Spośród pięciu ważnych dla człowieka zmysłów najwięcej informacji pozyskujemy poprzez wzrok. Widzieć możemy tylko dlatego, że trafia nam do oczu światło. Rozpoczynamy zatem badanie zjawisk świetlnych, czyli optycznych (z grec. optik - widzenie lub wzrok), związanych ze światłem.
Obserwujemy zjawiska optyczne
Ze zjawiskami optycznymi spotykamy się na co dzień, są one częścią warunków naturalnych, w których żyjemy.
Niektóre ze zjawisk są dla nas cudem, na przykład fata morgana na pustyni, zorza polarna. Jednak są i bardziej „zwyczajne” dla nas zjawiska: błysk kropelki rosy w promieniach słonecznym, ścieżka księżycowa, tęcza o siedmiu barwach po deszczu, błyskawica w chmurach, migotanie gwiazd na nocnym niebie - to też są cuda, ponieważ powodują, że otaczający nas świat staje się piękniejszy.
Wyjaśnijmy, czym są źródła światła
Źródła światła - to ciała fizyczne, cząstki (atomy, cząsteczki, jony) których wydzielają światło.
Popatrz wokół siebie, zwróć się do własnego doświadczenia - bez wątpienia wymienisz wielu źródeł światła: gwiazda, błysk błyskawicy, płomień świecy, żarówka, monitor komputera (patrz na przykład rys. 9.1). Światło wydzielają niektóre organizmy żywe (robaczki świętojańskie - jasne kropki światła, które można zobaczyć w trawie ciepłą letnią nocą, niektóre zwierzęta morskie, radiolarie i inne).
W jasną księżycową noc dość dobrze widzimy przedmioty, oświetlone światłem Księżyca. Jednak nie możemy uważać Księżyc za źródło światła, nie promieniuje on, a tylko odbija światło słoneczne.
Czy możemy uważać za źródło światła zwierciadło, za pomocą którego puszczasz “słoneczne zajączki”? Odpowiedź uzasadnij.
Rozróżniamy źródła światła
W zależności od pochodzenia rozróżniamy źródła światła naturalne i sztuczne (stworzone przez człowieka).
Do naturalnych źródeł światła należą, na przykład Słońce i gwiazdy, rozżarzona lawa i zorze polarne, niektóre obiekty świetlne spośród zwierząt i roślin (ośmiornica, bakterie, robaczki świętojańskie).
By zaopatrzyć człowieka w światło, naturalnych źródeł nie wystarcza. Dlatego człowiek zaczął stwarzać sztuczne źródła światła. Najpierw to był ogień, później -świece i lampa naftowa; w końcu XIX w. wynaleziono żarówkę elektryczną. Obecnie są stosowane różne rodzaje żarówek (rys. 9.2, 9.3).
Jakie rodzaje żarówek elektrycznych są wykorzystywane w mieszkaniach budynków? Jakie żarówki są wykorzystywane do różnobarwnego oświetlenia?
Źródła światła podzielamy na cieplne i lumi-nescencyjne.
Źródła cieplne wydzielają światło dzięki temu, że mają wysoką temperaturę (rys. 9.4).
Do świecenia luminescencyjnych źródeł światła wysoka temperatura nie jest potrzebna: promieniowanie będzie bardzo silne, a źródło przy tym pozostaje zimne. Przykładami luminescencyjnych źródeł światła są zorza polarna i morski plankton, ekran telefonu i czujnik światła, pokryty farbą luminescencyjną, znak drogowy i in.
Badamy punktowe i ciągłe źródła światła
Źródło światła, które promieniuje światło we wszystkich kierunkach jednakowo i rozmiarów którego, uwzględniając odległość do miejsca obserwacji, nie uwzględniamy, nazywamy punktowym źródłem światła.
Najlepszym przykładem punktowych źródeł światła są gwiazdy, przecież widzimy je z Ziemi, czyli z odległości miliony razy większej od rozmiarów gwiazd.
Źródła światła, które nie są punktowe, nazywamy ciągłymi źródłami światła.
W większości przypadków widzimy źródła ciągłe. Są to świetlówki, ekran komórki, płomień świecy, ogień ogniska.
W zależności od warunków, to samo źródło można uznać za zarówno ciągłe, jak i punktowe.
Na rys. 9.5 przedstawiono lampę do oświetlenia ogrodu. W jakim przypadku będzie on punktowym źródłem światła?
Rozróżniamy źródła światła
Odbiorniki światła - są to urządzenia, które zmieniają swoje właściwości poprzez działanie światła i za pomocą których można zobaczyć promieniowanie świetlne.
Odbiorniki mogą być sztuczne i naturalne. W dowolnym odbiorniku energia świetlna promieniowania świetlnego przemienia się w inne rodzaje energii - cieplną, powstającą podczas ogrzewania ciał, które pochłaniają światło, chemiczną i mechaniczną. Na skutek takich przemian odbiorniki w określony sposób reagują na światło łub jego zmianę.
Na przykład niektóre systemy alarmowe pracują na fotoełektrycznych odbiornikach światła - fotokomórkach. Cienkie wiązki światła, przenikające przestrzeń wokół obiektu, są skierowane na fotokomórki (rys. 9.6). Gdy jeden z promieni zostanie przekroczony, fotokomórka nie otrzyma energii świetlnej i natychmiast „zawiadomi” o tym.
W bateriach słonecznych fotokomórki przemieniają energię światła na energię elektryczną. Współczesne elektrownie słoneczne — to wielkie „pola energetyczne” złożone z baterii słonecznych.
