Examen Fysica: Inleiding: Wat is fysica?

Transcriptie

1 Fysica: Chemie: Bewegen Een kracht uitoefenen Verdampen Een elektrische stroom opwekken Optica Terugkaatsing van het licht Smelten en stollen Examen Fysica: Inleiding: Wat is fysica? Roesten Omzetting van voedsel in het lichaam van mens en dier Omzetting van voedingsstoffen in de planten Het winnen van ijzer uit ijzererts De bereiding van geneesmiddelen De verbranding van hout of benzine Oxideren Fotosynthese Besluit: Verschijnselen waarbij de materie van aard en eigenschappen verandert, is chemie. Verschijnselen waarbij de aard en de eigenschappen van de stoffen niet veranderen, is fysica. Hoofdstuk 1: Optica: 1. Voortplanting van het licht. 1.1 Inleidende begrippen: Besluit: Een voorwerp kan zelf licht uitzenden of het licht dat erop valt, weerkaatsen. We zien het voorwerp pas als het uitgezonden of weerkaatste licht op ons netvlies invalt. Reuterlamp = experimenteerlamp. Schermpjes = diafragma. Lichtbron = een lichaam dat zelf licht uitstraalt. Donker lichaam = lichaam dat je alleen kunt zien als het belicht wordt. Natuurlijke lichtbron = lichaam dat spontaan licht uitstraalt. Kunstmatige lichtbron = lichaam dat onder bepaalde omstandigheden licht uitstraalt. Ondoorschijnend lichaam = lichaam dat geen licht doorlaat. Doorschijnend lichaam = lichaam dat een beperkt deel van het invallende licht doorlaat. Doorzichtig lichaam = lichaam dat nagenoeg al het invallende licht doorlaat. Lichtbron Donker lichaam Natuurlijke lichtbron Kunstmatige lichtbron Ondoorschijnend lichaam Doorschijnend lichaam Doorzichtig lichaam Zon bunsenbrander Bank Troebel water Glas Een donker lichaam kan invallend licht op drie manieren verwerken: Spiegel: het invallend licht wordt weerkaatst of teruggekaatst. Stuk karton: het invallend licht wordt geabsorbeerd of opgeslorpt. Stuk glas: het invallend licht wordt doorgelaten.

2 Als een doorzichtig lichaam alle licht zou doorlaten, zou men het niet meer zien omdat een gedeelte van het licht weerkaatst moet worden om het voorwerp te kunnen zien. Doorheen glas zie je het lampje alsof het glas er niet is. Doorheen papier zie je het lampje vaag. En doorheen karton zien we niets. 1.2 Toepassingen. Maansverduistering: Voorwaarden voor een maansverduistering zijn: Zon, aarde en maan zijn in deze volgorde gelegen op één rechte lijn. (bij volle maan) De maan gaat door de schaduwkegel van de aarde. Maan kernschaduw volledige verduistering. Maan bijschaduw gedeeltelijke verduistering. Zonsverduistering: Voorwaarden voor een zonsverduistering zijn: Zon, maan en aarde zijn in deze volgorde gelegen op één rechte lijn. (bij nieuwe maan) De aarde gaat door de schaduwkegel van de maan. Een maansverduistering kan alleen plaatsvinden bij volle maan omdat dan zon, aarde en maan op één rechte lijn staan. s Nachts bij maneschijn is het veel minder helder dan overdag bij zonneschijn omdat de maan een donker lichaam is dat een groot deel van het licht van de zon opslorpt en een beperkt deel weerkaatst. De donkere camera of camera obscura: Eerste geval: v = b Kenmerken van het beeld: Stand: omgekeerd Grootte: even groot Aard: reëel

3 Tweede geval: v > b Kenmerken van het beeld: Stand: omgekeerd Grootte: verkleind Aard: reëel Derde geval: v < b Kenmerken van het beeld: Stand: omgekeerd Grootte: vergroot Aard: reëel

