Światło, cień, odbicie i zwierciadła - Spotkania z fizyką 8

1.Optyka

Nauka zajmująca się światłem i jego oddziaływaniem z materią.

2.Światło

Fale elektromagnetyczne o długości od $380~\mathrm{nm}$ do $780~\mathrm{nm}$, odbierane przez zmysł wzroku. Fale o różnych częstotliwościach z tego zakresu widzimy jako różne barwy. W fizyce światło nazywa się też promieniowaniem świetlnym lub widzialnym.

3.Barwy światła a długość fali

Każdej barwie odpowiada inny zakres długości fali. Od fal najkrótszych do najdłuższych barwy układają się tak: fioletowa (od $380~\mathrm{nm}$), granatowa, niebieska, zielona (od $500$ do $560~\mathrm{nm}$), żółta, pomarańczowa i czerwona (powyżej $635~\mathrm{nm}$). Fiolet ma więc fale najkrótsze, a czerwień - najdłuższe.

4.Prędkość światła w próżni

Oznacza się ją literą $c$; wynosi $299\,792~\mathrm{km/s}$, czyli w przybliżeniu $300\,000~\mathrm{km/s}$. W próżni jest stała i jednakowa dla wszystkich fal elektromagnetycznych, niezależnie od ich długości i częstotliwości. To największa prędkość w przyrodzie - z taką prędkością można najszybciej przesyłać informacje.

5.Prędkość światła w ośrodkach przezroczystych

W ośrodkach przezroczystych światło rozchodzi się wolniej niż w próżni, a jego prędkość zależy od rodzaju ośrodka: w wodzie wynosi ok. $225\,000~\mathrm{km/s}$, w szkle ok. $190\,000~\mathrm{km/s}$, a w diamencie ok. $125\,000~\mathrm{km/s}$.

6.Źródło światła

Każde ciało wysyłające (emitujące) promieniowanie widzialne, np. Słońce, gwiazdy, żarówka, płonące ognisko, laser. Najczęściej są to ciała o wysokiej temperaturze. Księżyc i planety nie są źródłami światła - świecą światłem odbitym, które pochodzi ze Słońca.

7.Naturalne i sztuczne źródła światła

Źródła światła dzielimy ze względu na to, czy wytworzył je człowiek. Naturalne powstały bez udziału człowieka, np. Słońce, gwiazdy, błyskawica, a także niektóre organizmy żywe (świetliki, ryby głębinowe). Sztuczne wytworzył człowiek, np. żarówka, laser, świeca.

8.Przenoszenie energii przez światło

Źródła wysyłają światło kosztem innej formy energii: Słońce - energii procesów jądrowych w swoim wnętrzu, a żarówka - energii elektrycznej, która zamienia się w energię wewnętrzną rozżarzonego drucika. Promieniowanie elektromagnetyczne, w tym światło, przenosi energię, np. ze Słońca na Ziemię. Gdy zbliżymy dłoń do świecącej żarówki z włóknem wolframowym, czujemy ciepło: taka żarówka emituje głównie promieniowanie podczerwone (cieplne), a światło to tylko niewielka część jej promieniowania.

9.Rodzaje wiązek światła

Nieosłonięta żarówka świeci we wszystkie strony, a latarka wysyła wiązkę światła. Wyróżniamy wiązki: zbieżną - promienie zbliżają się do siebie i schodzą w jednym miejscu, równoległą - promienie biegną równolegle do siebie, i rozbieżną - promienie oddalają się od siebie.

10.Promień świetlny

Wąska wiązka światła albo linia wyznaczająca kierunek rozchodzenia się światła. Bieg promieni światła widać we mgle i w powietrzu, w którym unosi się dym lub kurz.

11.Ośrodek optyczny

Ośrodek, w którym może rozchodzić się światło. Ośrodek optycznie jednorodny ma w całej objętości jednakowe właściwości fizykochemiczne (m.in. gęstość, temperaturę, przejrzystość), a w ośrodku optycznie niejednorodnym te właściwości są w różnych miejscach różne.

12.Prostoliniowe rozchodzenie się światła

W ośrodku optycznie jednorodnym światło rozchodzi się po liniach prostych. Pokazuje to doświadczenie: do wody w akwarium dodajemy kilka kropel mleka i w zaciemnionym pomieszczeniu kierujemy na nią wąską wiązkę ze wskaźnika laserowego (albo z latarki przez kartonik z małym otworem). W wodzie widać prostą smugę światła. Promienia lasera nigdy nie kierujemy w stronę oczu - grozi to utratą wzroku.

