Завдання за темою з фізики

Коментар

ТЕМА: Коливання і хвилі. Оптика. Побудова зображень, які дає тонка лінза.

Завдання скеровано на перевірку знання і застосування правил побудови зображень, які дає розсіювальна і збиральна лінзи.

Уявне зображення ‒ це оптичне зображення, утворене променями, які насправді не перетинаються, а перетинаються тільки їхні уявні продовження.

Розсіювальна лінза завжди дає уявне, зменшене, пряме зображення предмета.

А збиральна лінза дає уявне зображення лише в разі розміщення предмета між лінзою і фокусом.

Отже, обидві лінзи, і розсіювальна, і збиральна, можуть давати уявне зображення.

Відповідь: B.

Коментар

ТЕМА: Коливання і хвилі. Оптика. Інтерференція світла, її практичне застосування.

Завдання скеровано на перевірку знання і розуміння явища інтерференції.

Хвилі, які відповідають умовам когерентності, називають когерентними хвилями.

Умови когерентності хвиль:
1) хвилі повинні мати однакову частоту (відповідно й довжину);
2) різниця \(\Delta \style{font-style:normal;font-weight:bold;font-size:1.1em}{\varphi}\) початкових фаз хвиль має бути незмінною (хвилі, що накладаються, повинні мати незмінний у часі зсув фаз).

Ідеальними джерелами когерентних світлових хвиль є лазери ‒ оптичні квантові генератори.

Коли хвилі надходять у точку \(P\) в протилежних фазах, вони гаситимуть одна одну (див. рисунок) ‒ у точці \(P\) спостерігають інтерференційний мінімум.

Це відбудеться за умови, що на відрізку \(\Delta d\) укладатиметься непарна кількість півхвиль. Умова інтерференційного мінімуму: у точці простору відбувається послаблення результувальних світлових коливань, якщо різниця ходу двох світлових хвиль, що надходять у цю точку, дорівнює непарному числу півхвиль: \begin{gather*} \Delta d=d_2-d_1=(2k+1)\frac{\style{font-style:normal;font-weight:bold;font-size:1.1em}{\lambda}}{2}\\[6pt] \text{або}\\[6pt] \Delta d=k\style{font-style:normal;font-weight:bold;font-size:1.1em}{\lambda}+\frac{\style{font-style:normal;font-weight:bold;font-size:1.1em}{\lambda}}{2}, \end{gather*} де \(\style{font-style:normal;font-weight:bold;font-size:1.1em}{\lambda}\) ‒ довжина хвилі; \(k\) ‒ ціле число.

За умовою довжина хвилі випромінювання \(\style{font-style:normal;font-weight:bold;font-size:1.1em}{\lambda}=600\ \text{нм.}\) Розгляньмо кожен із запропонованих варіантів відповіді.

A \(\Delta d=400\ \text{нм}=\frac 23\style{font-style:normal;font-weight:bold;font-size:1.1em}{\lambda}=\frac 16\style{font-style:normal;font-weight:bold;font-size:1.1em}{\lambda}+\frac{\style{font-style:normal;font-weight:bold;font-size:1.1em}{\lambda}}{2}\) – за умовою \(k\) ‒ ціле число, а за такої різниці ходу \(k=\frac 16;\)

Б \(\Delta d=600\ \text{нм}=\style{font-style:normal;font-weight:bold;font-size:1.1em}{\lambda}=\frac 12\style{font-style:normal;font-weight:bold;font-size:1.1em}{\lambda}+\frac{\style{font-style:normal;font-weight:bold;font-size:1.1em}{\lambda}}{2}\) – знову отримали \(k=\frac 12\) ‒ дробове число;

B \(\Delta d=1200\ \text{нм}=2\style{font-style:normal;font-weight:bold;font-size:1.1em}{\lambda}=\frac 32\style{font-style:normal;font-weight:bold;font-size:1.1em}{\lambda}+\frac{\style{font-style:normal;font-weight:bold;font-size:1.1em}{\lambda}}{2}-k=\frac 32\) – дробове число;

Г \(\Delta d=1500\ \text{нм}=2\style{font-style:normal;font-weight:bold;font-size:1.1em}{\lambda}+\frac{\style{font-style:normal;font-weight:bold;font-size:1.1em}{\lambda}}{2}-k=2\) – ціле число, що задовольняє умову інтерференційного мінімуму.

Отже, правильна відповідь Г ‒ \(1500\ \text{нм:}\) це дві цілі довжини хвилі і ще пів хвилі ‒ непарне число півхвиль ‒ п᾽ять.

Відповідь: Г.

Коментар

ТЕМА: Коливання і хвилі. Оптика. Формула тонкої лінзи.

Завдання скеровано на перевірку знання і розуміння формули тонкої лінзи й побудови зображень у тонкій лінзі.

Оптичну силу \(D\) лінзи (об’єктива) ‒ фізичну величину, яка характеризує заломні властивості лінзи й обернена до її фокусної відстані \(F\) можна визначити за формулою: $$ D=\frac 1F. $$

Математична залежність між відстанню d від предмета до лінзи, відстанню f від зображення предмета до лінзи і фокусною відстанню F лінзи представлена формулою тонкої лінзи: \begin{gather*} \frac 1F=\frac 1d+\frac 1f. \end{gather*}

Розгляньмо схематичну побудову зображення \(A_1B_1\) дерева \(AB\) в збиральній лінзі об’єктива фотоапарата: дерево \(AB\) розташоване за подвійним фокусом об’єктива, тому зображення \(A_1B_1\) виходить дійсним, зменшеним, перевернутим.

За умовою об᾽єктив фотоапарата дає зображення дерева, зменшене в \(600\) разів, тобто (див. рисунок) $$ \frac{A_1B_1}{AB}=\frac Hh=\frac{1}{600}. $$

Відношення лінійного розміру \(H\) зображення предмета до розміру \(h\) самого предмета називають лінійним збільшенням \(\text{Г}\) лінзи: $$ \text{Г}=\frac Hh=\frac fd $$ (це співвідношення можна отримати з подібних трикутників \(OAB\) і \(OA_1B_1).\)

Відстань \(d\) від дерева до лінзи дано в умові ‒ \(15\ \text{м.}\) А відстань \(f\) від зображення дерева до лінзи можна визначити із співвідношення

\begin{gather*} \frac Hh=\frac fd=\frac{1}{600},\\[6pt] f=\frac{d\cdot 1}{600}=\frac{d}{600}. \end{gather*}

Тепер можна визначити оптичну силу об᾽єктива фотоапарата:

Відповідь треба округлити до цілого числа (до одиниць), отже, $$ D=40,0(6)\ \text{м}\approx 40\ \text{м}. $$

Відповідь: 40.

Коментар

ТЕМА: Коливання і хвилі. Оптика. Побудова зображень, які дає тонка лінза.

Завдання скеровано на перевірку вміння будувати зображення в тонкій лінзі.

На рисунку зображено розсіювальну лінзу (зверніть увагу на позначення її кінців). Через оптичний центр лінзи точку \(O\) горизонтально проходить головна оптична вісь. За правилами побудови промінь, що падає на лінзу паралельно головній оптичній осі, після проходження крізь лінзу розсіюється, а його уявне продовження повинно обов’язково пройти через фокус \(F\) лінзи з того ж боку, із якого падає промінь (див. рисунок):

Відповідь: Г.

Коментар

ТЕМА: Коливання і хвилі. Оптика.

Завдання скеровано на перевірку розуміння і застосування механічних й електромагнітних явищ.

Виникнення вихрового електричного поля або електричної поляризації провідника під час зміни магнітного поля або під час руху провідника в магнітному полі називають електромагнітною індукцією. Важливим наслідком електромагнітної індукції для генерування електричного струму є виникнення електрорушійної сили в провідному контурі, магнітний потік через який змінюється.

Період \(T\) коливань математичного маятника не залежить від маси маятника, а лише від довжини \(l\) нитки та прискорення \(g\) вільного падіння в тому місці, де розташований цей маятник: $$ T=2\style{font-style:normal;font-weight:bold;font-size:1.1em}{\pi}=\sqrt{\frac lg}. $$

Тому, вимірявши довжину нитки й період коливань маятника, можна визначити прискорення вільного падіння в певній місцевості.

У радіолокації використовують ультракороткі електромагнітні хвилі частотою від \(100\) до \(1000\ \text{МГц}.\) У радіолокаційному пристрої радарі є передавальна та приймальна частини. Імпульс гостронапрямленої радіохвилі від потужного радіопередавача пересилають за допомогою параболічної антени. Досягнувши цілі, радіохвиля відбивається від неї та повертається назад. Відбиту хвилю, уловлену тією самою антеною, реєструє приймач.