4 Het beeld gevormd bij een camera obscura is reëel omdat op een scherm kan opgevangen worden. Het beeld wordt gevormd door de werkelijke lichtstralen. Het beeld gevormd bij een camera obscura is reëel en omgekeerd. De grootte en scherpte van het beeld zijn afhankelijk van de voorwerpsafstand. Hoe kleiner het diafragma, hoe scherper het beeld. Hoe kleiner de voorwerpsafstand, hoe groter en minder scherp het beeld. In een homogene* doorzichtige middenstof plant het licht zich rechtlijnig voort. * een lichaam wordt homogeen genoemd wanneer het overal dezelfde samenstelling heeft. Drie soorten lichtbundels: - Convergerende: de lichtbundel loopt in één punt samen - Divergerende: de lichtbundel wordt breder als hij zich verder van de bron verwijdert. - Evenwijdige: de lichtbundel heeft overal dezelfde loodrechte doorsnede. Een zeer dunne evenwijdige lichtbundel noemen we een lichtstraal. Puntvormige lichtbron: Bij een puntvormige lichtbron verkrijgen we achter het ondoorschijnend lichaam een scherp afgetekend gebied waar geen licht binnen kan, en dat we de kernschaduw noemen. De schaduw wordt kleiner als het voorwerp nadert ten opzichte van het scherm. Niet-puntvormige lichtbron: Achter de bol vormt zich een gebied dat door de uiterste randstralen wordt begrensd en waarin geen enkele lichtstraal kan doordringen: de kernschaduw. Rondom deze kernschaduw bevindt zich een gebied waarin lichtstalen, uitgaande van een beperkt deel van de lichtbron kunnen doordringen: de bijschaduw. De schaduwen worden kleiner als het scherm nadert ten opzichte van het voorwerp. Schaduw is een gevolg van de rechtlijnige voortplanting van licht. Maanstanden: De bovenste maan met de verlichte kant een d maken = Laatste Kwartier. De bovenste maan met de verlichte kant een p maken = Eerste Kwartier. Wassende maan: aangroeide maan = van Nieuwe Maan naar Volle Maan. Niet wassende maan: afnemende maan = van Volle Maan naar Nieuwe Maan. Lichtsnelheden: Licht in lucht: km/s Licht in water: km/s Licht in glas: km/s Geluidssnelheid: 345 m/s Een lichtjaar is de afstand die het licht in een jaar in het luchtledige aflegt.

5 2. Terugkaatsing van het licht: 1. Optische apparatuur. De optische schijf of de schijf van Hartl. 2. Terugkaatsing van het licht. Spiegel Bij een vlakke spiegel Bij een gebogen of sferische spiegels Bij een holle spiegel Bij een bolle spiegel Soorten spiegels = een voorwerp dat het licht op een regelmatige wijze terugkaatst. = het spiegelvlak een deel van het vlak. = het spiegeloppervlak een deel van een bol of een sfeer. = de binnenzijde van de bol is spiegelend. = de buitenzijde van de bol is spiegelend. Vlakke spiegels Soorten spiegels Gebogen of sferische spiegels Holle spiegel Bolle spiegels De lichtstraal die op de spiegel invalt noemt men de invallende straal (i) De lichtstraal die teruggekaatst wordt noemt men de teruggekaatste straal (t) Het punt, waar de lichtstraal op de spiegel invalt, noemt men het invalspunt (I) De loodlijn op de spiegel in het invalspunt, noemt men de normaal (n) De hoek, gevormd door de invallende straal en de normaal, noemt men de invalshoek (î) De hoek, gevormd door de teruggekaatste straal en de normaal, noemt men de terugkaatsinghoek ( t ) Terugkaatsingswetten bij een vlakke spiegel. WET 1: De invallende straal i, de normaal n en de teruggekaatste straal t liggen in hetzelfde vlak dat loodrecht op de spiegel staat. WET 2: De terugkaatsingshoek t is gelijk aan de invalshoek î. WET 3: De gang van de stralen is bij terugkaatsing omkeerbaar.

6 Spiegel is heel helder. Reflector is eerder wazig. 3. Beeldvorming bij de vlakke spiegel. Beeld van een voorwerp. Beeld bij camera obscura Beeld bij vlakke spiegel Stand Omgekeerd Rechtopstaand Grootte Afhankelijk van de voorwerpsafstand Even groot Aard Reëel Virtueel Plaats Afhankelijk van het scherm waar het beeld wordt opgevangen. Symmetrisch ten opzichte van voorwerp met de spiegel als symmetrievlak. Er is lichtverstrooiing: de lichtdeeltjes kaatsen het licht in alle richtingen terug. Dagelijks leven: onregelmatige terugkaatsing.

