Exempel på frågor och formler för ljusvågor inom fysikalisk optik
Ljusets egenskaper
1. Ljus är en elektromagnetisk våg, därför ljus….
A. Upplever inte reflektion
B. Upplever inte brytning
C. Kräver inget förökningsmedium
D. Bär inte energi i sin fortplantning
Diskussion
Ljus är en våg, därför genomgår den reflektion, brytning och bär energi under sin utbredning, precis som andra vågor. Ljus är en elektromagnetisk våg, så den kräver inget medium för utbredning.
Det rätta svaret är C.
2. Var uppmärksam på följande påstående:
1. Ljus rör sig i en rak linje
2. Ljus är en elektromagnetisk våg
3. Ljus kan absorberas
4. Ljus bär en elektrisk laddning
Det korrekta påståendet angående ljusets egenskaper är...
A. endast påstående 1
B. påståendena 1 och 2
C. påståendena 1, 2 och 3
D. alla påståenden är sanna
Diskussion
1. Ljus rör sig i en rak linje.
Detta påstående är sant eftersom även om ljus rör sig som en transversell våg, är ljusets bana en rak linje. Inom ämnet geometrisk optik (ljusreflektion och brytning) avbildas ljus som en stråle vars rörelsebana är en rak linje.
2. Ljus är en elektromagnetisk våg:
Detta påstående är sant eftersom ljus är en elektromagnetisk våg, där ljusets utbredning inte kräver ett medium.
3. Ljus kan absorberas:
Detta påstående är sant. Ljus är en typ av elektromagnetisk våg. Alla vågor, både mekaniska och elektromagnetiska, bär energi när de färdas från en plats till en annan. Därför kan en del av ljusets energi absorberas av mediet genom vilket det passerar. Till exempel, när ljus färdas mot en plan spegel, reflekteras det mesta av ljuset, men en liten del absorberas av spegeln.
4. Ljus bär en elektrisk laddning:
Detta påstående är falskt. Ljus är en elektromagnetisk våg, och elektromagnetiska vågor produceras av oscillerande elektriska och magnetiska fält. Elektromagnetiska vågor emitteras genom accelererande elektriska laddningar.
Det rätta svaret är C.
Perfekt reflektion
3. Bilden till höger visar en diamantsmyckessten som är mycket dyr eftersom ljuset som reflekteras av diamanten är så gnistrande. Detta fenomen orsakas av…
A. perfekt brytning där ljus kommer in från ett mindre tätt medium till ett tätare medium
B. perfekt brytning där infallsvinkeln är mindre än randvinkeln
C. perfekt reflektion där ljuset kommer från ett mindre tätt medium till ett tätare medium
D. perfekt reflektion där infallsvinkeln är större än randvinkeln
Diskussion
Ljuset från en diamant verkar gnistra på grund av ljusspridning och perfekt reflektion. Perfekt reflektion uppstår när ljus rör sig från ett medium med högre brytningsindex till ett med lägre brytningsindex. Till exempel rör sig ljus från diamant (med högre brytningsindex) till luft (med lägre brytningsindex). För att förstå detta ytterligare, titta på bilden nedan.
När ljus rör sig från ett medium med högt brytningsindex till ett medium med lågt brytningsindex, böjs ljuset bort från normalen. Om infallsvinkeln (i) är större är brytningsvinkeln (r) större. Vid en viss infallsvinkel är brytningsvinkeln 90°. Infallsvinkeln när brytningsvinkeln är 90° kallas kritisk vinkel (θk) eller gränsvinkel. Om infallsvinkeln är större än den kritiska vinkeln eller gränsvinkeln bryts inget ljus; allt ljus reflekteras.
Det rätta svaret är D.
4. Frågor till den nationella olympiaden i naturvetenskap 2011 för högstadiet/stadsnivå nr 39
Följande fenomen, som är ett symptom på perfekt reflektion, är….
A. regnbåge
B. mirage
C. färgad sjö
D. astigmatism
Diskussion
En hägring kallas ett perfekt reflektionsfenomen eftersom inget ljus som kommer från luften i denna process bryts av vägytan utan det ser ut som om allt ljus reflekteras av vägytan. Hägringar uppstår eftersom ljus färdas genom luftlager som har olika brytningsindex på grund av de olika densiteterna hos dessa luftlager. I verkligheten reflekteras inte ljus av vägytan utan bryts (böjs) av luftlager som har olika brytningsindex.
Det rätta svaret är B.
5. Frågor till den nationella olympiaden i naturvetenskap 2010 för högstadiet/stadsnivå nr 30
Synen av en oljefläck på ytan av en asfaltsväg en varm dag är i huvudsak en total reflektionshändelse eftersom….
A. Brytningsindexet för de övre luftlagren är större än för de nedre lagren.
B. Brytningsindexet för de övre luftlagren är mindre än de nedre lagren.
C. Vattendroppar reflekterar olika färger vid olika reflektionsvinklar.
D. Vattendroppar bryter olika färger vid olika brytningsvinklar.
Diskussion
En scen som en oljefläck på en asfalterad väg en varm dag är ett exempel på en hägring. Hägringar uppstår på grund av skillnaden i brytningsindex mellan luftlagret nära vägen och luftlagret ovanför det.