Просвітлення оптики ‒ збільшення прозорості деталей оптичних систем (лінз, оптичних призм) нанесенням на їхні поверхні тонкого шару діелектрика (або кількох шарів) із показником заломлення, меншим, ніж у матеріалу оптичної деталі. Просвітлення оптики ‒ результат інтерференції світла, яке відбивається від передньої та задньої границь цього шару (просвітлювальної плівки). За належного добору речовини й товщини плівки для певного кута падіння відбиті світлові хвилі певної довжини можуть повністю погасити одна одну.

Відповідь: 1В, 2Б, 3Д, 4Г.

Коментар

ТЕМА: Коливання і хвилі. Оптика. Лінза. Оптична сила лінзи. Формула тонкої лінзи.

Завдання скеровано на перевірку вміння розрахувати оптичну силу лінзи, виконавши необхідні геометричні побудови.

Оберненою до фокусної відстані лінзи фізичну величину, якою характеризують лінзу, називають оптичною силою лінзи. Оптичну силу лінзи позначають символом \(D\) й обчислюють за формулою $$ D=\frac 1F, $$ де \(F\) ‒ фокусна відстань.

Отримане зображення (див. рисунок в умові) дійсне, зменшене й перевернуте. Таке зображення могла дати лише збиральна лінза. Оптична сила збиральної лінзи є додатною. Тому формула тонкої лінзи така: $$ D=\frac 1F=\frac 1d+\frac 1f, $$ де \(d\) ‒ відстань від предмета до лінзи, \(f\) ‒ відстань від лінзи до зображення.

Отже, потрібно дізнатися місцеположення лінзи. За правилами побудови зображень у тонкій лінзі з’єднаймо точку \(A\) з її зображенням – точкою \(A_1.\) Промінь \(AA_1\) проходить без заломлення через оптичний центр лінзи.

З’єднаймо точку \(B\) з її зображенням точку \(B_1.\) Промінь \(BB_1\) є горизонтальним, теж без заломлення проходить через оптичний центр лінзи й збігається з головною оптичною віссю лінзи.

Отже, на перетині променів \(AA_1\) і \(BB_1\) лежить оптичний центр лінзи – точка \(O\) (див. рисунок).

За рисунком можна визначити відстань \(d\) від предмета до лінзи:

Визначмо відстань \(f\) від лінзи до зображення:

Обчислімо оптичну силу лінзи:

Відповідь: 6,25.

Коментар

ТЕМА: Коливання і хвилі. Оптика. Закони відбивання світла. Закони заломлення світла.

Завдання скеровано на перевірку знання, розуміння і застосування законів відбивання і заломлення світла.

Як зображено на рисунках А і Б, частина пучка зазнає дзеркального відбивання на верхній або нижній поверхні пластинки. У точках, де світло відбивається, уявно будуємо перпендикуляр до межі середовищ, і тоді за законами відбивання кут падіння дорівнює куту відбивання.

Також на рисунках Б і В заломлення показано правильно. Оскільки оптична густина скла більша за оптичну густину повітря, кут заломлення світла у склі має бути меншим від кута падіння світла з повітря.

На рисунку В на поверхнях плоскопаралельної пластинки світло двічі зазнає заломлення (після цього пучок поширюється в тому самому напрямку, але зміщується). Це правильно.

На рисунку Г не показано заломлення внаслідок перетинання світлом нижньої грані пластинки. Це неправильно.

Відповідь: Г.

Коментар

ТЕМА: Коливання і хвилі. Оптика. Абсолютний і відносний показники заломлення.

Завдання скеровано на перевірку знання і розуміння понять абсолютний і відносний показники заломлення світла.

Фізичну величину, яка характеризує оптичну густину середовища й показує, у скільки разів швидкість \(v\) поширення світла в середовищі менша, ніж у вакуумі, називають абсолютним показником \(n\) заломлення середовища: $$ n=\frac cv. $$

Звідси виразімо швидкість \(v\) поширення світла в середовищі: $$ v=\frac cn. $$

Також показник заломлення можна визначити як відношення синуса кута падіння до синуса кута заломлення: $$ n=\frac{\mathrm{sin}\ 45^\circ}{\mathrm{sin}\ 30^\circ}=\frac{\frac{\sqrt{2}}{2}}{\frac 12}=\frac{\sqrt{2}\cdot 2}{2\cdot 1}=\sqrt{2}. $$

Підставімо значення показника заломлення у формулу для швидкості: $$ v=\frac cn=\frac{c}{\sqrt{2}}. $$

Відповідь: Б.

Коментар

ТЕМА: Коливання і хвилі. Оптика. Побудова зображень, які дає тонка лінза.

Завдання скеровано на перевірку знання і вміння будувати зображення в тонкій лінзі і плоскому дзеркалі.

Побудуймо хід променів відповідно до умови завдання: після проходження крізь лінзу (один промінь паралельно головній оптичній осі і далі уявно через фокус лінзи, а другий промінь ‒ через оптичний центр лінзи не заломлюючись) промені за законами відбивання відбиваються від плоского дзеркала під тими самими кутами, що й упали на дзеркало, і знову проходять крізь лінзу (див. рисунок).

1. Розгляньмо прямокутні \(\Delta COF\) і \(\Delta EDF:\) вони подібні за гострим кутом, отже, \(\frac{OF}{OD}=\frac{10}{5}=2,\) відповідно \(\frac{CO}{ED}=2,\) звідки \(ED=\frac 12 CO,\) і відповідно \(ED=\frac 12 AB,\) тобто дорівнюватиме половині висоти \(AB\) предмета.

Розгляньмо прямокутні \(\Delta ABO\) і \(\Delta OMK:\) вони рівні за катетом і прилеглим гострим кутом. Також \(\Delta OMK = \Delta NMK\) (за побудовою):

\(A'B'ON\) ‒ прямокутник (за побудовою), \(ON = A'B'.\)

Розгляньмо прямокутні \(\Delta CDO\) і \(\Delta A'B'O:\) вони подібні за гострим кутом, отже, $$ \frac{ED}{A'B'}=\frac{OD}{B'O}=\frac 14. $$

Отже, $$ B'O=OD\cdot 4=20\ \text{см}, $$ де \(B'O\) ‒ відстань від лінзи до зображення \(A'B'\) предмета \(AB.\)

Відповідь: 20.

2. Як уже було доведено в пункті 1, $$ AB=\frac 12 ON,\ \text{а}\ ON=A'B', $$ отже, $$ AB=\frac 12 A'B'. $$ А це означає, що така система дає збільшення у \(2\) рази.

Відповідь: 2.

Відповідь: 1. 20. 2. 2.

Коментар

ТЕМА: Коливання і хвилі. Оптика. Дифракційні ґратки й використання їх для визначення довжини світлової хвилі.

Завдання скеровано на перевірку знання принципу дії дифракційної ґратки й розуміння формули, що описує її.

Запишімо формулу дифракційної ґратки: $$ d\cdot \mathrm{sin}\style{font-style:normal;font-weight:bold;font-size:1.1em}{\varphi}=k\style{font-style:normal;font-weight:bold;font-size:1.1em}{\lambda}, $$ де \(d\) ‒ період або стала ґратки ‒ загальна ширина непрозорої і прозорої ділянок, кут \(\style{font-style:normal;font-weight:bold;font-size:1.1em}{\varphi}\) ‒ шуканий кут, під яким спостерігають дифракційний максимум другого порядку, \(k\) ‒ ціле число, відповідає максимуму певного порядку (тут \(k=2\)), \(\style{font-style:normal;font-weight:bold;font-size:1.1em}{\lambda}\) ‒ довжина світлової хвилі.

Обчислімо спочатку синус кута \(\style{font-style:normal;font-weight:bold;font-size:1.1em}{\varphi}\), а потім градусну міру кута: \begin{gather*} \mathrm{sin}\style{font-style:normal;font-weight:bold;font-size:1.1em}{\varphi}=\frac{k\style{font-style:normal;font-weight:bold;font-size:1.1em}{\lambda}}{2},\\[6pt] \mathrm{sin}\style{font-style:normal;font-weight:bold;font-size:1.1em}{\varphi}=\frac{2\cdot 500\cdot 10^{-9}\ \text{м}}{2\cdot 10^{-6}\ \text{м}}=0,5,\\[6pt] \style{font-style:normal;font-weight:bold;font-size:1.1em}{\varphi}=30^\circ. \end{gather*}

Відповідь: 30.

Коментар

ТЕМА: Коливання і хвилі. Оптика. Побудова зображень, які дає плоске дзеркало.

Завдання скеровано на перевірку розуміння побудови зображень у плоскому дзеркалі.

Загальні характеристики зображень у плоских дзеркалах

1. Плоске дзеркало дає уявне зображення предмета: частина відбитих від дзеркала променів потрапляє до вашого ока і вам здається, що відбиті за законом відбивання промені виходять із точки \(S_1,\) хоча насправді джерела світла в точці \(S_1\) немає. У ній перетинаються уявні продовження відбитих променів ‒ \(AA_1,\) \(BB_1,\) \(CC_1.\) Точку \(S_1\) називають уявним зображенням точки \(S\) (див. рисунок).