7 De lijn tussen de twee lampjes staat loodrecht op het glas. De lampjes staan symmetrisch ten opzichte van het glas. We zien geen beeld van het lampje op het scherm. Eigenschappen van het beeldpunt van een voorwerpspunt bij een vlakke spiegel: Het beeldpunt ligt symmetrisch ten opzichte van het voorwerpspunt met de spiegel als symmetrievlak; Het beeldpunt kan niet op een scherm opgevangen worden. We noemen het een virtueel beeldpunt. Verklaring: Van het lichtende punt V gaan stralen uit naar alle richtingen. Een deel van deze stralen treft de vlakke spiegel en wordt daar volgens de behandelde wetten teruggekaatst. De straal, die loodrecht op de spiegel invalt, wordt in zijn eigen richting teruggekaatst. Het stralenbundeltje, dat na terugkaatsing de pupil van het oog treft, is divergerend, en in werkelijkheid afkomstig van het punt V. Voor het oog, en voor de hersenen, doet alles zich voor alsof deze stralen na terugkaatsing uitgingen van een symmetrisch gelegen punt B, het virtuele beeldpunt. Om dit punt te vinden hoeven we slechts de verlengden van de teruggekaatste lichtstralen te construeren. Een beeldpunt is virtueel als het niet op een scherm kan opgevangen worden. Dit beeldpunt wordt gevormd door de verlengden van de werkelijke lichtstralen. Een beeldpunt is reëel als het wel op een scherm kan opgevangen worden. Dit beeldpunt wordt gevormd door de werkelijke lichtstralen die in dit punt samenkomen.

8 Het lijkt alsof je de boekentas in je linkerhand houdt in plaats van je rechterhand: het beeld bij terugkaatsing verwisselt rechter- en linkerkant. Stilstaand water: virtueel, even groot, rechtopstaand en links en rechts is verwisseld. Door oneffen beeld is er lichtverstrooiing.

9 Sidonia kan Lambik enkel zien als hij zich bevindt in haar gezichtsveld. 3. Breking van het licht. 1. Brekingswetten. Een deel van het licht weerkaatst en een ander deel gaat over in het water, maar verandert van richting op de grens lucht water. Het verschijnsel, waarbij een lichtbundel bij overgang van de ene homogene middenstof naar de andere van richting verandert, heet breking. Wanneer een lichtbundel op het scheidingsoppervlak van twee doorzichtige middenstoffen valt, wordt hij doorgaans in twee gesplitst: Een gedeelte van de invallende bundel wordt op het grensvlak teruggekaatst: de teruggekaatste bundel. Een ander gedeelte dringt in de tweede middenstof door: de gebroken bundel.

10 De straal wordt niet gebroken, maar loopt gewoon rechtdoor bij loodrechte inval.

11 Het oppervlak dat de grens vormt tussen de twee stoffen noemen we het grensoppervlak of scheidingsoppervlak (S). De lichtstraal die op het scheidingsoppervlak invalt noemt men de invallende straal (i). Het snijpunt van de invallende straal en het scheidingsoppervlak noemen we het invalspunt (I). De loodlijn op het scheidingsoppervlak in het invalspunt, noemt men de normaal (n). De hoek gevormd door de invallende straal en de normaal, noemt men de invalshoek (î). De lichtstraal die doordringt in de tweede middenstof, noemen we de gebroken straal (r). De hoek, gevormd door de gebroken straal en de normaal, noemt men de brekingshoek ( r ). Lucht is optisch ijler dan glas. Water is optisch dichter dan lucht. Wanneer bij lichtbreking de brekingshoek kleiner is dan de invalshoek spreekt men van breking naar de normaal toe. Is de brekingshoek groter dan de invalshoek dan hebben we te maken met breking van de normaal weg. Brekingsindex n: sin î / sin r = constant. Overgang van lucht naar glas: 1,50 of n l gl = 1,50 = 3/2 De stralengang is omkeerbaar. r > î Breking van de normaal weg. Overgang glas naar lucht: 0,66 of n gl l = 0,66 = 2/3 Lucht naar water: 4/3 Water naar glas: 9/8 Water naar lucht: 3/4 Glas naar water: 8/9 Lucht naar glas: 3/2 Glas naar lucht: 2/3 Wanneer ijl naar dicht: geen kans op terugkaatsing. sin î / sin r = 3/2 sin 30 / sin r = 3/2 3. sin r = 2. sin 30 sin r = 2. sin 30 / 3 2nd sin 2 sin 30) / 3) 2nd angle: 4 DMS r = Wet van Snellius: bij overgang van lucht naar een andere middenstof (glas, water ) bestaat er een constante verhouding tussen de sinussen van de invalshoek î en de brekingshoek r.

