Примеры задач и формул для описания световых волн в физической оптике.
Характеристики света
1. Свет — это электромагнитная волна, следовательно, свет…
А. Не испытывает отражения
В. Не испытывает преломления света.
C. Не требует среды распространения.
D. Не переносит энергию при распространении.
Обсуждение
Свет — это волна, поэтому он, как и другие волны, подвергается отражению, преломлению и переносит энергию во время распространения. Свет — это электромагнитная волна, поэтому для его распространения не требуется среда.
Правильный ответ — C.
2. Обратите внимание на следующее утверждение:
1. Свет движется по прямой линии.
2. Свет — это электромагнитная волна.
3. Свет может поглощаться
4. Свет переносит электрический заряд.
Правильное утверждение относительно свойств света звучит так...
А. только утверждение 1
Б. утверждения 1 и 2
C. утверждения 1, 2 и 3
D. Все утверждения верны.
Обсуждение
1. Свет движется по прямой линии.
Это утверждение верно, потому что, хотя свет распространяется как поперечная волна, его путь представляет собой прямую линию. В разделе геометрической оптики (отражение и преломление света) свет изображается как луч, траектория движения которого представляет собой прямую линию.
2. Свет — это электромагнитная волна:
Это утверждение верно, потому что свет — это электромагнитная волна, распространение которой не требует среды.
3. Свет может поглощаться:
Это утверждение верно. Свет — это разновидность электромагнитной волны. Все волны, как механические, так и электромагнитные, переносят энергию, распространяясь из одного места в другое. Поэтому часть энергии света может поглощаться средой, через которую он проходит. Например, когда свет движется к плоскому зеркалу, большая его часть отражается, но небольшая часть поглощается зеркалом.
4. Свет переносит электрический заряд:
Это утверждение неверно. Свет — это электромагнитная волна, а электромагнитные волны создаются колебательными электрическими и магнитными полями. Электромагнитные волны излучаются ускоряющимися электрическими зарядами.
Правильный ответ — C.
Идеальное отражение
3. На фотографии справа изображен очень дорогой бриллиант, который сверкает благодаря отраженному от него свету. Это явление вызвано…
А. Идеальное преломление, при котором свет входит из менее плотной среды в более плотную среду.
B. Идеальное преломление, при котором угол падения меньше граничного угла.
C. Идеальное отражение, при котором свет переходит из менее плотной среды в более плотную.
D. идеальное отражение, при котором угол падения превышает граничный угол.
Обсуждение
Свет, отражающийся от алмаза, кажется сверкающим из-за дисперсии света и идеального отражения. Идеальное отражение происходит, когда свет переходит из среды с более высоким показателем преломления в среду с более низким показателем преломления. Например, свет переходит из алмаза (с более высоким показателем преломления) в воздух (с более низким показателем преломления). Для лучшего понимания этого явления, изучите изображение ниже.
Когда свет переходит из среды с большим показателем преломления в среду с малым показателем преломления, он отклоняется от нормали. Если угол падения (i) больше, то угол преломления (r) больше. При определенном угле падения угол преломления равен 90°. Угол падения, при котором угол преломления равен 90°, называется критическим углом (θk) или предельным углом. Если угол падения больше критического или предельного угла, то свет не преломляется; весь свет отражается.
Правильный ответ — D.
4. Вопросы Национальной научной олимпиады 2011 года для средних школ на уровне округа/города № 39
Следующее явление, являющееся признаком совершенного отражения, это…
А. радуга
Б. мираж
С. цветное озеро
D. астигматизм
Обсуждение
Мираж называется явлением идеального отражения, потому что в этом процессе свет, исходящий из воздуха, не преломляется поверхностью дороги, а кажется, будто весь свет отражается от дорожного покрытия. Миражи возникают из-за того, что свет проходит через слои воздуха с разными показателями преломления из-за различной плотности этих слоев. В действительности свет не отражается от дорожного покрытия, а преломляется (изгибается) слоями воздуха с разными показателями преломления.
Правильный ответ — B.
5. Вопросы Национальной научной олимпиады 2010 года для средних школ на уровне округа/города № 30
Вид нефтяного пятна на асфальтированной дороге в жаркий день – это, по сути, событие, заставляющее полностью задуматься, потому что…
А. Показатель преломления верхних слоев воздуха больше, чем показатель преломления нижних слоев.
В. Показатель преломления верхних слоев воздуха меньше, чем нижних.
C. Капли воды отражают разные цвета под разными углами отражения.
D. Капли воды преломляют разные цвета под разными углами преломления.
Обсуждение
Примером миража может служить нефтяное пятно на асфальтированной дороге в жаркий день. Миражи возникают из-за разницы показателей преломления между слоем воздуха у дороги и слоем воздуха над ней.
В жаркий день дорожное полотно нагревает воздух непосредственно над ним, в результате чего слой воздуха непосредственно над дорогой становится горячее, чем слой воздуха, расположенный выше по потоку. Более горячий слой воздуха испытывает большее объемное расширение, что делает его менее плотным (меньшей плотностью). И наоборот, менее горячий слой воздуха над ним испытывает меньшее объемное расширение, что делает его более плотным (большей плотностью). Таким образом, нижний слой воздуха менее плотный, а верхний слой воздуха более плотный.