2. Зображення предмета в плоскому дзеркалі та власне предмет є симетричними відносно поверхні дзеркала:
1) зображення предмета дорівнює за розміром самому предмету;
2) зображення предмета розташоване на тій самій відстані від поверхні дзеркала, що й предмет;
3) відрізок, який сполучає точку на предметі з відповідною їй точкою на зображенні, є перпендикулярним до поверхні дзеркала.

Тому зображенням точки \(A\) в плоскому дзеркалі є точка \(\boldsymbol 3\) ‒ відрізок, який з’єднує точку \(A\) і точку \(\boldsymbol 3\) перпендикулярний до площини дзеркала, і точка \(A\) і точка \(\boldsymbol 3\) лежать на однаковій відстані від дзеркала по різні його боки. Точка \(\boldsymbol 1\) не може бути зображенням, тому що лежить з того ж боку дзеркала, що й точка \(A,\) тож це дійсне зображення. Точки \(\boldsymbol 2\) й \(\boldsymbol 4\) є уявними, але відрізки, що сполучають точку \(A\) з точками \(\boldsymbol 2\) й \(\boldsymbol 4,\) не є перпендикулярними до площини дзеркала й розташовані не на тій самій відстані від нього, що й точка \(A.\)

Відповідь: B.

Коментар

ТЕМА: Коливання і хвилі. Оптика.

Завдання скеровано на перевірку знання і розуміння явищ геометричної і хвильової оптики.

Заломлення ‒ це явище зміни напрямку поширення хвилі під час її проходження через плоску межу двох однорідних середовищ.

Дифракція ‒ це явище потрапляння світлових хвиль в область геометричної тіні, тобто відхилення їх від прямолінійного поширення.

Дисперсія ‒ це явище залежності показника заломлення середовища від довжини електромагнітної хвилі.

Інтерференція ‒ це явище накладання когерентних хвиль, унаслідок якого спостерігається стійка в часі картина посилення їх та послаблення в різних точках простору.

Відповідь: 1Б, 2Д, 3А, 4Г.

Коментар

ТЕМА: Коливання і хвилі. Оптика. Абсолютний і відносний показники заломлення.

Завдання скеровано на перевірку розуміння поширення світла в різних середовищах.

Фізичну величину, якою характеризують оптичну густину середовища, і яка показує, у скільки разів швидкість \(v\) поширення світла в середовищі менша, ніж швидкість \(c\) поширення світла у вакуумі, називають абсолютним показником заломлення середовища \(n:\) $$ n=\frac cv. $$

Звідси $$ v=\frac cn. $$

За умовою завдання час \(t_\text{в}\) поширення світла у вакуумі той самий, що й у склі \(t_\text{ск}:\) \begin{gather*} t_\text{ск}=t_\text{в},\\[6pt] t_\text{ск}=\frac{l_\text{ск}}{v},\\[6pt] t_\text{в}=\frac{l_\text{в}}{c}, \end{gather*} де \(l_\text{ск}\) ‒ відстань, яку пройшло світло у склі, \(l_\text{в}\) ‒ відстань, яку пройшло світло у вакуумі.

\begin{gather*} \frac{l_\text{ск}}{v}=\frac{l_\text{в}}{c},\\[6pt] l_\text{в}=\frac{l_\text{ск}c}{v}=\frac{l_\text{ск}cn}{c}=l_\text{ск}n,\\[6pt] l_\text{в}=10\ \text{м}\cdot 1,6=16\ \text{м}. \end{gather*}

Відповідь: 16.

Коментар

ТЕМА: Природні явища.

Завдання скеровано на перевірку вміння поєднувати фізичні явища з їхніми проявами в природі й використанням у техніці.

Явище, коли заломлення світла немає, тобто світло повністю відбивається від межі поділу із середовищем меншої оптичної густини, називають явищем повного внутрішнього відбивання.

А Сонячне затемнення – це явище, під час якого Місяць відкидає повну тінь на поверхню Землі.

Б Крила метелика складені з хітинових лусочок, які утворюють дифракційну ґратку.

В Веселка – це наслідок дисперсії сонячного світла на краплинках води в повітрі.

Г Світло поширюється у світловоді завдяки повному внутрішньому відбиванню, адже оптична густина скла більша за оптичну густину повітря зовні.

Відповідь: Г.

Коментар

ТЕМА: Оптика. Лінза. Оптична сила лінзи.

Завдання скеровано на перевірку вміння розв’язувати розрахункові задачі з оптики на основі аналізу оптичних схем.

Промені, паралельні головній оптичній осі, збираються у фокусі збиральної лінзи. За рисунком 1 фокусна відстань \(F\) становить п’ять клітинок. Оскільки відстань між лініями сітки дорівнює \(2\ \text{см}\), то $$ F=2\cdot 5\ \text{см}=10\ \text{см}=0,1\ \text{м}. $$

Оптичну силу лінзи можна визначити за формулою $$ D=\frac 1F=\frac{1}{0,1\ \text{м}}=10\ \text{дптр} . $$

Відповідь: Г.

Коментар

ТЕМА: Коливання і хвилі. Оптика. Повне відбивання.

Завдання скеровано на перевірку розуміння явища повного відбивання і вміння бачити (виявляти) це явище в реальних прикладах.

Повне відбивання світла спостерігають, коли заломлення світла немає, тобто світло повністю відбивається від межі поділу із середовищем меншої оптичної густини.

Світловод – це волокно зі скла чи штучного матеріалу, а також трубка або плівка для передавання світла навіть на дуже великі відстані завдяки ефекту багаторазового повного внутрішнього відбивання. Світловоди використовують у телетрансляції, у медичних приладах для спостереження органів ізсередини (ендоскопія) тощо.

Коли світло поширюється в тумані, то воно розсіюється – багато разів невпорядковано змінює напрямок, відбиваючись від великої кількості маленьких крапельок води.

Якщо розмір отвору, крізь який проходить світло, такого ж порядку, як довжина світлової хвилі, то спостерігають дифракцію – огинання країв вузького отвору та проникнення світла в ділянку геометричної тіні. Наприклад, під час світіння ліхтаря промені відбиваються від його обмежувальної поверхні й на краях напрямленого пучка світла можна побачити дифракцію.

Отже, повне відбивання спостерігають під час поширення світла у світловоді.

Відповідь: Г.

Коментар

ТЕМА: Коливання і хвилі. Оптика. Закони відбивання світла.

Завдання скеровано на перевірку вміння застосовувати закони відбивання світла для розв’язування задач із геометричної оптики.

За законом відбивання світла падний промінь, відбитий промінь і перпендикуляр до поверхні відбивання, проведений із точки падіння променя, лежать в одній площині. А також кут відбивання \(\beta\) дорівнює куту падіння \(\alpha .\)

Зобразімо це на рисунку.

За умовою кут \(\alpha\) падіння сонячних променів дорівнює \(45^\circ.\) За законом відбивання кут відбивання також дорівнює \(45^\circ.\) Тоді \(\angle AOB=45^\circ\) за побудовою, оскільки в точці падіння променя встановлено перпендикуляр.

Найкоротшою відстанню від точки падіння променя на калюжу до стіни школи є перпендикуляр, проведений від цієї точки до стіни школи. Тоді \(\Delta ABO\) – прямокутний і рівнобедрений. Один із гострих його кутів \(AOB\) дорівнює \(45^\circ.\) Відповідно й кут \(OAB\) теж дорівнює \(45^\circ.\) Оскільки трикутник рівнобедрений, його бічні сторони (катети в цому разі) рівні, тобто $$ OB=AB=10\ \text{м}. $$

Відповідь: 10.

Коментар

ТЕМА: Оптика. Побудова зображень, які дає плоске дзеркало.

Завдання скеровано на перевірку розуміння принципів побудови зображень у дзеркалі.

Відстань між дзеркалом й об’єктом дорівнює відстані між дзеркалом і зображенням.

Якщо тіло перебувало на відстані 15 см від дзеркала, то після того, як його відсунули, воно опинилося на відстані 30 см від дзеркала. На такій самій відстані буде і його зображення.

Відповідь: Б.

Коментар

ТЕМА: Оптика. Прямолінійність поширення світла в однорідному середовищі.

Завдання скеровано на оцінювання розуміння принципів прямолінійного поширення світла і їхнього зв’язку з фазами Місяця.

Повний місяць спостерігають тоді, коли освітлену частину Місяця повністю видима на неосвітленій частині Землі. Освітлена частина Місяця на рисунку позначена світло-сірим, а неосвітлену – темно-сірим.

У випадках А і В лише половина освітленої частини Місяця видима на Землі. Це перша й остання чверть місячної фази відповідно. У випадку Б освітлену частину видно повністю – це повний місяць. У випадку Г видно менше половини освітленої частини Місяця – це також остання чверть місячної фази.

