Vzorčna vprašanja o razpravi o vidni svetlobi
Uvod
Vidna svetloba je del elektromagnetnega spektra, ki ga vidi človeško oko. Valovna dolžina vidne svetlobe je približno od 380 do 740 nanometrov. Ta svetloba je sestavljena iz različnih barv, ki jih je mogoče ločiti z lomom ali uklonom. Ta pojav se pogosto preučuje v fiziki, zlasti v poglavju o optiki.
Svetloba je oblika energije, ki je bistvena za vsakdanje življenje in ključna tema v različnih fizikalnih problemih. V tem članku bomo obravnavali več primerov problemov, povezanih z vidno svetlobo, in kako jih rešiti.
Vzorčna vprašanja in razprava
Vprašanje 1: Spekter bele svetlobe
Steklena prizma se uporablja za ločevanje snopa bele svetlobe na njegove sestavne barve. Naštejte barvni spekter, ki nastane pri lomu bele svetlobe skozi prizmo, od najkrajše do najdaljše valovne dolžine.
Razprava:
Bela svetloba je sestavljena iz različnih barv z različnimi valovnimi dolžinami. Ko bela svetloba prehaja skozi prizmo, se vsaka barvna komponenta upogne pod različnim kotom, odvisno od njene valovne dolžine. Vrstni red barv od najkrajše do najdaljše valovne dolžine je:
1. Vijolična
2. Modra
3. Zelena
4. Rumena
5. Oranžna
6. Rdeča
Vijolična ima najkrajšo valovno dolžino (~380 nm) in se najbolj odbija, rdeča pa ima najdaljšo valovno dolžino (~700 nm) in se najmanj odbija.
Vprašanje 2: Lomni količnik
Monokromatska svetloba z valovno dolžino 600 nm je v mediju vode z lomnim količnikom \(n\). Svetloba vstopi v drug medij, in sicer v steklo z lomnim količnikom 1,5. Izračunajte lomni kot, če je vpadni kot v vodi 30 stopinj. Lomni količnik vode je 1,33.
Razprava:
Uporabite Snellov zakon, ki pravi, da:
\[n_1 \sin \theta_1 = n_2 \sin \theta_2 \]
Glede na:
– Lomni količnik vode, \(n_1 = 1,33 \)
– Lomni količnik stekla, \(n_2 = 1,5 \)
– Vpadni kot v vodi, \( \theta_1 = 30^\circ \)
Torej:
\[ 1,33 \sin 30^\circ = 1,5 \sin \theta_2 \]
Ker je \(\sin 30^\circ = 0,5\), v enačbo nadomestimo:
\[1,33 \krat 0,5 = 1,5 \sin \theta_2 \]
\[0,665 = 1,5 \sin \theta_2 \]
\[ \sin \theta_2 = \frac{0,665}{1,5} \]
\[ \sin \theta_2 = 0,4433 \]
Poiščite lomni kot \( \theta_2 \):
\[ \theta_2 = \sin^{-1}(0,4433) \približno 26,4^\circ \]
Torej je lomni kot v steklu \( \theta_2 \) približno 26,4 stopinje.
Vprašanje 3: Motnje svetlobe
Dve ozki vzporedni reži, ločeni z razdaljo d = 0,1 mm, osvetljuje snop monokromatske svetlobe z valovno dolžino λ = 500 nm. Svetlobni snop ustvari interferenčni vzorec na zaslonu, ki je od rež oddaljen 2 m. Izračunajte razdaljo med dvema zaporednima svetlima pasovoma na zaslonu.
Razprava:
Uporabite enačbo za razdaljo med dvema zaporednima svetlima pasovoma v interferenčnem vzorcu z dvema režama:
\[ \Delta y = \frac{\lambda L}{d} \]
Glede na:
– Valovna dolžina svetlobe, \( \lambda = 500 \krat 10^{-9} \) metrov
– Razdalja od reže do zaslona, \( L = 2 \) metrov
– Razdalja med režama, \( d = 0,1 \times 10^{-3} \) metrov
Nadomestite te vrednosti:
\[ \Delta y = \frac{500 \krat 10^{-9} \text{ m} \krat 2 \text{ m}}{0,1 \krat 10^{-3} \text{ m}} \]
\[ \Delta y = \frac{1000 \krat 10^{-9} \text{ m}}{0,1 \krat 10^{-3} \text{ m}} \]
\[ \Delta y = \frac{1000 \krat 10^{-9}}{10^{-4}} \]
\[ \Delta y = 10^{-5 + 4} \]
\[ \Delta y = 10^{-1} \]
\[ \Delta y = 0,01 \text{ m} \]
Torej je razdalja med dvema zaporednima svetlima pasovoma na zaslonu 0,01 metra oziroma 1 cm.
Vprašanje 4: Difrakcija svetlobe
Svetloba z valovno dolžino (λ = 600 nm) prehaja skozi eno samo režo s širino (a = 0,02) mm. Nastali difrakcijski vzorec se zajame na zaslonu, ki je oddaljen 3 metre od reže. Izračunajte širino prvega temnega pasu od središča difrakcijskega vzorca.
Razprava:
Za širino prvega temnega pasu (vzorec difrakcije z eno režo) uporabite enačbo:
\[y = \frac{m \lambda L}{a} \]
Za prvi temni pas, \( m = 1 \):
\[ y = \frac{1 \krat 600 \krat 10^{-9} \text{ m} \krat 3 \text{ m}}{0,02 \krat 10^{-3} \text{ m}} \]
Zamenjava vrednosti:
\[ y = \frac{600 \krat 10^{-9} \text{ m} \krat 3 \text{ m}}{0,02 \krat 10^{-3} \text{ m}} \]
\[y = \frac{1800 \krat 10^{-9} \text{ m}}{0,02 \krat 10^{-3} \text{ m}} \]
\[y = \frac{1800}{0,02} \krat 10^{-6} \text{ m} \]
\[y = \frac{1800}{0,02} \krat 10^{-6} \text{ m} \]
\[y = 90000 \krat 10^{-6} \text{ m} \]
\[ y = 0,09 \text{ m} \]
Torej je širina prvega temnega pasu od središča difrakcijskega vzorca 0,09 metra oziroma 9 cm.
Zaključek
Vidna svetloba je območje elektromagnetnega spektra, ki ga lahko zazna človeško oko, in je ključnega pomena za optične pojave, kot so lom, interferenca in uklon. Razumevanje osnovnih konceptov in sposobnost reševanja problemov, povezanih s temi pojavi, je ključnega pomena za študente in raziskovalce. V tem članku smo pregledali več primerov problemov z razlagami, ki nam bodo pomagali razumeti, kako vidna svetloba interagira z medijem in povzroča različne optične pojave. Z boljšim razumevanjem lahko raziščemo nadaljnje aplikacije vidne svetlobe v znanosti in tehnologiji.
