Ví dụ về các câu hỏi và công thức liên quan đến sóng ánh sáng trong quang học vật lý.
Đặc điểm của ánh sáng
1. Ánh sáng là sóng điện từ, do đó ánh sáng…
A. Không trải nghiệm phản chiếu
B. Không bị khúc xạ
C. Không cần môi trường nhân giống
D. Không mang năng lượng trong quá trình lan truyền
Cuộc thảo luận
Ánh sáng là một dạng sóng, do đó, nó trải qua quá trình phản xạ, khúc xạ và mang năng lượng trong quá trình lan truyền, giống như các loại sóng khác. Ánh sáng là một sóng điện từ, vì vậy nó không cần môi trường để lan truyền.
Đáp án đúng là C.
2. Hãy chú ý đến câu nói sau:
1. Ánh sáng truyền theo đường thẳng.
2. Ánh sáng là sóng điện từ.
3. Ánh sáng có thể được hấp thụ
4. Ánh sáng mang điện tích
Phát biểu chính xác về các đặc tính của ánh sáng là...
A. Chỉ câu 1
B. Phát biểu 1 và 2
C. Các phát biểu 1, 2 và 3
D. Tất cả các phát biểu đều đúng
Cuộc thảo luận
1. Ánh sáng truyền theo đường thẳng.
Phát biểu này đúng vì mặc dù ánh sáng chuyển động như một sóng ngang, nhưng đường đi của ánh sáng lại là một đường thẳng. Trong chủ đề quang học hình học (sự phản xạ và khúc xạ ánh sáng), ánh sáng được mô tả như một tia có đường đi là một đường thẳng.
2. Ánh sáng là một sóng điện từ:
Phát biểu này đúng vì ánh sáng là một sóng điện từ, trong đó sự lan truyền của ánh sáng không cần môi trường truyền dẫn.
3. Ánh sáng có thể bị hấp thụ:
Phát biểu này là đúng. Ánh sáng là một loại sóng điện từ. Tất cả các loại sóng, cả sóng cơ học và sóng điện từ, đều mang năng lượng khi chúng truyền từ vị trí này sang vị trí khác. Do đó, một phần năng lượng của ánh sáng có thể bị hấp thụ bởi môi trường mà nó đi qua. Ví dụ, khi ánh sáng truyền đến một gương phẳng, hầu hết ánh sáng bị phản xạ, nhưng một phần nhỏ bị gương hấp thụ.
4. Ánh sáng mang điện tích:
Phát biểu này sai. Ánh sáng là sóng điện từ, và sóng điện từ được tạo ra bởi các trường điện và từ dao động. Sóng điện từ được phát ra bởi các điện tích gia tốc.
Đáp án đúng là C.
Phản chiếu hoàn hảo
3. Hình ảnh bên phải cho thấy một viên kim cương trang sức rất đắt tiền vì ánh sáng phản chiếu từ viên kim cương rất lấp lánh. Hiện tượng này là do…
A. Khúc xạ hoàn toàn, trong đó ánh sáng đi từ môi trường có mật độ thấp hơn vào môi trường có mật độ cao hơn.
B. Khúc xạ hoàn hảo, trong đó góc tới nhỏ hơn góc biên.
C. Phản xạ hoàn hảo, trong đó ánh sáng truyền từ môi trường có mật độ thấp hơn sang môi trường có mật độ cao hơn.
D. Phản xạ hoàn hảo, trong đó góc tới lớn hơn góc biên.
Cuộc thảo luận
Ánh sáng từ viên kim cương trông lấp lánh là do hiện tượng tán sắc và phản xạ hoàn hảo. Phản xạ hoàn hảo xảy ra khi ánh sáng truyền từ môi trường có chiết suất cao hơn sang môi trường có chiết suất thấp hơn. Ví dụ, ánh sáng truyền từ kim cương (có chiết suất cao hơn) sang không khí (có chiết suất thấp hơn). Để hiểu rõ hơn, hãy xem hình ảnh bên dưới.
Khi ánh sáng truyền từ môi trường có chiết suất lớn sang môi trường có chiết suất nhỏ, ánh sáng bị bẻ cong ra xa đường pháp tuyến. Nếu góc tới (i) lớn hơn góc khúc xạ (r) thì góc khúc xạ (r) lớn hơn. Ở một góc tới nhất định, góc khúc xạ bằng 90°. Góc tới khi góc khúc xạ bằng 90° được gọi là góc tới hạn (θk) hay góc giới hạn. Nếu góc tới lớn hơn góc tới hạn hay góc giới hạn thì không có ánh sáng nào bị khúc xạ; toàn bộ ánh sáng bị phản xạ.
Đáp án đúng là D.