 

Відповідь: Б.

 

Коментар

ТЕМА: Оптика. Інтерференція світла. Дисперсія світла. Поляризація світла.

Завдання скеровано на оцінювання вміння розпізнавати оптичні явища у природних явищах і сучасній техніці.

1. Бензин на асфальті утворює тонку прозору плівку, коефіцієнт заломлення у якої відрізняється від коефіцієнту заломлення повітря. Тож частина сонячних променів відбивається на межі бензин – повітря, а частина заломлюється і відбивається вже від поверхні бензин – асфальт (рисунок 1). Так між цими частинами проміння утворюється різниця ходу. Обидві частини мають одне джерело, тож вони є когерентними й відбувається інтерференція.

2. Туман виникає тоді, коли водяна пара в повітрі конденсується й утворюється багато водяних крапель. На кожній із них світло розсіюється й утворюється ореол.

3. Біле (сонячне) світло складається із хвиль із різними частотами. Показник заломлення для кожної з таких хвиль трохи відрізняється, тож кут заломлення після проходження крізь поверхню призми для них теж відрізнятимуться. У такий спосіб утворюється кольоровий спектр, як це зображено на рисунку 2.

4. Під час перегляду стереофільмів одночасно транслюють дві версії фільму, зняті під невеликим кутом одна до одної. Версії для кожного ока мають різну поляризацію, тому окуляри з поляризаторами дають змогу блокувати зображення, зняте для лівого ока на правому, і навпаки. Після цього, мозок обробляє два різнi зображення, отримані з двох очей, і «збирає» об’ємну картину.

Відповідь: 1В, 2А, 3Д, 4Б.

Коментар

ТЕМА: Оптика. Лінза. Оптична сила лінзи.

Завдання скеровано на оцінювання вміння розв’язувати графічні задачі на зображення ходу світлових променів у системах із лінзами.

Оптична сила лінзи \(D\) пов’язана з фокусною відстанню лінзи \(F\) так: $$ D=\frac 1F. $$

Тобто $$ F=\frac 1D. $$

За формулою тонкої лінзи відстань \(d\) від об’єкта до лінзи, відстань \(f\) від лінзи до зображення і фокусна відстань пов’язані таким співвідношенням: $$ \frac 1F=\frac 1d+\frac 1f. $$

Уважатимемо, що світло рухається зліва направо. Оскільки зображення уявне, то і зображення, і предмет будуть розташовані зліва від лінзи. У такому разі відстань від предмета до лінзи у формулі буде додатною, бо напрямок переміщення від предмета до лінзи збігається із напрямком ходу променів. Відстань від лінзи до зображення у формулі тонкої лінзи буде від’ємною, адже переміщення від лінзи до зображення в цьому разі протилежно направлене до напрямку ходу променю.

Тоді можемо обчислити відстань від лінзи до зображення:

Відповідь: 20.

Коментар

ТЕМА: Оптика. Лінза. Плоске дзеркало.

Завдання скеровано на перевірку розуміння принципів роботи основних оптичних елементів.

Плоске дзеркало може створити зображення тіла, що має такий самий розмір, як і сам об’єкт.

Перископ, що складений із кількох дзеркал і дає змогу перенаправити промені від об’єкта до спостерігача, так само може створити лише зображення такого ж розміру, як і об’єкт.

Розсіювальна лінза завжди створює зменшене уявне зображення, а збиральна лінза може створити уявне збільшене зображення, якщо відстань від лінзи до тіла менша за її фокусну відстань.

Відповідь: Г.

Коментар

ТЕМА: Оптика. Інтерференція світла. Дисперсія світла. Поляризація світла.

Завдання скеровано на перевірку розуміння застосовності оптичних явищ у техніці.

А Рідкі кристали в дисплеї пропускають лише світло певної поляризації. Під час проходження струму, рідкий кристал змінює свою форму / положення, у результаті чого змінюється і поляризація, яку він пропускає. Саме так формується зображення.

Б Для виготовлення дзеркал скло високої якості вкривають тонким шаром металу, що відбиває світло.

В Для того, щоби зменшити вплив відбивання світла на границях лінз, на їхні поверхні наносять тонкі плівки. У результаті інтерференції для певних довжин хвиль відбиті промені накладаються та гасять одне одного.

Г Лазер є основним джерелом енергії, яка руйнує шар металу під час різання. Усю ця енергію поглинає метал, унаслідок чого підвищується температура в опроміненій ділянці, що й приводить до руйнування.

Д Світловий промінь залишається всередині довгого оптичного волокна завдяки тому, що він падає на стінки волокна під кутом повного внутрішнього відбивання (або більшим кутом), тож замість того, щоби заломлюватися на межі скла й повітря, промінь відбивається і продовжує свій рух усередині.

Відповідь: 1А, 2В, 3Г, 4Д.

Коментар

ТЕМА: Оптика. Закони заломлення світла.

Завдання скеровано на перевірку вміння розв’язувати розрахункові задачі із застосуванням законів заломлення світла.

Дано:
\(\style{font-style:normal;font-weight:bold;font-size:1.1em}{\beta}=20\ ^\circ\text{С}\)

Знайти:
\(\style{font-style:normal;font-weight:bold;font-size:1.1em}{\alpha}\ -\ ?\)

Для того, щоби промінь міг освітити дно вузького колодязя, він має бути паралельним до його стінок, тобто перпендикулярним до горизонтальної поверхні (див. рисунок 1).

Чорним пунктиром позначено горизонтальний напрямок. Горизонтальна поверхня паралельна до горизонту. Тож можна розглядати поверхню і чорний пунктир як дві паралельні прямі, а дзеркало як їхню січну. Тоді \(\style{font-style:normal;font-weight:bold;font-size:1.1em}{\alpha}=\style{font-style:normal;font-weight:bold;font-size:1.1em}{\gamma}\) (як відповідні кути при паралельних прямих і січній на рисунку 2).

Тоді кут між падним променем і поверхнею дзеркала \(\style{font-style:normal;font-weight:bold;font-size:1.1em}{\delta}\) (рис. 3) дорівнює різниці кутів \(\style{font-style:normal;font-weight:bold;font-size:1.1em}{\alpha}\) та \(\style{font-style:normal;font-weight:bold;font-size:1.1em}{\beta}\): $$ \style{font-style:normal;font-weight:bold;font-size:1.1em}{\delta}=\style{font-style:normal;font-weight:bold;font-size:1.1em}{\alpha}-\style{font-style:normal;font-weight:bold;font-size:1.1em}{\beta}. $$

За умовою відбивання кут падіння дорівнює куту відбивання. Тому кути між падним променем і поверхнею відбивання та відбитим променем і поверхнею відбивання також рівні.

Тож маємо прямокутний трикутник із гострими кутами \(\style{font-style:normal;font-weight:bold;font-size:1.1em}{\alpha}\) та \(\style{font-style:normal;font-weight:bold;font-size:1.1em}{\delta}\):

\begin{gather*} \style{font-style:normal;font-weight:bold;font-size:1.1em}{\alpha}+\style{font-style:normal;font-weight:bold;font-size:1.1em}{\delta}=90;\\[7pt] \style{font-style:normal;font-weight:bold;font-size:1.1em}{\alpha}+\style{font-style:normal;font-weight:bold;font-size:1.1em}{\alpha}-\style{font-style:normal;font-weight:bold;font-size:1.1em}{\beta}=90;\\[7pt] 2\style{font-style:normal;font-weight:bold;font-size:1.1em}{\alpha}-\style{font-style:normal;font-weight:bold;font-size:1.1em}{\beta}=90;\\[6pt] \style{font-style:normal;font-weight:bold;font-size:1.1em}{\alpha}=\frac{90+\style{font-style:normal;font-weight:bold;font-size:1.1em}{\beta}}{2}=\frac{90+20}{2}=\frac{110}{2}=55. \end{gather*}

Відповідь: 55.

Коментар

ТЕМА: Оптика. Закони відбивання світла.

Завдання скеровано на перевірку вміння розпізнавати прояви хвильових явищ, зокрема, явище дзеркального відбивання світла.

Металева поверхня не прозора, не чорна, тому заломлення і повне поглинання неможливі.

За умовою поверхня полірована, тому відбивання саме дзеркальне.

Відповідь: Б.

Коментар

ТЕМА: Оптика. Лінза. Побудова зображень, які дає тонка лінза.

Завдання скеровано на перевірку вміння розв'язувати задачі на зображення ходу світлових променів через тонку лінзу.

З рисунків зрозуміло, що йдеться про збиральну лінзу. Тож після заломлення світловий промінь повинен перетнутися зі своєю пібічною віссю у фокальній площині.

Тому потрібно доповнити рисунок, накресливши побічну вісь і фокальну площину.