Поскольку слой воздуха внизу (ближе к поверхности дороги) менее плотный, свет движется быстрее, проходя через него, тогда как слой воздуха вверху более плотный, поэтому свет движется медленнее, проходя через него.
Формула показателя преломления: n = c / v, где n — показатель преломления, c — скорость света в вакууме, c — постоянная, Δt = 3 × 10⁻³.8 м/с, v = скорость света в среде. На основе этой формулы c фиксировано таким образом, что если v увеличивается, то n уменьшается, и наоборот, если v уменьшается, то n увеличивается.
Свет движется быстрее в нижнем слое воздуха (большое значение v), поэтому показатель преломления нижнего слоя воздуха меньше (малое значение n), тогда как свет движется медленнее в верхнем слое воздуха (малое значение v), поэтому показатель преломления верхнего слоя воздуха больше (большое значение n).
Правильный ответ — А.
показатель преломления
6. Длина волны видимого светового луча в воздухе составляет 510 нм. Если световой луч входит в среду с показателем преломления 1,5, его длина волны изменяется на…
А. 680 нм
B. 510 нм
C. 340 нм
D. 170 нм
Обсуждение
Известно, что:
Длина волны (λ) = 510 нм = 510 x 10-9 метров
Показатель преломления (n) = 1,5
Вопрос: Длина волны (λ) изменяется на…
Джаваб:
Длина волны (λ) изменяется до 340 нанометров.
Правильный ответ — C.
7. Рыба видна на дне прозрачного водоема, глубина которого составляет 2 метра, а показатель преломления воды равен 4/3. Если рыба видна почти перпендикулярно поверхности водоема, на каком расстоянии от поверхности водоема она видна?
А. 1 метр от поверхности бассейна
В. 1,5 метра от поверхности бассейна
С. 2 метра от поверхности бассейна
Д. 2,67 метра от поверхности бассейна
Обсуждение
Известно, что:
Показатель преломления бассейна = 4/3
Глубина бассейна = 2 метра
Вопрос: На каком расстоянии от поверхности пруда можно увидеть рыбу?
Джаваб:
Кажущееся расстояние = 1 : n (реальное расстояние)
Кажущееся расстояние = 1 : 4/3 (2 метра)
Кажущееся расстояние = 1 x 3/4 (2 метра)
Кажущееся расстояние = 3/4 (2 метра)
Кажущееся расстояние = 6/4
Кажущееся расстояние = 1,5 метра
Расстояние, на котором рыба видна с поверхности пруда = 1,5 метра
Правильный ответ — B.
8. Свет может передаваться по каналу, показатель преломления которого относительно окружающей среды равен…
А. > 1
Б. = 1
С. < 1
Д. = 0
Обсуждение
Показатель преломления вакуума = 1,0000
Показатель преломления среды больше, чем показатель преломления вакуума.
Правильный ответ — А.
Рассеивание света
9. Угол дисперсии — это угол между двумя цветами монохроматического света, который возникает в случае…
А. поляризация света
B. поглощение света
C. дисперсия света
D. дифракция света
Обсуждение
Монохроматический свет — это свет, имеющий один цвет или длину волны. Белый свет, например солнечный свет, представляет собой комбинацию всех цветов, каждый из которых имеет разную длину волны или частоту. Разложение белого света на видимый спектр (красный, оранжевый, желтый, зеленый, синий, индиго и фиолетовый) называется дисперсией света.
Рассеивание света может быть достигнуто с помощью призм, капель воды или других объектов. Радуга — пример рассеивания света в повседневной жизни, когда солнечный свет рассеивается каплями дождя.
Правильный ответ — C.
10. Вопросы Национальной научной олимпиады 2011 года для средних школ на уровне округа/города № 60
Радуга выглядит как разноцветная лента в форме части круга. Правильный порядок четырех цветов радуги, расположенных ниже, от наименьшего к наибольшему радиусу, следующий…
А. красный, оранжевый, желтый, зеленый
Б. синий, фиолетовый, зеленый, желтый
C. зеленый, синий, индиго, фиолетовый
D. индиго, синий, зеленый, желтый
Обсуждение
Цвета радуги расположены в следующем порядке: красный, оранжевый, желтый, зеленый, синий, индиго и фиолетовый.
Красный свет имеет самую длинную волну, а фиолетовый — самую короткую. Отклонение света каждого цвета зависит от его длины волны.
Когда белый солнечный свет рассеивается каплями дождя, свет с большей длиной волны отклоняется меньше, а свет с меньшей длиной волны — больше. Красный свет отклоняется меньше всего, потому что его длина волны больше, а фиолетовый свет отклоняется больше всего, потому что его длина волны меньше, как показано на диаграмме ниже. Таким образом, глаз наблюдателя видит красный свет вверху, а фиолетовый — внизу.
Все цвета радужного света имеют частично круглую форму, при этом красный круг света находится вверху, поэтому имеет наибольший радиус, а фиолетовый круг света находится внизу, поэтому имеет наименьший радиус.
Цвета света расположены в следующем порядке от наибольшего радиуса к наименьшему: красный, оранжевый, жёлтый, зелёный, синий, индиго, фиолетовый.
Правильный ответ — D.
11. Светлые оттенки масляного слоя на поверхности воды возникают из-за события...
А. помехи
Б. поляризация
C. dispersi
Д. дифракция
Обсуждение
Правильный ответ — C.
