Príklady otázok a vzorcov pre svetelné vlny vo fyzikálnej optike
Charakteristiky svetla
1. Svetlo je elektromagnetická vlna, preto svetlo….
A. Nezažíva odraz
B. Nedochádza k refrakcii
C. Nevyžaduje rozmnožovacie médium
D. Pri šírení neprenáša energiu
Diskusia
Svetlo je vlnenie, preto sa počas svojho šírenia odráža, láme a prenáša energiu, rovnako ako iné vlny. Svetlo je elektromagnetická vlna, takže na šírenie nepotrebuje médium.
Správna odpoveď je C.
2. Venujte pozornosť nasledujúcemu vyhláseniu:
1. Svetlo sa pohybuje priamočiaro
2. Svetlo je elektromagnetická vlna
3. Svetlo sa môže absorbovať
4. Svetlo nesie elektrický náboj
Správne tvrdenie týkajúce sa vlastností svetla je...
A. iba vyhlásenie 1
B. vyhlásenia 1 a 2
C. vyhlásenia 1, 2 a 3
D. všetky tvrdenia sú pravdivé
Diskusia
1. Svetlo sa šíri priamočiaro.
Toto tvrdenie je pravdivé, pretože hoci sa svetlo pohybuje ako priečna vlna, dráha svetla je priamka. V téme geometrickej optiky (odraz a lom svetla) sa svetlo zobrazuje ako lúč, ktorého dráha pohybu je priamka.
2. Svetlo je elektromagnetická vlna:
Toto tvrdenie je pravdivé, pretože svetlo je elektromagnetická vlna, kde šírenie svetla nevyžaduje médium.
3. Svetlo môže byť absorbované:
Toto tvrdenie je pravdivé. Svetlo je typ elektromagnetickej vlny. Všetky vlny, mechanické aj elektromagnetické, prenášajú energiu pri svojom prenose z jedného miesta na druhé. Preto časť svetelnej energie môže byť absorbovaná médiom, ktorým prechádza. Napríklad, keď svetlo prechádza smerom k rovinnému zrkadlu, väčšina svetla sa odrazí, ale malá časť je absorbovaná zrkadlom.
4. Svetlo nesie elektrický náboj:
Toto tvrdenie je nepravdivé. Svetlo je elektromagnetická vlna a elektromagnetické vlny sú produkované kmitajúcimi elektrickými a magnetickými poľami. Elektromagnetické vlny sú vyžarované zrýchľujúcimi sa elektrickými nábojmi.
Správna odpoveď je C.
Dokonalý odraz
3. Obrázok vpravo zobrazuje diamantový šperk, ktorý je veľmi drahý, pretože svetlo odrážané diamantom sa tak trblieta. Tento jav je spôsobený…
A. dokonalá refrakcia, pri ktorej svetlo prechádza z menej hustého prostredia do hustejšieho prostredia
B. dokonalá refrakcia, kde je uhol dopadu menší ako hraničný uhol
C. dokonalý odraz, pri ktorom svetlo prechádza z menej hustého prostredia do hustejšieho prostredia
D. dokonalý odraz, kde je uhol dopadu väčší ako hraničný uhol
Diskusia
Svetlo z diamantu sa zdá byť trblietavé vďaka rozptylu svetla a dokonalému odrazu. Dokonalý odraz nastáva, keď sa svetlo pohybuje z prostredia s vyšším indexom lomu do prostredia s nižším indexom lomu. Napríklad svetlo sa pohybuje z diamantu (s vyšším indexom lomu) do vzduchu (s nižším indexom lomu). Pre lepšie pochopenie si pozrite obrázok nižšie.
Keď sa svetlo pohybuje z prostredia s veľkým indexom lomu do prostredia s malým indexom lomu, svetlo sa lomí od kolmice. Ak je uhol dopadu (i) väčší, potom je väčší aj uhol lomu (r). Pri určitom uhle dopadu je uhol lomu 90°. Uhol dopadu, keď je uhol lomu 90°, sa nazýva kritický uhol (θk) alebo medzný uhol. Ak je uhol dopadu väčší ako kritický uhol alebo medzný uhol, potom sa žiadne svetlo neláme; všetko svetlo sa odráža.
Správna odpoveď je D.