Заданій умові відповідає тільки останній рисунок.

Відповідь: Г.

Коментар

ТЕМА: Оптика. Закони заломлення світла. Абсолютний і відносний показники заломлення світла.

Завдання скеровано на перевірку вміння розв'язувати задачі, які передбачають оброблення й аналізування результатів експерименту, поданих на схематичному рисунку.

Прямокутники \(ABCD\) i \(DEKL\) рівні, що можна визначити, якщо порахувати клітинки (6 · 4). Тому діагоналі \(AD=DL=c\).

Промінь падає з повітря, абсолютний показник заломлення якого \(n=1\), відносний показник заломлення \(n_{21}\). $$ n_{21}=\frac{n_2}{n_1}\rightarrow n_2=n_{21}=\frac{\sin\angle ADB}{\sin\angle KDL} $$

Нехай сторона однієї клітинки зошита дорівнює \(a\), тоді \(AB=6a,\ KL=4a\). \begin{gather*} \sin(\angle ADB)=\frac{AB}{c}\\[6pt] \sin(\angle KDL)=\frac{KL}{c}\\[6pt] n_2=\frac{AB}{c}\cdot \frac{c}{KL}=\frac{6a}{4a}=1,5. \end{gather*}

Відповідь: 1,5.

Коментар

ТЕМА: Оптика. Прямолінійність поширення світла в однорідному середовищі.

Завдання скеровано на оцінювання розуміння принципів освітлення точковими і протяжними джерелами.

Півтінь – це область простору, освітлена деякими з наявних точкових джерел світла або частиною протяжного джерела.

Якщо джерело світла точкове й випромінює в усіх напрямках, то та частина променів, що потрапляє на непрозоре тіло, ніяк не може потрапити у простір за ним (рис. 1).

Якщо тіло освічують кілька точкових джерел, то для кожного з них відбувається те саме. Але оскільки джерела розташовані на певній відстані одне від одного, то кути, під якими утворюватимуться конуси їхніх тіней, трохи відрізнятимуться. Там, де всі конуси перекриваються, утворюється тінь, а в усіх інших областях (де перекривається лише частина конусів або й узагалі лише один) утворюється півтінь (рис. 2).

Коли джерело протяжне, то можна вважати кожну точку його площі окремим точковим джерелом, тому за такого освітлення також утворюватиметься півтінь (рис. 3).

Відповідь: Б.

Коментар

ТЕМА: Оптика. Закони відбивання заломлення і поглинання світла. Лінза. Дифракційна ґратка.

Завдання скеровано на оцінювання вміння застосовувати знання про дифракцію і закони геометричної оптики під час аналізу прикладів із життя.

Дифракція – це явище огинання хвилями перешкод.

У разі проходження крізь лінзу фотоапарата електромагнітна хвиля заломлюється, тобто всі процеси відбуваються за законами геометричної оптики. Натомість дифракція – це явище хвильової оптики.

Світлофільтр поглинає частину електромагнітних хвиль, які потрапляють на нього, у результаті чого він пропускає частоти лише певного діапазону. Огинання перешкод у цьому процесі не відбувається.

Під час рентгеноструктурного аналізу рентгенівський промінь падає на кристалічну ґратку. Її можна розглядати як природну дифракційну ґратку, у якій відстані між атомами є прозорими ділянками, а самі атоми – непрозорими. У цьому разі відбувається дифракція, і за утвореною дифракційною картиною аналізують досліджувану поверхню.

Під час перегляду стереофільмів одночасно транслюють дві версії фільму, зняті під невеликим кутом одна до одної. За допомогою окулярів зі спеціальними фільтрами зображення, зняте для лівого ока, блокують на правому й навпаки. Після чого мозок обробляє два різних зображення, отримані з двох очей, і збирає об’ємну картину. Дифракція при цьому не відбувається.

Відповідь: B.

Коментар

ТЕМА: Оптика. Світло, як електромагнітна хвиля.

Завдання скеровано на оцінювання розуміння принципів поширення світла крізь різні середовища й оптичні прилади.

1 Природне світло складається з багатьох хвиль, випромінених різними атомами. Через це в пучку природного світла існує безліч напрямків коливання вектора напруженості електричного поля. Під час поляризації замість хаотичного розподілу напрямків у пучку світла залишається лише той напрямок (або напрямки), які потрібні. Для поляризації використовують спеціальні фільтри – поляроїди (або поляризатори, рис. 1).

Поляризатор працює як щілина, що пропускає лише коливання певного напрямку. Якби електромагнітні хвилі були поздовжніми, то поляризатор не вносив би ніяких змін, але зафіксовано зміни в інтенсивності в експериментах (адже велика частина променів відбивається поляризатором). Тому світло може бути лише поперечною хвилею.

2 Світло, що падає на більшість предметів навколо, відбивається від них. Відбиті промені потрапляють на око, фокусуються кришталиком на сітківку, звідки сигнали через зоровий нерв передаються на обробку в мозок.

3 Принцип роботи лінзи полягає в заломленні променів на двох вигнутих поверхнях. Залежно від типу лінзи й початкової форми променя після проходження лінзи пучок може сфокусуватися в певній точці, розсіятися чи навіть стати паралельним. На рисунку 2 схематично зображено принцип роботи збиральної лінзи, на яку падає паралельний пучок.

4 Сонце – це одне з найбільш широкочастотних джерел випромінювання. Воно випромінює всі електромагнітні хвилі – від радіохвиль і до γ-випромінювання. Через це спектр сонця неперервний. Проте деякі гази поглинають кванти світла з дуже специфічними частотами. Тоді в неперервному спектрі утворюються темні смуги на місці цих поглинутих квантів (рис. 3).

Відповідь: 1В, 2Г, 3Д, 4Б.

Коментар

ТЕМА:. Оптика. Лінза. Плоске дзеркало.

Завдання скеровано на оцінювання вміння складати схеми ходу променів для розв’язання оптичних задач.

A – збиральна лінза

Б – розсіювальна лінза

В – плоске дзеркало

Г – світловод

Відповідь: B.

Коментар

ТЕМА: Фізичні явища й фізичні величини.

Завдання скеровано на оцінювання розуміння поняття фізичного явища й фізичної величини.

Фізичне явище – це зміни в природі, які можна описати за допомогою відповідних фізичних законів.

Фізична величина – це кількісно виражена характеристика тіла або фізичного явища.

Проаналізуймо поняття, наведені в кожному варіанті відповіді.

У варіанті А теплопровідність, остигання і горіння – це фізичні явища, а площа – це фізична величина.

У варіанті Б падіння, електроліз і нагрівання – це фізичні явища, а ньютон – це одиниця вимірювання сили.

У варіанті В гальмування – це фізичне явище, кілограм і діоптрія – це одиниці вимірювання маси й оптичної сили лінзи відповідно, а густина – це фізична величина.

У варіанті Г всі поняття є фізичними явищами.

Відповідь: Г.

Коментар

ТЕМА: Оптика. Закони заломлення світла.

Завдання скеровано на оцінювання розуміння явища заломлення світла.

Око бачить межі різних матеріалів через те, що світло заломлюється на межі поділу середовищ.

Це одна з причин того, чому іноді складно зрозуміти чи є перед вами скло, якщо ваш погляд падає на нього перпендикулярно. Коли промінь падає на межу поділу перпендикулярно, його напрямок не змінюється.

Коли в більшій склянці стоїть менша, то промінь заломлюватиметься на межі повітря ззовні й скла зовнішньої склянки, на межі скла зовнішньої склянки й повітря між склянками, на межі повітря між склянками й скла внутрішньої склянки та на межі скла зовнішньої склянки й повітря всередині.

Коли олива заповнює порожнину меншої склянки, а згодом і порожнину між склянками, то промінь світла повинен заломлюватися стільки само разів, скільки й до заповнення. Єдине, що може «стерти» межі між склянками й оливою – це близькість їхніх показників заломлення. Якщо показники заломлення оливи й скла близькі між собою, то для світла всі ці матеріали еквівалентні еквівалентні одному суцільному шару речовини.

Відповідь: Б.

Коментар

ТЕМА: Оптика. Лінза. Формула тонкої лінзи.

Завдання скеровано на оцінювання вміння розв’язувати розрахункові задачі на закони геометричної оптики й формулу тонкої лінзи.

Дано:
\(d_{\text{пад}}=2\ \text{см}\)
\(r_{\text{кін}}=5\ \text{см}\)
\(f=20\ \text{см}\)

Знайти:
\(F\ (\text{см})\ -\ ?\)

Спочатку потрібно намалювати схему ходу променів із завдання (рис. 1).