12 Brekingsindex heeft geen eenheden. 3. Grenshoek. Totale terugkaatsing. Overgang glas lucht: breking van de normaal weg. Idem vorige: de brekingshoek = 90 dan noemen we de invalshoek de grenshoek. Er is geen breking, maar terugkaatsing. De waarde van de invalshoek, overeenstemmend met een brekingshoek van 90 wordt grenshoek genoemd. Van dicht naar ijl. Totale terugkaatsing is het verschijnsel waarbij, bij overgang van dicht naar ijl, al het licht aan het scheidingsoppervlak wordt teruggekaatst omdat de invalshoek de grenshoek overschrijdt. Totale terugkaatsing met de grootste grenshoek treedt dan op bij een overgang van licht van de stof met de brekingsindex 1,40 naar lucht. 4. Toepassingen. Verklaring: We tekenen slechts twee lichtstralen vanuit een punt V van het geldstuk. De lichtstralen worden gebroken op het grensvlak water lucht met een brekingsindex van 3/4. Op de figuur zien we duidelijk dat de stralen van de normaal weg worden gebroken. Alle lichtstralen die uitgaan van V en zich in de bundel bevinden, begrensd door stralen 1 en 2, bereiken ons oog. Alle stralen uit deze bundel lijken uit B te komen. Het punt B ligt hoger dan punt V en is tevens rechts verschoven. Deze redenering geldt voor elk punt van het voorwerp, zodat het hele voorwerp hoger lijkt te liggen. Je ziet schijnbare verhoging lichaam onder water. Indruk dat lichaam korter wordt.

13 De dichtheid van de luchtlagen vermindert met de toenemende hoogte. Naar de normaal toe. Voor een waarnemer op aarde schijnt het licht niet uit de werkelijke stand S van het hemellichaam te komen, maar uit de schijnbare stand S. De grootste afwijking, namelijk 30. Een planparallelle plaat is een doorzichtige middenstof begrensd door twee evenwijdige platte vlakken. De lat lijkt uit twee delen te bestaan, die evenwijdig ten opzichte van elkaar verschoven zijn. de uittredende lichtstraal is evenwijdig verschoven ten opzichte van de invallende straal. Hoe schuiner het invallen, hoe groter de verschuiving. Verklaring: Bij het invalspunt I treedt een eerste breking op, naar de normaal n toe. In het invalspunt I hebben we een tweede breking van de normaal weg. De hoeken in het glas, r en î, zijn verwisselende binnenhoeken, dus gelijk. Volgens de omkeerbaarheid van de stralengang zijn de hoeken î en r dan ook gelijk. Hieruit volgt, dat de straal evenwijdig met zichzelf uittreedt Bij doorgang van een lichtstraal door een planparallelle plaat ondergaat de lichtstraal een evenwijdige verschuiving. 4. Breking door een prisma. Deviatie = lichtbreking door een prisma. Deviatiehoek = D Een prisma is een doorzichtig lichaam, begrensd door twee elkaar snijdende platte vlakken. De snijlijn van de twee vlakken wordt brekende ribbe genoemd. Door een prisma zien we een voorwerp niet op de juiste plaats. Het beeld ligt, gerekend vanaf het basisvlak, hoger dan het voorwerp. Er is totale terugkaatsing op de schuine zijde en de uittredende straal staat loodrecht op de invallende straal.