13.Cień

Obszar, do którego światło nie dochodzi z powodu nieprzezroczystej przeszkody znajdującej się na drodze promieni świetlnych. Powstaje dlatego, że światło rozchodzi się prostoliniowo.

14.Półcień

Gdy przedmiot oświetlają dwa źródła światła, półcień jest obszarem, na który pada światło tylko z jednego z nich. Za przedmiotem powstają wtedy: obszar w pełni oświetlony (światło z obu źródeł), półcienie i cień (światło nie dochodzi z żadnego źródła). Widać to, gdy figurkę oświetlimy dwiema lampkami ustawionymi w różnych miejscach.

15.Zaćmienie Słońca

Zachodzi, gdy Księżyc znajdzie się między Słońcem a Ziemią i przesłoni część promieni słonecznych. W obszarze Ziemi, na który pada cień Księżyca, obserwuje się całkowite zaćmienie Słońca, a w obszarze półcienia - zaćmienie częściowe.

16.Zaćmienie Księżyca

Zachodzi, gdy Ziemia znajdzie się między Słońcem a Księżycem. Ziemia przesłania wtedy promienie słoneczne, które nie docierają do Księżyca - Księżyc znajduje się w cieniu Ziemi.

17.Zjawisko odbicia światła

Światło padające na powierzchnię zmienia kierunek i wraca do ośrodka, z którego przybiegło. Dzięki odbiciu widzimy oświetlone przedmioty - do oczu dociera odbite od nich światło - i możemy przejrzeć się w lustrze albo w spokojnej wodzie.

18.Normalna

Prosta prostopadła do powierzchni odbijającej, poprowadzona w punkcie padania promienia. Względem niej mierzy się kąt padania i kąt odbicia.

19.Kąt padania i kąt odbicia

Kąt padania to kąt między promieniem padającym a normalną, a kąt odbicia - kąt między normalną a promieniem odbitym. Oba kąty mierzy się względem normalnej, a nie względem powierzchni odbijającej.

20.Prawo odbicia

Kąt odbicia jest równy kątowi padania: $\alpha = \beta$. Promień padający, promień odbity i normalna leżą w jednej płaszczyźnie.

21.Badanie prawa odbicia (doświadczenie)

Na kartce stawiamy pionowo lusterko i rysujemy prostą prostopadłą do niego. Latarkę zasłaniamy folią aluminiową z wąskim nacięciem i kierujemy promień na lusterko. Kątomierzem mierzymy kąt między promieniem padającym a prostopadłą i kąt między promieniem odbitym a prostopadłą - oba kąty są równe. Promień skierowany prostopadle do lusterka wraca po tej samej prostej.

22.Światełko odblaskowe

Odbija promienie światła w tym samym kierunku, z którego one padają. Światło reflektorów samochodu wraca więc od odblasku roweru w stronę samochodu i kierowca w porę dostrzega rowerzystę. Dlatego odblaski są ważne dla bezpieczeństwa.

23.Zjawisko rozproszenia światła

Zjawisko polegające na tym, że światło rozchodzi się w różnych kierunkach w wyniku odbicia od chropowatej powierzchni albo przy przejściu przez ośrodek przezroczysty z licznymi zawieszonymi drobinami (mgła, woda zabielona mlekiem). Na nierówną powierzchnię promienie padają pod różnymi kątami i każdy odbija się - zgodnie z prawem odbicia - w innym kierunku.

24.Rozproszenie światła na kartce (doświadczenie)

Kierujemy wąską wiązkę latarki (przez nacięcie w folii aluminiowej) na kartkę z bloku albo tekturę: widać jasną plamę, ale nie widać promienia odbitego. Powierzchnia kartki jest chropowata - nierówności widać dopiero w powiększeniu - więc światło odbija się od niej w różnych kierunkach, czyli ulega rozproszeniu. Od gładkiego lustra ta sama wiązka odbija się w jednym kierunku i promień odbity jest widoczny.

25.Rozproszenie światła we mgle i w kinie

Rozproszenie powodują m.in. kurz, pyły i mgła - np. światło reflektorów samochodu rozprasza się na mgle, co najlepiej widać nocą. Materiały dobrze rozpraszające światło są potrzebne np. w kinie: ekran rozprasza światło z projektora we wszystkie strony, więc obraz widzą widzowie w całej sali.

26.Zwierciadło

Gładka powierzchnia, która odbija padające na nią światło. Wykonuje się je, polerując kawałek metalu albo nanosząc bardzo cienką warstwę metalu (najczęściej srebra lub aluminium) na szkło. Ze względu na kształt powierzchni odbijającej wyróżnia się m.in. zwierciadła płaskie (powierzchnia płaska, np. lustro łazienkowe) i sferyczne: wklęsłe i wypukłe.