Рис. 1. Схема ходу променів

Затим необхідно перевести всі відстані з умови в одиниці СІ (метр): \begin{gather*} d_{\text{пад}}=0,02\ \text{м};\\[7pt] r_{\text{кін}}=0,05\ \text{м};\\[7pt] f=0,2\ \text{м}. \end{gather*}

Фокусну відстань можна визначити із співвідношень подібності для трикутників \(AKP\) й \(AQB:\) $$ \frac{PK}{BQ}=\frac{AK}{AQ} $$

Ці відрізки можна виразити через фізичні величини, пов’язані з ними:

Тепер можна зробити підстановку $$ \frac{d_{\text{пад}}}{2r_{\text{кін}}}=\frac{F}{F+f}=\frac{0,02\ \text{м}}{2\cdot 0,05\ \text{м}}=0,2 $$ й виразити фокусну відстань \(F\):

\begin{gather*} F=0,2(F+0,2);\\[7pt] F=0,005\ \text{м}=5\ \text{см}. \end{gather*}

Відповідь: 5.

Коментар

ТЕМА: Оптика. Закони заломлення світла. Відносний показник заломлення.

Завдання скеровано на оцінювання вміння визначати відносний показник заломлення речовини.

Для правильного розв’язання завдання потрібно визначити кут падіння \(\style{font-style:normal;font-weight:bold;font-size:1.1em}{\alpha}\) й кут заломлення \(\style{font-style:normal;font-weight:bold;font-size:1.1em}{\beta}\) (див. рисунок 1): \(\style{font-style:normal;font-weight:bold;font-size:1.1em}{\alpha}=40^{\circ},\ \style{font-style:normal;font-weight:bold;font-size:1.1em}{\beta}=20^{\circ}\).

Рис. 1. Кут падіння і кут заломлення за проходження променю через межу повітря і рідини

За законом заломлення: \(n_{\text{повітря}}\mathrm{sin}(\style{font-style:normal;font-weight:bold;font-size:1.1em}{\alpha})=n_{\text{рідини}}\mathrm{sin}(\style{font-style:normal;font-weight:bold;font-size:1.1em}{\beta})\), де \(n_{\text{повітря}}\) і \(n_{\text{рідини}}\) – це відповідні абсолютні показники заломлення речовин.

Абсолютний показник заломлення \(n\) – це фізична величина, яка показує, у скільки разів швидкість поширення світла в середовищі менша порівняно з вакуумом. Його обчислюють за формулою \(n=\frac cv\), де \(c\) – швидкість світла у вакуумі, \(v\) – швидкість світла в середовищі.

За визначенням відносний показник заломлення показує, у скільки разів швидкість поширення світла в середовищі 1 більша (або менша) за швидкість поширення світла в середовищі 2.

У завданні необхідно визначити відносний показник заломлення рідини відносно повітря, тобто обчислити, у скільки разів швидкість світла в рідині менша за швидкість світла в повітрі:

За законом заломлення можна обчислити відносний показник заломлення:

Відповідь: Б.

Коментар

ТЕМА: Оптика. Квантова фізика. Світлові кванти.

Завдання скеровано на оцінювання розуміння корпускулярно-хвильової природи світла і явищ інтерференції, дифракції, дисперсії і фотоефекту.

Інтерференція – явище накладання хвиль, унаслідок якого в деяких точках простору спостерігають стійке в часі посилення (або послаблення) результувальних коливань.

Дифракція – явище огинання хвилями перешкод або будь-яке інше відхилення поширення хвилі від законів геометричної оптики.

Дисперсія світла – явище розкладання світла у спектр, зумовлене залежністю абсолютного показника заломлення середовища (а отже, і швидкості поширення світла в цьому середовищі) від частоти світлової хвилі.

Фотоефект – це явище взаємодії світла з речовиною, супроводжуване випромінюванням (емісією) електронів.

Тобто інтерференція, дифракція і дисперсія – це явища, пов’язані з хвильовою природою світла.

Корпускулярна природа світла виявляється у фотоефекті, закони якого потрібно знати для правильного розв’язання завдання.

1. Кількість фотоелектронів, яку випромінює катод за одиницю часу, прямо пропорційна інтенсивності світла.

Цей закон фотоефекту можна пояснити й хвильовою теорією світла, адже чим більша інтенсивність світла, тим більше його частинок (фотонів) потрапляє на катод і може брати участь у взаємодії.

2. Максимальна початкова швидкість фотоелектронів збільшується зі збільшенням частоти падного світла й не залежить від його інтенсивності.

Цей закон можна пояснити, якщо розглядати фотоефект лише як явище «вибивання» фотонами електронів із поверхні катода.

Під час зіткнення у катоді з фотоном електрон поглинає енергію фотона, яку визначають за формулою \(E_ф=hv\).

Ця енергія має бути витрачена на те, щоби вирвати електрон із поверхні катода (цю частку енергії називають роботою виходу \(A_{\text{вих}}\), а та частина енергії, яка залишається після цього, переходить у кінетичну енергію фотоелектрона \((E_{\text{кін}})\): $$ E_ф=A_{\text{вих}}+E_{\text{кін}}. $$ Оскільки робота виходу залежить лише від матеріалу катода, то максимальна початкова швидкість фотоелектрона залежить від переданої фотоном енергії.
А вона залежить від частоти світла, а не від кількості фотонів, які потрапляють на катод (тобто інтенсивності).

3. Для кожної речовини є максимальна довжина світлової хвилі \(\style{font-style:normal;font-weight:bold;font-size:1.1em}{\lambda_{\text{черв}}}\) (червона межа фотоефекту), за якої починається фотоефект.

Цей закон також пояснюють лише корпускулярною природою світла. Якщо \(hv\lt A_{\text{вих}}\), то електрони не зможуть вирватись із поверхні катода, отже існує \(ν_{min},\) за якої \(E_ф=hv_{min}=A_{\text{вих}}\), і саме це є червоною межею фотоефекту.

Відповідь: Г.

Коментар

ТЕМА: Оптика. Лінза. Оптична сила лінзи.

Завдання скеровано на оцінювання вміння розв’язувати графічні задачі на зображення ходу світлових променів у системах із лінзами.

Оптична сила лінзи \(D\) пов’язана з фокусною відстанню лінзи \(F:\ D=\frac 1F.\)

Для визначення фокусної відстані лінзи потрібно проаналізувати рисунок.

Якщо вважати, що точка перетину променю з оптичною віссю зліва від лінзи – це об’єкт, а справа від лінзи – його зображення, то за формулою тонкої лінзи відстань від об’єкта до лінзи \((d)\), відстань від лінзи до зображення \((f)\) і фокусна відстань пов’язані співвідношенням \(\frac 1F=\frac 1d+\frac 1f\).

На рисунку \(d\) становить шість поділок \((6\cdot 2\ \text{см} = 12\ \text{см} = 0,12\ \text{м})\), а \(f\) – три поділки \((3\cdot 2\ \text{см} = 6\ \text{см} = 0,06\ \text{м}).\) Тобто

Відповідь: 25.

Коментар

ТЕМА: Оптика. Закони відбивання і заломлення світла. Лінза. Дифракційна ґратка.

Завдання скеровано на оцінювання розуміння принципів роботи оптичних елементів.

До оптичного елемента на рисунку, наведеному в умові завдання, пучок променів розширюється, а після – перетворюється на пучок паралельних променів.

Пучок не може стати паралельним після проходження через плоске дзеркало чи дифракційну ґратку за жодних обставин.

Щодо лінз: якщо пучок виходить із фокусу лінзи, після неї промені будуть паралельними, але ця умова набирає різних форм для розсіювальних і збиральних лінз. Для розсіювальної лінзи продовження напрямку променів до лінзи мають збиратись у фокусі за лінзою (рис. 1), тобто пучок до лінзи повинен звужуватись, а для збиральної лінзи пучок має виходити із фокусу перед лінзою, тобто пучок розширюватиметься (рис. 2).

Рис. 1. Хід променів у розсіювальній лінзі

Рис. 2. Хід променів у збиральній лінзі

Відповідь: Б.

Коментар

ТЕМА: Оптика. Лінза. Плоске дзеркало.

Завдання скеровано на оцінювання розуміння принципів роботи оптичних елементів під час проходження крізь них паралельних променів.

Оптична сила лінзи \(D\) – це фізична величина, яка характеризує заломні властивості лінзи й обернена до її фокусної відстані. Для збиральних лінз вона додатна, а для розсіювальних – від’ємна. Тоді тонка лінза, описана в пункті 1 – збиральна, а в пункті 2 – розсіювальна. Для цих оптичних елементів схема ходу променів така:

Рис. 1. Хід променів після проходження збиральної лінзи

Рис. 2. Хід променів після проходження розсіювальної лінзи

Плоскопаралельна пластинка – це оптичний елемент, у якого дві заломлювальні поверхні паралельні одна одній. Тобто можна уявити шар скла для опису проходження променів.