4. Otázky z Národnej vedeckej olympiády 2011 pre základné školy na úrovni regentstva/mestského školstva č. 39
Nasledujúci jav, ktorý je príznakom dokonalej reflexie, je…
A. dúha
B. fatamorgana
C. farebné jazero
D. astigmatizmus
Diskusia
Fatamorgána sa nazýva jav dokonalého odrazu, pretože pri tomto procese sa žiadne svetlo prichádzajúce zo vzduchu neláme na povrchu vozovky, ale zdá sa, akoby sa všetko svetlo odrážalo od povrchu vozovky. Fatamorgány vznikajú preto, lebo svetlo prechádza vrstvami vzduchu, ktoré majú rôzne indexy lomu v dôsledku rôznych hustôt týchto vrstiev vzduchu. V skutočnosti sa svetlo neodráža od povrchu vozovky, ale láme sa (ohýba) vrstvami vzduchu, ktoré majú rôzne indexy lomu.
Správna odpoveď je B.
5. Otázky z Národnej vedeckej olympiády 2010 pre základné školy na úrovni regentstva/mestského školstva č. 30
Pohľad na ropnú škvrnu na povrchu asfaltovej cesty v horúcom dni je v podstate udalosťou úplného odrazu, pretože….
A. Index lomu horných vrstiev vzduchu je väčší ako index lomu spodných vrstiev.
B. Index lomu horných vrstiev vzduchu je menší ako v spodných vrstvách.
C. Kvapôčky vody odrážajú rôzne farby pri rôznych uhloch odrazu.
D. Vodné kvapky lámu rôzne farby pri rôznych uhloch lomu.
Diskusia
Príkladom fatamorgány je napríklad ropná škvrna na asfaltovej ceste v horúcom dni. Fatamorgány vznikajú v dôsledku rozdielu v indexe lomu medzi vrstvou vzduchu v blízkosti cesty a vrstvou vzduchu nad ňou.
Počas horúceho dňa povrch vozovky ohrieva vzduch priamo nad ním, čím sa vrstva vzduchu priamo nad povrchom vozovky otepluje viac ako vrstva vzduchu ďalej proti prúdu. Teplejšia vrstva vzduchu zažíva väčšiu objemovú expanziu, čím sa znižuje jej hustota (nižšia hustota). Naopak, menej horúca vrstva vzduchu nad ňou zažíva menšiu objemovú expanziu, čím sa zvyšuje jej hustota (vyššia hustota). Spodná vrstva vzduchu má teda menšiu hustotu, zatiaľ čo vrchná vrstva vzduchu je hustejšia.
Pretože vrstva vzduchu v spodnej časti (bližšie k povrchu vozovky) má menšiu hustotu, svetlo sa pri prechode cez ňu pohybuje rýchlejšie, zatiaľ čo vrstva vzduchu v hornej časti je hustejšia, takže svetlo sa pri prechode cez ňu pohybuje pomalšie.
Vzorec pre index lomu je: n = c / v, kde n je index lomu, c = rýchlosť svetla vo vákuu = konštanta = 3 x 108 m/s, v = rýchlosť svetla v prostredí. Na základe tohto vzorca je c fixné tak, že ak sa v zväčší, n sa zmenší a naopak, ak sa v zmenší, n sa zväčší.
Svetlo sa pohybuje rýchlejšie v spodnej vrstve vzduchu (veľké v), takže spodná vrstva vzduchu má menší index lomu (malé n), zatiaľ čo v hornej vrstve vzduchu sa svetlo pohybuje pomalšie (malé v), takže horná vrstva vzduchu má väčší index lomu (veľké n).
Správna odpoveď je A.
index lomu
6. Viditeľný svetelný lúč má vo vzduchu vlnovú dĺžku 510 nm. Ak svetelný lúč vstúpi do prostredia s indexom lomu 1,5, jeho vlnová dĺžka sa zmení na….
A. 680 nm
B. 510 nm
C. 340 nm
D. 170 nm
Diskusia
Je známe, že:
Vlnová dĺžka (λ) = 510 nm = 510 x 10-9 meter
Index lomu (n) = 1,5
Otázka: Vlnová dĺžka (λ) sa mení na….
Odpoveď:
Vlnová dĺžka (λ) sa zmení na 340 nanometrov.
Správna odpoveď je C.
7. Na morskom dne priezračnej vody je viditeľná ryba, hĺbka vody je 2 metre, index lomu vody je 4/3. Ak je ryba viditeľná takmer kolmo na hladinu vody, ako ďaleko od hladiny vody sa ryba javí?