På en varm dag värmer vägytan upp luften direkt ovanför, vilket gör luftlagret direkt ovanför vägytan varmare än luftlagret längre uppströms. Det varmare luftlagret upplever större volymutvidgning, vilket gör det mindre tätt (lägre densitet). Omvänt upplever det mindre varma luftlagret ovanför mindre volymutvidgning, vilket gör det tätare (högre densitet). Så det nedre luftlagret är mindre tätt, medan det övre luftlagret är tätare.
Eftersom luftlagret längst ner (närmare vägytan) är mindre tätt, rör sig ljuset snabbare när det passerar genom det, medan luftlagret högst upp är tätare, så ljuset rör sig långsammare när det passerar genom det.
Formeln för brytningsindex är: n = c / v, där n är brytningsindex, c = ljusets hastighet i vakuum = konstant = 3 x 108 m/s, v = ljusets hastighet i mediet. Baserat på denna formel är c fixerad så att om v blir större så blir n mindre och vice versa om v minskar så blir n större.
Ljus rör sig snabbare i det nedre luftlagret (stort v) så att det nedre luftlagret har ett mindre brytningsindex (litet n) medan ljus rör sig långsammare i det övre luftlagret (litet v) så att det övre luftlagret har ett större brytningsindex (stort n).
Det rätta svaret är A.
brytningsindex
6. En synlig ljusstråle har en våglängd på 510 nm i luft. Om ljusstrålen kommer in i ett medium med ett brytningsindex på 1,5, ändras dess våglängd till….
A. 680 nm
B. 510 nm
C. 340 nm
D. 170 nm
Diskussion
Det är känt att:
Våglängd (λ) = 510 nm = 510 x 10-9 Mätaren
Brytningsindex (n) = 1,5
Fråga: Våglängden (λ) ändras till….
Jawab:
Våglängden (λ) ändras till 340 nanometer.
Det rätta svaret är C.
7. En fisk syns på botten av en klar pool, poolens djup är 2 meter, poolens brytningsindex är 4/3. Om fisken syns nästan vinkelrätt mot poolens yta, hur långt är fisken synlig från poolens yta?
A. 1 meter från poolens yta
B. 1,5 meter från poolens yta
C. 2 meter från poolens yta
D. 2,67 meter från poolens yta
Diskussion
Det är känt att:
Brytningsindex för poolen = 4/3
Pooldjup = 2 meter
Fråga: Hur långt kan fisken ses från dammens yta?
Jawab:
Skenbart avstånd = 1 : n (verkligt avstånd)
Skenbart avstånd = 1 : 4/3 (2 meter)
Skenbart avstånd = 1 x 3/4 (2 meter)
Skenbart avstånd = 3/4 (2 meter)
Skenbart avstånd = 6/4
Synligt avstånd = 1,5 meter
Avståndet mellan fiskens synlighet och dammens yta = 1,5 meter
Det rätta svaret är B.
8. Ljus kan transmitteras i en kanal vars brytningsindex i förhållande till omgivningen är….
A. > 1
B. = 1
C. < 1
D. = 0
Diskussion
Brytningsindex för vakuum = 1,0000
Brytningsindexet för ett medium är större än brytningsindexet för ett vakuum.
Det rätta svaret är A.
Spridning av ljus
9. Dispersionsvinkeln är vinkeln mellan två färger av monokromatiskt ljus som uppstår i händelse av….
A. ljusets polarisering
B. ljusabsorption
C. ljusspridning
D. ljusdiffraktion
Diskussion
Monokromatiskt ljus är ljus som har en enda färg eller våglängd. Vitt ljus, liksom solljus, är en kombination av alla färger, var och en med en annan våglängd eller frekvens. Uppdelningen av vitt ljus i det synliga spektrumet (rött, orange, gult, grönt, blått, indigo och violett) kallas ljusspridning.
Ljusspridning kan uppnås med hjälp av prismor, vattendroppar eller andra föremål. Regnbågar är ett exempel på ljusspridning i vardagen, där solljus sprids av regndroppar.
Det rätta svaret är C.
10. Frågor till den nationella olympiaden i naturvetenskap 2011 för högstadiet/stadsnivå nr 60
En regnbåge visas som ett färgglatt band format som en ofullständig cirkel. Den korrekta ordningen för de fyra regnbågsfärgerna nedan, från minsta till största radie, är…
A. röd, orange, gul, grön
B. blå, lila, grön, gul
C. grön, blå, indigo, violett
D. indigo, blå, grön, gul
Diskussion
Regnbågens färger är i ordning rött, orange, gult, grönt, blått, indigo och lila.
Rött ljus har den längsta våglängden, medan violett ljus har den kortaste. Avböjningen av varje ljusfärg beror på dess våglängd.
När vitt solljus sprids av regndroppar, avböjs ljus med längre våglängder mindre, medan ljus med kortare våglängder avböjs mer. Rött ljus avböjs minst eftersom dess våglängd är längre, medan violett ljus avböjs mest eftersom dess våglängd är kortare, som visas i diagrammet nedan. Således ser observatörens öga det röda ljuset överst och det violetta ljuset underst.
Alla regnbågens färger är delvis cirkulära i formen, där den röda ljuscirkeln är överst så den har den största radien, medan den lila ljuscirkeln är längst ner så den har den minsta radien.
Ordningen på ljusa färger från största radie till minsta radie är röd, orange, gul, grön, blå, indigo, violett.
Det rätta svaret är D.
11. De ljusa färgerna från oljelagret på vattenytan uppstår på grund av händelsen...
A. störningar
B. polarisering
C. dispersi
D. diffraktion
Diskussion
Det rätta svaret är C.
