
D. 2,67 metra od powierzchni basenu
Pembahasan
Wiadomo, że:
Współczynnik załamania światła basenu = 4/3
Głębokość basenu = 2 metry
Pytanie: Jak daleko od powierzchni stawu widać ryby?
Jawab:
Odległość pozorna = 1 : n (odległość rzeczywista)
Odległość pozorna = 1 : 4/3 (2 metry)
Odległość pozorna = 1 x 3/4 (2 metry)
Odległość pozorna = 3/4 (2 metry)
Odległość pozorna = 6/4
Odległość pozorna = 1,5 metra
Odległość ryby widocznej od powierzchni stawu = 1,5 metra
Prawidłowa odpowiedź to B.
8. Światło może być przesyłane w kanale, którego współczynnik załamania światła względem otoczenia wynosi….
A. > 1
B. = 1
C. < 1
D. = 0
Pembahasan
Współczynnik załamania światła próżni = 1,0000
Współczynnik załamania światła ośrodka jest większy niż współczynnik załamania światła próżni.
Prawidłowa odpowiedź to A.
Rozproszenie światła
9. Kąt rozproszenia to kąt między dwiema barwami światła monochromatycznego, który powstaje w przypadku….
A. polaryzacja światła
B. absorpcja światła
C. rozproszenie światła
D. dyfrakcja światła
Pembahasan
Światło monochromatyczne to światło o jednym kolorze lub długości fali. Światło białe, podobnie jak światło słoneczne, to połączenie wszystkich kolorów, z których każdy ma inną długość fali lub częstotliwość. Rozpad światła białego na widmo widzialne (czerwony, pomarańczowy, żółty, zielony, niebieski, indygo i fioletowy) nazywa się dyspersją światła.
Rozproszenie światła można uzyskać za pomocą pryzmatów, kropel wody lub innych obiektów. Tęcze są przykładem rozproszenia światła w życiu codziennym, gdzie światło słoneczne jest rozpraszane przez krople deszczu.
Prawidłowa odpowiedź to C.
10. Pytania do Krajowej Olimpiady Przyrodniczej 2011 dla szkół średnich I stopnia na poziomie regencji/miasta nr 60
Tęcza wygląda jak kolorowa wstęga w kształcie częściowego koła. Prawidłowa kolejność czterech kolorów tęczy poniżej, od najmniejszego do największego promienia, to…
A. czerwony, pomarańczowy, żółty, zielony
B. niebieski, fioletowy, zielony, żółty
C. zielony, niebieski, indygo, fioletowy
D. indygo, niebieski, zielony, żółty
Pembahasan
Kolejność kolorów tęczy jest następująca: czerwony, pomarańczowy, żółty, zielony, niebieski, indygo i fioletowy.
Światło czerwone ma najdłuższą długość fali, a światło fioletowe najkrótszą. Odchylenie każdego koloru światła zależy od jego długości fali.
Gdy białe światło słoneczne jest rozpraszane przez krople deszczu, światło o dłuższych falach jest odchylane w mniejszym stopniu, podczas gdy światło o krótszych falach jest odchylane w większym stopniu. Światło czerwone jest odchylane najmniej, ponieważ jego długość fali jest dłuższa, natomiast światło fioletowe jest odchylane najbardziej, ponieważ jego długość fali jest krótsza, jak pokazano na poniższym diagramie. Zatem oko obserwatora widzi światło czerwone u góry, a światło fioletowe u dołu.
Wszystkie kolory tęczy mają częściowo okrągły kształt, przy czym czerwony okrąg znajduje się na górze, więc ma największy promień, a fioletowy okrąg znajduje się na dole, więc ma najmniejszy promień.
Kolejność jasnych kolorów od największego do najmniejszego promienia jest następująca: czerwony, pomarańczowy, żółty, zielony, niebieski, indygo, fioletowy.
Prawidłowa odpowiedź to D.
11. Jasne kolory pochodzące z warstwy oleju na powierzchni wody powstają na skutek zdarzenia...
A. interferencja
B. polaryzacja
C. dyspersja
D. dyfrakcja
Pembahasan
Prawidłowa odpowiedź to C.