A. 1 meter od hladiny bazéna
B. 1,5 metra od hladiny bazéna
C. 2 metre od hladiny bazéna
D. 2,67 metra od hladiny bazéna
Diskusia
Je známe, že:
Index lomu bazéna = 4/3
Hĺbka bazéna = 2 metre
Otázka: Ako ďaleko sú ryby viditeľné od hladiny jazierka?
Odpoveď:
Zdanlivá vzdialenosť = 1 : n (skutočná vzdialenosť)
Zdanlivá vzdialenosť = 1 : 4/3 (2 metre)
Zdanlivá vzdialenosť = 1 x 3/4 (2 metre)
Zdanlivá vzdialenosť = 3/4 (2 metre)
Zdanlivá vzdialenosť = 6/4
Zdanlivá vzdialenosť = 1,5 metra
Vzdialenosť rýb viditeľných od hladiny jazierka = 1,5 metra
Správna odpoveď je B.
8. Svetlo môže byť prenášané kanálom, ktorého index lomu vzhľadom na prostredie je….
A. > 1
B. = 1
C. < 1
D. = 0
Diskusia
Index lomu vákua = 1,0000
Index lomu média je väčší ako index lomu vákua.
Správna odpoveď je A.
Disperzia svetla
9. Uhol rozptylu je uhol medzi dvoma farbami monochromatického svetla, ktorý vzniká v prípade….
A. polarizácia svetla
B. absorpcia svetla
C. rozptyl svetla
D. difrakcia svetla
Diskusia
Monochromatické svetlo je svetlo, ktoré má jednu farbu alebo vlnovú dĺžku. Biele svetlo, podobne ako slnečné svetlo, je kombináciou všetkých farieb, pričom každá má inú vlnovú dĺžku alebo frekvenciu. Rozklad bieleho svetla na viditeľné spektrum (červená, oranžová, žltá, zelená, modrá, indigová a fialová) sa nazýva disperzia svetla.
Rozptyl svetla sa dá dosiahnuť hranolmi, vodnými kvapkami alebo inými predmetmi. Dúha je príkladom rozptylu svetla v každodennom živote, kde slnečné svetlo rozptyľujú dažďové kvapky.
Správna odpoveď je C.
10. Otázky z Národnej vedeckej olympiády 2011 pre základné školy na úrovni regentstva/mestského školstva č. 60
Dúha sa javí ako farebná stuha v tvare čiastočného kruhu. Správne poradie štyroch farieb dúhy uvedených nižšie, od najmenšieho po najväčší polomer, je…
A. červená, oranžová, žltá, zelená
B. modrá, fialová, zelená, žltá
C. zelená, modrá, indigová, fialová
D. indigo, modrá, zelená, žltá
Diskusia
Poradie farieb dúhy je červená, oranžová, žltá, zelená, modrá, indigová a fialová.
Červené svetlo má najdlhšiu vlnovú dĺžku, zatiaľ čo fialové svetlo má najkratšiu. Odchýlka každej farby svetla závisí od jej vlnovej dĺžky.
Keď sa biele slnečné svetlo rozptyľuje dažďovými kvapkami, svetlo s dlhšími vlnovými dĺžkami sa odkláňa menej, zatiaľ čo svetlo s kratšími vlnovými dĺžkami sa odkláňa viac. Červené svetlo sa odkláňa najmenej, pretože jeho vlnová dĺžka je dlhšia, zatiaľ čo fialové svetlo sa odkláňa najviac, pretože jeho vlnová dĺžka je kratšia, ako je znázornené na diagrame nižšie. Oko pozorovateľa teda vidí červené svetlo hore a fialové svetlo dole.
Všetky farby dúhového svetla majú čiastočne kruhový tvar, pričom červený kruh svetla je navrchu, takže má najväčší polomer, zatiaľ čo fialový kruh svetla je naspodku, takže má najmenší polomer.
Poradie svetlých farieb od najväčšieho polomeru po najmenší polomer je červená, oranžová, žltá, zelená, modrá, indigová, fialová.
Správna odpoveď je D.
11. Svetlé farby olejovej vrstvy na hladine vody vznikajú v dôsledku udalosti...
A. rušenie
B. polarizácia
C. dispersi
D. difrakcia
Diskusia
Správna odpoveď je C.