4. Đề thi Olympic Khoa học Quốc gia năm 2011 dành cho học sinh trung học cơ sở cấp huyện/thành phố, số 39
Hiện tượng sau đây, một triệu chứng của sự phản chiếu hoàn hảo, là…
Cầu vồng
B. ảo ảnh
C. hồ nước nhiều màu
D. loạn thị
Cuộc thảo luận
Ảo ảnh được gọi là hiện tượng phản xạ hoàn hảo vì trong quá trình này, không có ánh sáng nào từ không khí bị khúc xạ bởi mặt đường mà dường như toàn bộ ánh sáng đều bị phản xạ bởi mặt đường. Ảo ảnh xảy ra do ánh sáng truyền qua các lớp không khí có chiết suất khác nhau do mật độ khác nhau của các lớp không khí này. Trên thực tế, ánh sáng không bị phản xạ bởi mặt đường mà bị khúc xạ (bẻ cong) bởi các lớp không khí có chiết suất khác nhau.
Đáp án đúng là B.
5. Đề thi Olympic Khoa học Quốc gia năm 2010 dành cho học sinh trung học cơ sở cấp huyện/thành phố, số 30
Việc nhìn thấy vệt dầu loang trên mặt đường nhựa vào một ngày nắng nóng về cơ bản là một hiện tượng phản chiếu toàn phần bởi vì…
A. Chiết suất của các lớp không khí phía trên lớn hơn chiết suất của các lớp không khí phía dưới.
B. Chiết suất của các lớp không khí phía trên nhỏ hơn các lớp phía dưới.
C. Các giọt nước phản chiếu các màu sắc khác nhau ở các góc phản xạ khác nhau.
D. Các giọt nước khúc xạ các màu sắc khác nhau ở các góc khúc xạ khác nhau.
Cuộc thảo luận
Hiện tượng ảo ảnh, ví dụ như vệt dầu loang trên đường nhựa vào một ngày nắng nóng. Ảo ảnh xảy ra do sự khác biệt về chiết suất giữa lớp không khí gần mặt đường và lớp không khí phía trên mặt đường.
Vào những ngày nắng nóng, mặt đường làm nóng không khí ngay phía trên nó, khiến lớp không khí ngay phía trên mặt đường nóng hơn lớp không khí ở phía thượng nguồn. Lớp không khí nóng hơn sẽ giãn nở thể tích nhiều hơn, làm cho nó loãng hơn (mật độ thấp hơn). Ngược lại, lớp không khí ít nóng hơn phía trên nó sẽ giãn nở thể tích ít hơn, làm cho nó đặc hơn (mật độ cao hơn). Vì vậy, lớp không khí phía dưới loãng hơn, trong khi lớp không khí phía trên đặc hơn.
Vì lớp không khí ở dưới cùng (gần mặt đường hơn) có mật độ thấp hơn nên ánh sáng truyền đi nhanh hơn khi đi qua nó, trong khi lớp không khí ở trên cùng có mật độ cao hơn nên ánh sáng truyền đi chậm hơn khi đi qua nó.
Công thức tính chiết suất là: n = c / v, trong đó n là chiết suất, c = tốc độ ánh sáng trong chân không = hằng số = 3 x 10⁻⁶8 m/s, v = tốc độ ánh sáng trong môi trường. Dựa trên công thức này, c được cố định sao cho nếu v tăng thì n giảm và ngược lại nếu v giảm thì n tăng.
Ánh sáng truyền nhanh hơn trong lớp không khí phía dưới (v lớn) nên lớp không khí phía dưới có chiết suất nhỏ hơn (n nhỏ), trong khi ánh sáng truyền chậm hơn trong lớp không khí phía trên (v nhỏ) nên lớp không khí phía trên có chiết suất lớn hơn (n lớn).
Đáp án đúng là A.
chỉ số khúc xạ
6. Một chùm tia sáng nhìn thấy được có bước sóng là 510 nm trong không khí. Nếu chùm tia sáng đi vào môi trường có chiết suất là 1,5, bước sóng của nó sẽ thay đổi thành…
A. 680 nm
B. 510 nm
C. 340 nm
D. 170 nm
Cuộc thảo luận
Ai cũng biết rằng:
Bước sóng (λ) = 510 nm = 510 x 10-9 mét
Chỉ số khúc xạ (n) = 1,5
Câu hỏi: Bước sóng (λ) thay đổi thành…
Hàm:
Bước sóng (λ) thay đổi thành 340 nanomet.
Đáp án đúng là C.
7. Có một con cá nằm dưới đáy một hồ nước trong, độ sâu của hồ là 2 mét, chiết suất của hồ là 4/3. Nếu con cá được nhìn thấy gần như vuông góc với mặt nước, thì con cá cách mặt nước bao xa?