За законом заломлення променів \(n_1\mathrm{sin⁡}(\style{font-style:normal;font-weight:bold;font-size:1.1em}{\alpha})=n_2\mathrm{sin⁡}(\style{font-style:normal;font-weight:bold;font-size:1.1em}{\beta}),\) де \(n_1\) і \(n_2\) – це відповідні абсолютні показники заломлення речовин, між якими відбувається перехід,
\(\style{font-style:normal;font-weight:bold;font-size:1.1em}{\alpha}\) – кут падіння променів, \(\style{font-style:normal;font-weight:bold;font-size:1.1em}{\beta}\) – кут заломлення променів.

Якщо встановити плоскопаралельну пластинку так само, як схематично зображено на рисунках 1 і 2, то кут \(\style{font-style:normal;font-weight:bold;font-size:1.1em}{\alpha}=0,\ n_2\mathrm{sin⁡}(\style{font-style:normal;font-weight:bold;font-size:1.1em}{\beta})=0.\) Тобто кут \(\style{font-style:normal;font-weight:bold;font-size:1.1em}{\beta}=0.\)

Оскільки кут заломлення дорівнює нулю, то напрямок променів не змінився. Цей розрахунок застосований для будь-якого променя з паралельного пучка. Оскільки жоден із них не змінить напрямку, то вони залишаться паралельними.

Унаслідок відбивання від плоского дзеркала напрямок променя зміниться, але за законами відбивання кут падіння дорівнюватиме куту відбивання. Якщо пучок складався з паралельних променів, то вони всі падали на поверхню дзеркала під однаковим кутом, а отже й відбиватимуться також під однаковим кутом, що не порушить їхньої взаємної паралельності, як показано на рисунку 3.

Рис. 3. Відбивання паралельних променів від плоского дзеркала

Відповідь: 1Б, 2А, 3В, 4Г.

Коментар

ТЕМА: Оптика. Оптична сила лінзи. Формула тонкої лінзи.

Завдання скеровано на оцінювання вміння розв’язувати розрахункові задачі на формулу тонкої лінзи.

Дано:
\(D=1,5\ \text{дптр}\)
\(H=3\ \text{м}\)

Знайти:
\(d\ (\text{м})-?\)

Оптичну силу лінзи і її положення відносно об’єкта і його зображення пов’язує формула тонкої лінзи: $$ d=\frac 1d+\frac 1f, $$ де \(d\) – відстань від об’єкта до лінзи, а \(f\) – відстань від лінзи до зображення (рис. 1).

Рис. 1. Схема ходу променів крізь тонку лінзу

За умовою потрібно отримати зображення на відстані 3 м від світильника, тобто \(d+f=H,\) відповідно \(f=H\ –\ d,\) а $$ D =\frac 1d+\frac{1}{H-d}. $$

Отже \begin{gather*} \frac{H-d+d}{d(H-d)}=\frac{H}{d(H-d)}=D,\\[6pt] H=dD(H-d),\\[7pt] H=dDH-d^2 D,\\[7pt] d^2 D-dDH+H=0. \end{gather*}

Затим потрібно підставити всі відомі величини й розв’язати отримане внаслідок перетворень рівняння відносно \(d\): $$ 1,5d^2-4,5 d+3=0,\ \ d^2-3d+2=0. $$

Дискримінант \(D=(-3)^2-4\cdot 1\cdot 2=1,\) тож $$ d_1=\frac{3-\sqrt{1}}{2\cdot 1}=1\ \ \text{і}\ \ d_2=\frac{3+\sqrt{1}}{2\cdot 1}=2. $$

Умову задачі задовольняє менше значення \(d=1.\)

Відповідь: 1.

Коментар

ТЕМА: Оптика. Джерела світла.

Завдання скеровано на оцінку розуміння поняття джерела світла.

Місяць – це кам’яний супутник Землі. Подібно до інших планет і супутників він не може бути джерелом світла, тобто випромінювати частинки світла (фотони). Він лише відбиває сонячне випромінювання.

Відповідь: B.

Коментар

ТЕМА: Оптика. Закони відбивання світла. Закони заломлення світла. Лінза.

Завдання скеровано на перевірку розуміння принципів роботи оптичних елементів.

Промені проходять крізь склянку з водою, адже в іншому разі неможливо було би побачити Гаррі, що розташований за нею. Тому склянка з водою не виконує функцію дзеркала. З тієї самої причини склянка не змінює хід променів на зворотний.

Після наповнення склянки водою утворюється дійсне перевернуте зображення Гаррі. Розсіювальна лінза утворює лише уявне пряме зменшене зображення. Збиральна ж лінза може утворювати дійсне перевернуте зображення, що має ті самі розміри, що і предмет, якщо він перебуває на відстані від лінзи, яка дорівнює її подвійному фокусу.

Відповідь: А.

Коментар

ТЕМА: Оптика. Закони заломлення світла.

Завдання скеровано на перевірку вміння розв’язувати розрахункові задачі на закони заломлення світла, зокрема з використанням явища повного внутрішнього відбивання.

Дано:
\(n=1,5\)
\(c=3\cdot 10^8\ \text{м/с}\)

1. Знайти:
\(v\ (\text{тис. км/с})\ -\ ?\)

Абсолютний показник заломлення \(n\) – це відношення швидкості c світла у вакуумі до швидкості \(v\) світла в середовищі: $$ n=\frac cv. $$

Тоді можна розрахувати швидкість поширення світла у склі:

2. Знайти:
\(\style{font-style:normal;font-weight:bold;font-size:1.1em}{\delta}\ -\ ?\)

Вираз закону заломлення світла на межі двох середовищ: $$ n_1\sin\style{font-style:normal;font-weight:bold;font-size:1.1em}{\alpha}=n_2\sin\style{font-style:normal;font-weight:bold;font-size:1.1em}{\beta} $$ де \(n_1\) і \(n_2\) – коефіцієнти заломлення середовищ, \(\style{font-style:normal;font-weight:bold;font-size:1.1em}{\alpha}\) – кут падіння променю на межу середовищ, \(\style{font-style:normal;font-weight:bold;font-size:1.1em}{\beta}\) – кут заломлення променю.

Промінь, що падає на призму, заломлюється двічі – на кожній поверхні призми.

Усі кути в законі заломлення відраховуються від перпендикуляр до поверхні. Оскільки падний промінь перпендикулярний до лівої поверхні призми, то кут між перпендикуляром і кутом падіння дорівнює \(\style{font-style:normal;font-weight:bold;font-size:1.1em}{\alpha}'=0^\circ\).

Оскільки \begin{gather*} n_{\text{пов}}\sin\style{font-style:normal;font-weight:bold;font-size:1.1em}{\alpha}'=n_{\text{скла}}\sin\style{font-style:normal;font-weight:bold;font-size:1.1em}{\beta},\\[7pt] \text{а}\ \style{font-style:normal;font-weight:bold;font-size:1.1em}{\alpha}'=0^\circ,\ \text{то}\\[7pt] n_{\text{скла}}\sin\style{font-style:normal;font-weight:bold;font-size:1.1em}{\beta}=0\rightarrow \style{font-style:normal;font-weight:bold;font-size:1.1em}{\beta}=0^\circ. \end{gather*}

Тож заломлений промінь також перпендикулярний до поверхні призми. На другій поверхні призми кут \(\style{font-style:normal;font-weight:bold;font-size:1.1em}{\gamma}\) – кут падіння променю. Його можна визначити з геометричних міркувань (рис. 1).

Зважаючи на те, що кути при основі призми дорівнюють \(60^\circ\), третій кут призми дорівнює \(180^\circ -60^\circ -60^\circ =60^\circ\). Трикутник, який промінь відсікає в призмі, прямокутний, один із його гострих кутів – це кут призми, що дорівнює \(60^\circ\). Тобто останній кут цього трикутника дорівнює \(30^\circ\).

Кут \(\style{font-style:normal;font-weight:bold;font-size:1.1em}{\gamma}\) відраховують від перпендикуляра, що на рисунку 1 зображений синім пунктиром. Тому

$$ \style{font-style:normal;font-weight:bold;font-size:1.1em}{\gamma}=90^\circ - 30^\circ = 60^\circ. $$

Перед тим, як застосовувати закон заломлення світла вдруге, потрібно перевірити, чи не відбувається в цьому разі повне внутрішнє відбивання. Повне внутрішнє відбивання – це явище відбивання світла на межі двох середовищ. Воно відбувається для всіх кутів, більших за критичний кут \(\style{font-style:normal;font-weight:bold;font-size:1.1em}{\alpha}_0\), який визначають із умови $$ n\sin\style{font-style:normal;font-weight:bold;font-size:1.1em}{\alpha}_0=1. $$

У цьому разі $$ \sin\style{font-style:normal;font-weight:bold;font-size:1.1em}{\alpha}_0=\frac{1}{n_{\text{скла}}}=\frac{1}{1,5}=\frac 23. $$

Це значення синуса не є табличним, тому визначити кут \(\style{font-style:normal;font-weight:bold;font-size:1.1em}{\alpha}_0\) точно без спеціальних таблиць неможливо. Але для кутів, менших за \(90^\circ\) (а у випадку заломлення світлових промені йдеться саме про такі кути) синус кута збільшується разом зі значенням кута, тобто: $$ \sin x\gt \sin y\rightarrow x\gt y. $$

Із таблиці можна дізнатися, що $$ \sin 60^\circ=\frac{\sqrt{3}}{2}. $$

Для порівняння \(\sqrt{3}/2\) і \(2/3\) їх потрібно звести до спільного знаменника: \begin{gather*} \frac{\sqrt{3}}{2}=\frac{3\sqrt{3}}{6};\\[6pt] \frac 23=\frac 46. \end{gather*}

Тепер залишається порівняти чисельники цих дробів.\(\sqrt{3}\) – ірраціональне число, тому його значення треба оцінити.

