1. Czym jest światło?
Światłem nazywamy te rodzaje fal elektromagnetycznych, na które wrażliwe są nerwy wzrokowe człowieka. Są to fale o częstotliwościach od
4 · 1014 Hz do 7 · 1014 Hz, które stanowią niewielki fragment całego widma promieniowania elektromagnetycznego.
2. Co może być źródłem światła?
Fale świetlne mogą być wysyłane bezpośrednio przez źródła światła, takie jak Słońce, rozżarzone włókna żarówek, płomienie świecy i palnika, świecące gazy w świetlówkach i lasery. Wtórnymi źródłami światła są ciała, które odbijają promieniowanie, takie jak Księżyc, jasne niebo oraz wszystkie przedmioty, które widzimy. Są one dostrzegane właśnie dlatego, że odbijają padające na nie fale świetlne.
W jednorodnych, przezroczystych ośrodkach światło rozchodzi się prostoliniowo. Dowodem na to jest powstawanie cieni, czyli takich obszarów, do których nie docierają promienie światła.
3. Od czego zależy barwa światła?
Światło o różnych częstotliwościach nasze oko odbiera jako światło o różnych barwach. Fale najdłuższe, czyli te, które mają najmniejszą częstotliwość, Twoje oko widzi jako barwę czerwoną. Większe częstotliwości odpowiadają kolejno barwie pomarańczowej, żółtej, zielonej, niebieskiej i fioletowej. To dlatego promieniowanie, którego już nie widzimy, o częstotliwości nieco większej niż barwa fioletowa, nazwano promieniowaniem nadfioletowym, a promieniowanie o częstotliwości nieco mniejszej od światła czerwonego, nazywamy promieniowaniem podczerwonym.
4. Jaka jest zależność między długością fali światła a jej częstotliwością?
Światło, jak każda fala, spełnia podstawową zależność, prawdziwą dla wszystkich rodzajów fal:
Jeśli światło rozchodzi się w próżni, to porusza się z szybkością 300 000 km/s. Jeśli rozchodzi się w przezroczystym ośrodku (szkło, olej, woda), to jego szybkość jest mniejsza na skutek oddziaływania promieniowania z materią. W jednorodnym ośrodku szybkość światła jest stała, to znaczy, że im większa jest częstotliwość fali, tym mniejszą ma ona w tym ośrodku długość.
Skojarz na przykładzie!
Światło niebieskozielone ma w powietrzu długość fali 600 nm. Oblicz, jaka będzie długość fali tego światła w wodzie, jeśli wiadomo, że jest ona równa 75% szybkości światła w powietrzu.
5. Jak odbija się światło?
Gdy światło pada na powierzchnię ciała, to może być przez tę powierzchnię pochłaniane, co powoduje jej ogrzanie. Była o tym mowa
w poprzednim odcinku Fizyki. Od zwykle gładkich i błyszczących powierzchni promienie światła odbijają się, a więc zmieniają kierunek rozchodzenia się, bez zmiany swojej częstotliwości. Prawo, które rządzi tym zjawiskiem, nazywamy prawem odbicia światła.
Kąt odbicia jest równy kątowi padania.
Promień padający, promień odbity oraz prostopadła padania leżą w jednej płaszczyźnie.
Z prawa odbicia wynika, że jeśli promień pada na powierzchnię pod kątem 0˚, czyli prostopadle do powierzchni, to odbija się pod tym samym kątem, czyli biegnie wzdłuż tej samej prostej w przeciwnym kierunku.
Zazwyczaj tylko część promieniowania padającego na gładką powierzchnię ulega odbiciu. Gdy światło pada prostopadle na gładką powierzchnię szkła, to zaledwie 4% promieniowania ulega odbiciu. Pozostała część światła przechodzi do szkła. Jeśli jest to gładka, wypolerowana powierzchnia aluminium lub srebra, to odbija się prawie 90% padającego na nią promieniowania.
6. Kiedy światło się rozprasza?
Rozproszenie światła obserwujemy wtedy, gdy powierzchnia, na którą pada światło, jest nierówna i chropowata. Promienie odbite od takiej powierzchni, rozchodzą się wówczas w różnych kierunkach, czyli wiązka światła ulega rozproszeniu (rys. 2). Dzięki temu wiele osób, z różnych miejsc pokoju, może zobaczyć ścianę, oświetloną żarówką.