14 Verklaring: Hoek van 45. Deze hoek is groter dan de grenshoek. Daarom zal de straal op de schuine zijde een totale terugkaatsing ondergaan en het prisma aan de andere rechthoekszijde loodrecht verlaten. De schuine zijde van het prisma gedraagt zich als een vlakke spiegel voor alle lichtstralen, die loodrecht op een rechthoekszijde invallen. Een lichtstraal die loodrecht invalt op een rechthoekzijde van een gelijkbenig rechthoekig prisma, wordt loodrecht op de richting van de invallende straal teruggekaatst. Het wit licht verandert in een brede kleurenband van ROGGBIV. De meeste lichtsoorten (daglicht, gloeilamplicht) bevatten verschillende kleuren: men spreekt daarom van samengesteld of polychromatisch licht. Bij doorgang door een prisma wordt polychromatisch licht in zijn kleuren ontbonden of geschift. Men spreekt van kleurschifting of dispersie. De continue kleurband, die ontstaat na doorgang van wit licht door een prisma, wordt het spectrum van het licht genoemd. Men onderscheidt zeven hoofdkleuren: rood oranje geel groen blauw indigo violet. Men noemt deze kleuren de spectrale kleuren. Rood kleinste brekingsindex van l gl. We plaatsen een tweede identiek prisma met dezelfde brekende hoek zo tegen het eerste prisma, dat we een planparallelle plaat verkrijgen. De uittredende lichtstraal is terug wit. We zien de kleuren niet meer, maar het geheel wordt lichtgrijs.

15 Wit licht ontstaat door de menging van de lichtstralen van de verschillende kleuren. Dit heeft tot gevolg dat noch wit, noch zwart een eigenlijke kleur is. Wit kan beschouwd worden als de aanwezigheid van alle kleuren, terwijl zwart daarentegen het ontbreken van alle kleur betekent. 4. Lenzen. 1. Beschrijving. De lichtstralen vallen evenwijdig in op de lens en convergeren naar een reëel punt aan de andere kant van de lens. Sommigen doorzichtige, die niet uitsluitend door evenwijdige grensvlakken begrensd zijn, laten licht door, maar door de breking veranderen de invallende bundels na uittreden van richtingen. Deze voorwerpen geven ons een idee van een lens. Een lens is een gedeelte van een doorzichtige middenstof (glas, plastic, water) begrensd door twee bolkappen (gedeelten van boloppervlakken) ofwel door een bolkap en een deel van een plat vlak. Twee categorieën: Bolle of convexe lenzen: midden dikker dan randen; Holle of concave lenzen: midden dunner dan randen. Krommingmiddelpunten Kromtestralen Hoofdas 2. Het optisch middelpunt. De lichtstraal wordt twee keer gebroken. Grens lucht lens en grens lens lucht. De uittredende straal loopt evenwijdig met de invallende straal. Bij een lens, bepaald vast punt, op de hoofdas gelegen, zodanig dat een lichtstraal, die door dit gaat, een evenwijdige verschuiving ondergaat: dit punt is het optisch middelpunt O.

16 Bij een dunne lens kunnen we de evenwijdige verschuiving van een lichtstraal door het optisch middelpunt verwaarlozen. 3. De bolle lens. De lichtstralen vallen evenwijdig in en convergeren tot één reëel punt dat aan de andere kant van de lens ligt dan de lichtstralen. Je vindt een tweede brandpunt dat symmetrisch, ten opzichte van de lens, ligt met het eerste brandpunt. Bij een bolle lens bestaan er twee symmetrisch ten opzichte van de lens gelegen punten, waarin alle onderling evenwijdige lichtstralen, na breking door de lens, samenkomen. In het geval dat de invallende bundel evenwijdig met de hoofdas is, noemt men deze bijzondere punten de brandpunten F₁ en F₂ van de lens. Bij een bolle lens zijn de twee brandpunten reëel en symmetrisch ten opzichte van de lens gelegen. F = focus.