27.Konstrukcja obrazu w zwierciadle płaskim

Przedmiotem nazywamy ciało, którego obraz konstruujemy. Z punktu przedmiotu P rysujemy co najmniej dwa promienie padające na zwierciadło i odbijamy je zgodnie z prawem odbicia. Promienie odbite przedłużamy za zwierciadło - punkt przecięcia przedłużeń P' to obraz punktu P. Obraz figury otrzymujemy, wyznaczając w ten sposób obrazy jej wierzchołków i łącząc je.

28.Obraz pozorny

Obraz, który powstaje w wyniku przecięcia się przedłużeń promieni odbitych od zwierciadła. Nie można go otrzymać na ekranie. Widzimy go, bo oko i mózg szukają przedmiotu na przedłużeniu promieni wpadających do oka - dlatego obraz w lustrze wydaje się być za lustrem.

29.Obraz rzeczywisty

Obraz, który powstaje w miejscu przecięcia się promieni odbitych od zwierciadła (samych promieni, a nie ich przedłużeń). To, czy powstanie obraz rzeczywisty czy pozorny, zależy od rodzaju zwierciadła i położenia przedmiotu.

30.Cechy obrazu w zwierciadle płaskim

Obraz jest pozorny, prosty (nieodwrócony) i tej samej wielkości co przedmiot. Obraz i przedmiot leżą w jednakowej odległości od zwierciadła, a obraz jest symetryczny do przedmiotu względem zwierciadła (jest jego lustrzanym odbiciem). Sprawdzamy to, oglądając w lustrze przedmioty ustawione w różnej odległości: wielkość obrazu nie zależy od odległości, a obraz nie jest odwrócony.

31.Cechy opisujące obraz

Obrazy tworzone przez zwierciadła opisuje się trzema cechami. Obraz może być: pozorny lub rzeczywisty; prosty albo odwrócony; pomniejszony, powiększony lub tej samej wielkości co przedmiot.

32.Zwierciadło sferyczne wklęsłe i wypukłe

Zwierciadło, którego powierzchnią odbijającą jest część powierzchni kulistej (sfery), wypolerowana i pokryta warstwą odbijającą. W zwierciadle sferycznym wklęsłym światło odbija się od wewnętrznej strony sfery, a w wypukłym - od zewnętrznej.

33.Oś optyczna (oś główna) zwierciadła

Prosta łącząca środek zwierciadła S ze środkiem O sfery, której częścią jest zwierciadło.

34.Środek krzywizny i promień krzywizny zwierciadła

Środek krzywizny O to środek sfery, której częścią jest zwierciadło, a promień krzywizny $r$ to promień tej sfery. Normalna w punkcie padania leży wzdłuż promienia sfery, czyli przechodzi przez O. Prawo odbicia obowiązuje też w zwierciadłach sferycznych: kąt odbicia jest równy kątowi padania.

35.Skupianie promieni słonecznych zwierciadłem wklęsłym

Zwierciadło wklęsłe ustawiamy tak, aby odbite promienie słoneczne padały na watę na patyku, i przesuwamy watę, aż plamka światła będzie najmniejsza. Wata się zapala, bo w tym punkcie skupia się energia odbitych promieni. Doświadczenie wykonuje się tylko przy dorosłym, z miską wody do gaszenia i bez kierowania światła w oczy. W podobny sposób odłamek szkła pozostawiony w lesie może skupić promienie słoneczne i spowodować pożar.

36.Ognisko zwierciadła sferycznego wklęsłego

Punkt F na osi głównej, przez który po odbiciu przechodzą (w przybliżeniu) wszystkie promienie, które przed odbiciem biegły równolegle do osi optycznej.

37.Ogniskowa

Odległość ogniska F od zwierciadła, oznaczana literą $f$. Jej jednostką jest jednostka długości (w układzie SI - metr). W zwierciadle sferycznym ogniskowa jest w przybliżeniu równa połowie promienia krzywizny: $f = \frac{1}{2} \cdot r$. Przybliżenie dotyczy promieni biegnących blisko osi - im dalej od osi biegną promienie równoległe, tym bliżej zwierciadła przecinają oś po odbiciu.

38.Ognisko pozorne zwierciadła sferycznego wypukłego

Punkt na osi głównej za zwierciadłem, w którym przecinają się przedłużenia promieni odbitych, które przed odbiciem biegły równolegle do osi optycznej. Same promienie odbite od zwierciadła wypukłego nie mogą się przeciąć - zawsze tworzą wiązkę rozbieżną.