Do wywoływania zdjęć przez dłuższy czas stosowano tylko odbiorniki fotochemiczne światła (błonę i papier fotograficzny), w których, w wyniku działania światła, zachodzą reakcje chemiczne (rys. 9.7).
We współczesnych aparatach cyfrowych zamiast błony stosowany jest blok, składający się z dużej ilości fotokomórek. Każda z nich przyjmuje „swoją” część strumienia świetlnego, przekształca go na sygnał elektryczny i przekazuje w wyznaczone miejsce ekranu.
Naturalnymi odbiornikami światła są oczy istot żywych (rys. 9.8). Pod działaniem światła w siatkówce oka zachodzą reakcje chemiczne, powstają impulsy nerwowe, na skutek czego mózg kształtuje wyobrażenie o środowisku otaczającym.
Od najbliższej do nas gwiazdy Alfa Centauri światło idzie do Ziemi około 4 lata. Dlatego, patrząc na gwiazdę, w rzeczywistości widzimy, jaką ona była 4 lata temu.
Jednak istnieją galaktyki, znajdujące się od nas w odległości milionów lat świetlnych (czyli światło dochodzi do nich przez miliony lat). Wyobraź sobie, że w takiej galaktyce istnieje cywilizacja wysokorozwinięta. Wtedy wygląda na to, że „widzą” oni naszą planetę jeszcze za czasów dinozaurów!
Dowiadujemy się o prędkości rozchodzenia się światła
Patrząc się na gwieździste niebo, nawet nie zastanawiasz się, że niektóre gwiazdy już nie świecą. I nasi przodkowie też patrzyli na te same gwiazdy, lecz tych gwiazd już nie było! Jak to jest możliwe, jeżeli światło gwiazdy jest, a samej gwiazdy nie ma?
Dzieje się tak dlatego, że światło rozchodzi się w przestrzeni ze skończoną prędkością. Prędkość c rozchodzenia się światła jest olbrzymia, w próżni wynosi ona około trzysta tysięcy kilometrów na sekundę:
Światło pokonuje wielokilometrowe odległości w ciągu tysięcznej części sekundy. Właśnie dlatego, gdy odległość od odbiornika do źródła światła jest mała, wydaje się, że światło rozchodzi się natychmiast. A od dalekich gwiazd światło dochodzi do nas w ciągu tysięcy i milionów lat.
* Podczas rozwiązywania zadań będziemy stosować przybliżoną wartość prędkości rozchodzenia się światła w próżni:
Podsumowanie
Ciała fizyczne, atomy i cząsteczki których promieniują światło, nazywamy źródłami światła. Źródła światła dzielimy na cieplne i luminescencyjne; naturalne i sztuczne; punktowe i ciągłe. Na przykład zorza polarna jest naturalnym ciągłym łuminescencyjnym źródłem światła.
Urządzenia, które zmieniają swoje parametry na skutek działania światła, i za pomocą których można wykryć promieniowanie świetlne, nazywamy odbiornikami światła. W odbiornikach światła energia promieniowania świetlnego przemienia się w inne rodzaje energii. Narządy wzroku istot żywych są naturalnymi odbiornikami światła.
Światło rozchodzi się w przestrzeni ze skończoną prędkością. Prędkość rozchodzenia się światła w próżni wynosi w przybliżeniu: c = 3 108 m/s.
Pytania kontrolne --------------- ------
1. Czym jest światło dla człowieka? 2. Podaj definicję źródła światła. Jakie znasz źródła światła? 3. Czy Księżyc jest źródłem światła? Odpowiedź uzasadnij. 4. Podaj przykłady naturalnych i sztucznych źródeł światła. 5. Czym są podobne cieplne i luminescencyjne źródła światła? Czym różnią się? 6. Jakie źródło światła nazywamy punktowym? 7. Jakie urządzenia nazywamy odbiornikami światła? Podaj przykłady naturalnych i sztucznych odbiorników światła. 8. Z jaką prędkością rozchodzi się światło w próżni?
Ćwiczenie nr 9
1. Ustal zgodność pomiędzy źródłem światła (patrz rysunek) a jego rodzajem.
A naturalne cieplne B sztuczne cieplne C naturalne luminescencyjne D sztuczne luminescencyjne
2. W każdym z łańcuszków słów znajdź „zbędne” słowo lub kilka słów.
a) płomień świecy, Słońce, gwiazda, Księżyc, lampa LED;
b) ekran włączonego komputera, błyskawica, żarówka, pochodnia;
c) świetlówka, płomień palnika gazowego, ognisko, radiolaria.
3. Za jaki czas światło pokonuje odległość od Słońca do Ziemi — 150 min km? W których z podanych sytuacji traktujemy Słońce jako punktowe źródło światła?
a) obserwacja zaćmienia Słońca;
b) obserwacja Słońca ze statku kosmicznego, lecącego poza granicami Układu Słonecznego?
c) obliczanie czasu za pomocą zegara słonecznego.
5. Jedną z jednostek, stosowanych w astronomii, jest rok świetlny. Ilu metrom równa się rok świetlny, jeżeli równa się odległości, którą pokonuje światło w próżni w ciągu jednego roku?
6. Za pomocą dodatkowych źródeł informacji dowiedz się, kto pierwszy zmierzył prędkość rozchodzenia się światła.
Źródło: Fizyka podręcznik dla klasy 9 Barjachtar