Якщо \(3\sqrt{3}\gt 4\), то \(\sqrt{3}\gt 4/3\), тобто \(\sqrt{3}\gt 1,(3)\). Для того, щоби перевірити це, потрібно вибрати число, що однозначно більше за \(1,(3)\), наприклад, \(1,5\). \begin{gather*} \sqrt{2,25}=1,5;\\[7pt] 1,5\gt 1,(3)\rightarrow \sqrt{2,25}\gt 1,(3). \end{gather*}

Відомо, що \(\sqrt{2,25}\lt\sqrt{3}\), тому $$ \sqrt{3}\gt\frac 43\rightarrow\frac{\sqrt{3}}{2}\gt\frac 23\rightarrow 60^\circ\gt \style{font-style:normal;font-weight:bold;font-size:1.1em}{\alpha}_0. $$

Оскільки кут падіння променю на другу поверхню призми більший, ніж кут повного внутрішнього відбивання, то заломлення не відбудеться, і промінь відбиватиметься від другої поверхні призми (рис. 2).

Кут падіння завжди дорівнює куту відбивання і в цьому разі становить \(60^\circ\). Тепер треба визначити кут, під яким відбитий промінь потрапляє на нижню поверхню призми. Для цього потрібно розглянути трикутник, який відбитий промінь відсікає у призмі (рис. 3). Кут, який відбитий промінь утворює з боковою поверхнею призми, дорівнює \(90^\circ – 60^\circ = 30^\circ\). Кут при основі призми відомий за умовою задачі – \(60^\circ\).

Тоді кут, під яким відбитий промінь падає на нижню поверхню, дорівнює: \(180^\circ –30^\circ – 60^\circ = 90^\circ\). Промінь, що падає на поверхню розділу під прямим кутом, не заломлюється (як це було доведено на початку розв’язку), тому промінь вийде, не змінюючи свого напрямку.

Тому кут відхилення від початкового ходу \(\style{font-style:normal;font-weight:bold;font-size:1.1em}{\delta}\) можна визначити з геометричних міркувань (рис. 4).

На рисунку кут падіння на другу поверхню призми, рівний до нього кут відбивання від цієї поверхні й шуканий кут \(\style{font-style:normal;font-weight:bold;font-size:1.1em}{\delta}\) утворюють розгорнутий кут, тому $$ \style{font-style:normal;font-weight:bold;font-size:1.1em}{\delta}=180^\circ -2\style{font-style:normal;font-weight:bold;font-size:1.1em}{\gamma}=180^\circ -2\cdot 60^\circ=60^\circ. $$

Відповідь: 1. 200. 2. 60.

Коментар

ТЕМА: Оптика. Закони заломлення світла.

Завдання скеровано на оцінювання розуміння законів заломлення світла.

За законом заломлення променів $$ n_1\sin(\style{font-style:normal;font-weight:bold;font-size:1.1em}{\alpha})=n_2\sin(\style{font-style:normal;font-weight:bold;font-size:1.1em}{\beta}), $$ де \(n_1\) і \(n_2\) – це відповідні абсолютні показники заломлення речовин, між якими відбувається перехід, \(\style{font-style:normal;font-weight:bold;font-size:1.1em}{\alpha}\) – кут падіння променів, \(\style{font-style:normal;font-weight:bold;font-size:1.1em}{\beta}\) – кут заломлення променів.

Кут падіння і кут заломлення мають бути меншими за 90° (рис. 1).

За графіком функції \(\style{font-style:normal;font-weight:bold;font-size:1.1em}{\alpha}\) (рис. 2) можна визначити, що на проміжку від 0° до 90° \(\left(\frac{\style{font-style:normal;font-weight:bold;font-size:1.1em}{\pi}}{2}\right)\) функція монотонно зростає, тобто зі збільшенням кута збільшується і значення його синуса.

Отже, якщо кут заломлення менший, ніж кут падіння, то і синус кута заломлення буде меншим за синус кута падіння. Тож, щоб закон заломлення виконувався, якщо кут падіння більший за кут відбивання, то показник заломлення в середовищі падаючого променю має бути меншим за показник заломлення і середовищі заломленого променю.

За умовою завдання для у першому випадку кут заломлення \(\style{font-style:normal;font-weight:bold;font-size:1.1em}{\beta}\) менший за кут падіння \(\style{font-style:normal;font-weight:bold;font-size:1.1em}{\alpha}\), тож $$ n_1\lt n_2. $$

У другому випадку кут падіння \(\style{font-style:normal;font-weight:bold;font-size:1.1em}{\gamma}\) менший за кут заломлення \(\style{font-style:normal;font-weight:bold;font-size:1.1em}{\delta}\), тож: $$ n_3\gt n_4. $$

Відповідь: Б.

Коментар

ТЕМА: Оптика. Інтерференція світла та її практичне застосування.

Завдання скеровано на перевірку розуміння механізмів інтерференції та її проявів у природі.

На тонкій поверхні мильної бульбашки відбувається інтерференція (рис. 1).

Одна частина променю, що падає на зовнішню поверхню мильної плівки, відбивається від неї, а інша проходить у товщу плівки й заломлюється. Ця частина променю відбивається вже на другій поверхні плівки й заломлюється на шляху назад із плівки в повітря. Дві частини променю є когерентними, але вони пройшли різну відстань, тож мають певну різницю ходу. У результаті хвилі накладаються одна на одну, у певних місцях підсилюючи одна одну, а в інших ослаблюючи – утворюється інтерференційна картина.

Сонячне світло складається з багатьох хвиль різної довжини, тому інтерференційна картина для кожного кольору буде інша. Для підсилення якогось конкретного кольору товщину плівки треба дібрати так, щоби хвилі мали різницю ходу, кратну парній кількості півхвиль. Якщо товщина плівки різниться в різних місцях, як це часто буває в мильних бульбашках, то в різних її частинах підсилюватиметься хвиля іншого кольору й утворюватиметься кольоровий візерунок.

Відповідь: B.

Коментар

ТЕМА: Оптика. Лінза. Формула тонкої лінзи.

Завдання скеровано на перевірку вміння розв’язувати розрахункові задачі із застосування законів геометричної оптики й формули тонкої лінзи.

Дано:
\(F=20\ \text{см}\)
\(l=12\ \text{мм}\)
\(L=6\ \text{м}\)

Знайти:
\(D\ -\ ?\)

Фокусну відстань лінзи та її положення відносно об’єкта і його зображення пов’язує формула тонкої лінзи: $$ \frac 1F=\frac 1d+\frac 1f, $$ де \(d\) – відстань від об’єкта до лінзи, а \(f\) – відстань від лінзи до зображення, \(F\) – фокусна відстань лінзи.

Розміри зображення і предмета з їхніми відстанями від лінзи пов’язує лінійне збільшення лінзи Г: $$ \boldsymbol Г=\frac lL=\frac fd. $$

З виразу для лінійного збільшення лінзи можемо обчислити відстань \(f\) від предмета до лінзи: $$ f=\frac{ld}{L}. $$ Тоді

Відповідь: 100.

Коментар

ТЕМА: Оптика. Лінза. Формула тонкої лінзи.

Завдання скеровано на перевірку вміння розв’язувати розрахункові задачі із застосування законів геометричної оптики й формули тонкої лінзи.

Дано:
\(D=5\ \text{дптр}\)
\(d=1\ \text{м}\)

Знайти:
\(f(\text{м})\ -\ ?\)

Оптична сила пов’язана з фокусною відстанню лінзи \(F\): $$ D=\frac 1F. $$

Фокусну відстань лінзи та її положення відносно об’єкта і його зображення пов’язує формула тонкої лінзи $$ \frac 1F=\frac 1d+\frac 1f, $$ де \(d\) – відстань від об’єкта до лінзи, а \(f\) – відстань від лінзи до зображення, \(F\) – фокусна відстань лінзи.

Тоді можна виразити з формули тонкої лінзи відстань між лінзою і зображенням:

Відповідь: 0,25.