17 Lichtstralen die doorheen het brandpunt gaan zullen na breking evenwijdig met de hoofdas verder bewegen. Een lichtstraal of een smalle lichtbundel die door het brandpunt van een bolle lens invalt, zal na breking evenwijdig met de hoofdas uittreden. kenmerkende straal. Een bollere lens heeft een kleinere brandpuntsafstand (het brandpunt ligt dichterbij). Uit het bestaan van de brandpunten en van het optisch middelpunten komen we voor een dunne bolle lens tot de volgende bijzondere stralen: 1) Een straal, die evenwijdig met de hoofdas op de lens invalt, zal na breking door het brandpunt gaan. 2) Een straal, die door het brandpunt invalt, zal, na breking, evenwijdig met de hoofdas uittreden. 3) Een straal, die door het optisch middelpunt invalt, ondergaat geen richtingsverandering. v = voorwerpsafstand (afstand tussen voorwerp en optisch middelpunt) b = beeldafstand (afstand tussen beeld en optisch middelpunt) f = focusafstand of brandpuntsafstand (afstand tussen brandpunt en optisch middelpunt) F = focus of brandpunt V = voorwerp B = beeld 1) v > 2 f kenmerken: stand: omgekeerd aard: reëel grootte: verkleind plaats: f < b < 2f

18 2) v = 2 f kenmerken: stand: omgekeerd aard: reëel grootte: even groot plaats: 2f = b 3) f < v < 2 f kenmerken: stand: omgekeerd aard: reëel grootte: vergroot plaats: 2f < b 4) v = f GEEN BEELD!

19 5) v < f kenmerken: stand: rechtopstaand aard: virtueel grootte: vergroot plaats: aan dezelfde kant van het voorwerp of de lens. Betrekkingen tussen beeld-, voorwerps- en focusafstand bij bolle lenzen. Lenzenformule: 1/v + 1/b = 1/f Beeldvergroting Vergrotingsformule: v/b = V/B Voorwerpsafstand, Beeldafstand en omgekeerd. Bollere lens minder bolle lens p = 1/F 5. Sterkte van een lens. Eenheid: [p] = m = dioptrie Lenssterkte = bolheid van de lens. f bepalen: p = 1/f met eenheid [p] = 1/m m p = -2,0/m -2,0/m = 1/f -2,0. f = 1m f = 1m/-2,0 = -0,50 m

20 Bijziend kromming kristallens te groot divergerende glazen holle lenzen sterkte = - 2,0 dioptrie. Brandpuntsafstand: P = 1/f -2,0 / m = 1/f -2,0. f = 1. m f = 1. m / -2,0 = -0,50 m Het virtueel brandpunt ligt op 0,50 m van de holle lens. 6. Optische toestellen. 1. Het oog. Accommoderen. Het voorwerp bevindt zich tussen enkele meters en het oneindige. De stralenbundels, die door de pupil op de lens vallen, zijn praktisch evenwijdig. De kringspiertjes van de lens zijn in rusttoestand. Het brandpunt van de lens valt dan precies op het netvlies. Het oog hoeft in deze situatie dus niet te accommoderen. Als het voorwerp dichter bij het oog ligt, moeten de kringspiertjes de lens nu boller maken, zodat de brandpuntsafstand kleiner wordt. Dit accommoderen gebeurt automatisch, de brandpuntsafstand past zich aan en het beeld vormt zich weer op het netvlies. Komt het voorwerp te dicht, dan zullen we het niet meer duidelijk waarnemen, zoals de ervaring ons leert. De spiertjes kunnen de lens niet meer boller maken. Het dichtste punt waarbij een voorwerp nog duidelijk waarneembaar is, noemen we het nabijheidspunt (ongeveer 15 cm). Bijziendheid: Kromming lens te groot. Scherp zicht dichtbij Divergerende lenzen eerst naar buiten en dan naar binnen. Verziendheid: Kromming lens te groot Scherp zicht veraf Convergerende lenzen naar binnen en dan nog eens naar binnen. 2. Het vergrootglas. Rechtopstaand en vergroot beeld van het voorwerp. Optimaal beeld wanneer het oog dicht bij de loep is en het voorwerp dichtbij het brandpunt ligt. v < f. 3. De microscoop. f < v < 2f b > 2f v < f Zeer sterk vergroot, virtueel beeld. Twee bolle lenzen. Objectief vormt van het voorwerp een reëel, omgekeerd beeld. Oculair: nogmaals vergroot beeld. Het beeld, gevormd door het objectief, moet in het brandpunt van het oculair staan.