Skojarz na przykładzie!
Światłem rozproszonym jest światło odbijające się od białej kartki papieru. Kartka zawiera bowiem miliony małych nierówności ustawionych pod różnymi kątami. Światło odbija się we wszystkie strony, dlatego kartka jest widoczna z różnych stron i z różnych miejsc. Większość obiektów w naszym otoczeniu jest widoczna tylko dzięki odbiciu rozproszonemu.
7. Kiedy światło się załamuje?
Jeśli światło przechodzi z jednego ośrodka przezroczystego do drugiego, to szybkość ulega zmianie. Przy zmianie szybkości promienie zmieniają swój kierunek, czyli się załamują. To, pod jakim kątem załamuje się promień światła, określa prawo załamania światła.
Stosunek sinusa kąta padania do sinusa kata załamania jest dla dwóch ośrodków wielkością stałą. Jest on równy stosunkowi szybkości światła w tych ośrodkach.
Kąt załamania światła zależy od tego, czy światło przechodząc do innego ośrodka, zwiększa czy zmniejsza swoją szybkość. Jeśli po przejściu granicy ośrodków szybkość światła jest mniejsza, to promień załamuje się „do prostopadłej”. Jeśli szybkość wzrasta, to promień załamuje się „od prostopadłej padania” (rys. 4).
Skojarz na przykładzie!
Załamywanie się promieni świetlnych jest przyczyną wielu złudzeń obserwowanych w codziennym życiu. Spoglądając nad powierzchnią wody na zatopiony przedmiot, zawsze widzimy go wyżej niż jest on w rzeczywistości. Nasze oczy widzą tylko promienie, które docierają do nich prostoliniowo. I dlatego obraz „wyobrażamy” sobie w innym miejscu (rys. 5). Podobne złudzenie występuje, gdy popatrzymy z boku na łyżeczkę zanurzoną szklance z wodą. Część zanurzoną widzimy wówczas w innym miejscu, niż jest ona w rzeczywistości.
8. Co to jest całkowite wewnętrzne odbicie?
Takie zjawisko zachodzi na granicy dwóch przezroczystych ośrodków, gdy kąt padania jest tak duży, że odpowiadający mu kąt załamania jest większy od kąta prostego. Wówczas światło nie wychodzi poza ośrodek, ulegając odbiciu z powrotem do jego wnętrza. Na przykład gdy promień światła przechodzi przez granicę woda – powietrze, to kąt graniczny wynosi 48°.
Skojarz na przykładzie!
Zjawisko całkowitego wewnętrznego odbicia można wykorzystać do zmiany kierunku rozchodzących się promieni światła. Kąt graniczny dla szkła, otoczonego przez powietrze, wynosi 43°. Oznacza to, że każdy promień światła, padający wewnątrz szkła na jego powierzchnię pod kątem większym od 43°, ulega odbiciu i nie przechodzi do powietrza. Wykorzystujemy do tego szklane pryzmaty, które w różnych przyrządach optycznych (lornetkach, teleskopach), zmieniają kierunek biegu promieni światła.
Całkowite wewnętrzne odbicie zachodzi również w światłowodach powszechnie stosowanych do przekazywania informacji na dalekie odległości. Takie bardzo wąskie, szklane wiązki używane są do podglądania najbardziej niedostępnych miejsc, na przykład we wnętrzu ludzkiego ciała. Promienie światła odbijają się od ich wewnętrznych ścianek i biegną wzdłuż załamań i skrętów włókien.
9. W jakich warunkach zachodzi rozszczepienie światła?
Jeśli światło białe pada na granicę dwóch ośrodków przezroczystych, to po przejściu do drugiego ośrodka rozszczepia się na wszystkie barwy, z których się składa. Dzieje się tak dlatego, że prędkość światła zależy nie tylko od rodzaju ośrodka, ale również od częstotliwości padającego promieniowania. Światło białe jest złożeniem światła wielu barw, dlatego też każdy z promieni załamuje się pod nieco innym kątem.
Skojarz na przykładzie!
Przykładem rozszczepienia światła w przyrodzie jest powstawanie tęczy. Widzisz ją wówczas, gdy stoisz plecami do słońca, a chmurę, pełną kropelek wody, masz przed sobą. Wówczas obserwujesz kolorowy łuk, który jest wynikiem rozszczepienia światła w milionach kropelek wody zawieszonych w powietrzu.