A. Cách mặt nước hồ bơi 1 mét
B. Cách mặt nước hồ bơi 1,5 mét
C. Cách mặt nước hồ bơi 2 mét.
D. Cách mặt nước hồ bơi 2,67 mét.
Cuộc thảo luận
Ai cũng biết rằng:
Chiết suất của nước hồ bơi = 4/3
Độ sâu của bể bơi = 2 mét
Câu hỏi: Có thể nhìn thấy cá từ khoảng cách bao xa so với mặt nước ao?
Hàm:
Khoảng cách biểu kiến = 1 : n (khoảng cách thực)
Khoảng cách biểu kiến = 1 : 4/3 (2 mét)
Khoảng cách biểu kiến = 1 x 3/4 (2 mét)
Khoảng cách biểu kiến = 3/4 (2 mét)
Khoảng cách biểu kiến = 6/4
Khoảng cách biểu kiến = 1,5 mét
Khoảng cách từ vị trí cá có thể nhìn thấy trên mặt ao là 1,5 mét.
Đáp án đúng là B.
8. Ánh sáng có thể được truyền trong một kênh có chiết suất so với môi trường là…
A. > 1
B. = 1
C. < 1
D. = 0
Cuộc thảo luận
Chiết suất của chân không = 1,0000
Chiết suất của một môi trường lớn hơn chiết suất của chân không.
Đáp án đúng là A.
Sự tán sắc ánh sáng
9. Góc tán sắc là góc giữa hai màu của ánh sáng đơn sắc xảy ra trong trường hợp…
A. Sự phân cực của ánh sáng
B. hấp thụ ánh sáng
C. Sự tán sắc ánh sáng
D. Sự nhiễu xạ ánh sáng
Cuộc thảo luận
Ánh sáng đơn sắc là ánh sáng chỉ có một màu hoặc bước sóng duy nhất. Ánh sáng trắng, như ánh sáng mặt trời, là sự kết hợp của tất cả các màu, mỗi màu có một bước sóng hoặc tần số khác nhau. Sự phân tách ánh sáng trắng thành quang phổ nhìn thấy được (đỏ, cam, vàng, xanh lá cây, xanh dương, chàm và tím) được gọi là tán sắc ánh sáng.
Hiện tượng tán sắc ánh sáng có thể được tạo ra bởi lăng kính, giọt nước hoặc các vật thể khác. Cầu vồng là một ví dụ về tán sắc ánh sáng trong cuộc sống hàng ngày, nơi ánh sáng mặt trời bị tán xạ bởi các giọt mưa.
Đáp án đúng là C.
10. Đề thi Olympic Khoa học Quốc gia năm 2011 dành cho học sinh trung học cơ sở cấp huyện/thành phố, số 60
Cầu vồng xuất hiện như một dải ruy băng nhiều màu sắc có hình dạng như một phần của hình tròn. Thứ tự đúng của bốn màu cầu vồng bên dưới, từ bán kính nhỏ nhất đến lớn nhất, là…
A. đỏ, cam, vàng, xanh lá cây
B. xanh dương, tím, xanh lá cây, vàng
C. xanh lá cây, xanh dương, chàm, tím
D. chàm, xanh lam, xanh lục, vàng
Cuộc thảo luận
Thứ tự các màu cầu vồng là đỏ, cam, vàng, xanh lá cây, xanh dương, chàm và tím.
Ánh sáng đỏ có bước sóng dài nhất, trong khi ánh sáng tím có bước sóng ngắn nhất. Độ lệch hướng của mỗi màu ánh sáng phụ thuộc vào bước sóng của nó.
Khi ánh sáng mặt trời trắng bị tán xạ bởi các giọt mưa, ánh sáng có bước sóng dài hơn bị lệch ít hơn, trong khi ánh sáng có bước sóng ngắn hơn bị lệch nhiều hơn. Ánh sáng đỏ bị lệch ít nhất vì bước sóng của nó dài hơn, trong khi ánh sáng tím bị lệch nhiều nhất vì bước sóng của nó ngắn hơn, như được minh họa trong sơ đồ bên dưới. Do đó, mắt người quan sát nhìn thấy ánh sáng đỏ ở phía trên và ánh sáng tím ở phía dưới.
Tất cả các màu sắc của ánh sáng cầu vồng đều có hình dạng gần như tròn, trong đó vòng tròn ánh sáng màu đỏ nằm ở phía trên nên có bán kính lớn nhất, trong khi vòng tròn ánh sáng màu tím nằm ở phía dưới nên có bán kính nhỏ nhất.
Thứ tự màu sắc ánh sáng từ bán kính lớn nhất đến bán kính nhỏ nhất là đỏ, cam, vàng, xanh lá cây, xanh dương, chàm, tím.
Đáp án đúng là D.
11. Màu sắc nhạt từ lớp dầu trên bề mặt nước xuất hiện là do hiện tượng...
A. sự can thiệp
B. sự phân cực
C. phân tán
D. nhiễu xạ
Cuộc thảo luận
Đáp án đúng là C.
