1. Źródła światła i jego prędkość. Zjawisko powstawania cienia i półcienia

W życiu spotykasz różne źródła światła – Słońce, żarówki i świetlówki, czasem świece i ognisko. Te źródła widzisz – mówimy, że są źródłami światła. Jak to się dzieje, że widzisz różne przedmioty? Ludzi, samochody, budynki? Jak rozchodzi się światło? Czy wszędzie dociera? Aby odpowiedzieć na zadane pytania, czytaj dalej.

R1DLzZaWyXY0e

Fotografia przedstawia zachód Słońca nad brzegiem morza. Dolną połowę kadru zajmuje morze, ze Słońcem odbijającym się w wodzie. Górna część kadru to ciemne, pomarańczowe niebo. Słońce znajduje się nisko nad morzem.

Dlaczego widzimy?

Gdy jest ciemno, nie rozróżniamy barw ani kształtów przedmiotów. Do tego, aby widzieć świat pięknym i kolorowym, potrzebne jest światło.

Abyśmy mogli cokolwiek zobaczyć, światło musi dotrzeć do naszego oka i wywołać wrażenie wzrokowe. Światło to może pochodzić bezpośrednio ze źródła światła. Widzimy także przedmioty, od których światło się odbiło.

Gdy zbliżamy rękę do żarówki, czujemy jej ciepło. W piękny słoneczny dzień, gdy zbyt długo opalamy się na plaży, możemy się poparzyć. Jest to dowód na to, że światło przenosi energię.  Energia ta wykorzystywana jest między innymi przez rośliny w procesie fotosyntezy.

RRbxfBVYmA0aO

Zdjęcie przedstawia dużą ilość zielonych liści na czarnych gałęziach. Liście o owalnym sercowatym kształcie z widocznymi żyłkami.

Energia ta jest także potrzebna do tego, aby wywołać w naszym oku wrażenia wzrokowe – czyli po to, byśmy widzieli.

RBCKTH3rl6ndv

Zdjęcie przedstawia fragment twarzy ludzkiej, dużą część kadru zajmuje oko. Oko przedstawiono jako błyszczącą białą soczewkę wypukłą. Na środku soczewki brązowy okrąg z czarną kropką w środku. Widać czerwone rozgałęzione kreseczki na białej soczewce.

Źródła światła

Mówimy, że niektóre ciała wysyłają (emitują) promieniowanie. Ma ono bardzo zagadkową naturę - jest jednocześnie falą elektromagnetyczną i strumieniem cząstek nazwanych fotonami. Więcej na temat podwójnej natury światła znajdziesz w materiale Foton – najmniejsza porcja energii fali elektromagnetycznejD1GT7rIrYFoton – najmniejsza porcja energii fali elektromagnetycznej

Światło to pewien rodzaj promieniowania, które możemy odbierać zmysłem wzroku. Wszystkie ciała, które emitują światło, nazywać będziemy źródłami światłaźródło światłaźródłami światła.

Znane nam źródła światła możemy podzielić na dwie grupy:

• naturalne źródła światła;

• sztuczne źródła światła.

Do naturalnych źródeł światła należą między innymi:

• gwiazdy, w tym Słońce;

• wyładowania atmosferyczne;

• niektóre organizmy żywe (świetliki).

Sztuczne źródła światła to między innymi:

• żarówki elektryczne,

• rozgrzana stal,

• ognisko,

• świeca,

• diody LED.

Ciekawostka

Pierwotnym źródłem światła, związanym z odkryciem przez człowieka sposobu rozniecania ognia, było palące się drewno (ognisko). Dość szybko nasi przodkowie nauczyli się spalać tłuszcze roślinne i zwierzęce, dzięki czemu wynalezione zostały lampki oliwne.

R1R5vyz1zdTLB

Zdjęcie przedstawia lampę oliwną. Lampa jest w kształcie nieregularnego odkrytego naczynia. W naczyniu widać połyskującą ciecz. W oleju zanurzono knot i podpalono wystający koniec. Tło bardzo ciemne.

Po pewnym czasie człowiek nauczył się wytwarzać świece. Przełomem w technice sztucznego oświetlenia było skonstruowanie lampy naftowej. Dokonał tego w $1853$ roku Polak – Ignacy ŁukasiewiczJan Józef Ignacy ŁukasiewiczIgnacy Łukasiewicz.

Jego wynalazek zrewolucjonizował technikę oświetleniową. Ignacy Łukasiewicz kierował pracą pierwszych na świecie rafinerii ropy naftowej, która wydobywana była na Podkarpaciu, w okolicach Krosna. Gdy pojawiła się pierwsza żarówka, lampę naftową zaczęło stopniowo wypierać oświetlenie elektryczne.

Ciekawostka

Organiczne diody elektroluminescencyjne (OLED).

Nowoczesnym źródłem światła są organiczne diody elektroluminescencyjne, które obecnie wykorzystuje się do produkcji matryc telewizorów. W przeciwieństwie do telewizorów opartych na technologii ciekłych kryształów (LCD) telewizory OLED nie wymagają tylnego podświetlenia matrycy, ponieważ diody organiczne same emitują różnokolorowe światło. Oprócz tego diody te są bardzo elastyczne, co między innymi stwarza możliwość ukrycia rozwijanego mini ekranu np. w długopisie!

RdAtQLyJQOhlV

Zdjęcie przedstawia wystawę, na której przedstawiano różnego typu urządzenia z ekranami wykonanymi w technologii organicznych diod elektroluminescencyjnych (OLED). Większość kadru zajmują urządzenia z wyświetlonymi obrazkami, w tle widać ludzi.

Co nie jest źródłem światła?

Nie wszystkie przedmioty i obiekty, które wydają się świecić, są źródłami światła.

R1J4xdjxmIauF

Zdjęcie przedstawia niebo widziane znad gór. Podczas zmierzchu widać na niebie Księżyc i Wenus. Zarysy gór są czarne. Księżyc i Wenus to białe kropki.

Często przed wschodem lub zaraz po zachodzie Słońca na niebie widoczna jest Wenus. To trzeci pod względem jasności obiekt na niebie (zaraz po Słońcu i Księżycu). Światło Wenus jest czasem tak silne, że przedmioty oświetlone nim rzucają cień. Jednak obiekt ten wcale nie jest źródłem światła! Wenus tak silnie odbija światło słoneczne, że wydaje się, iż jest gwiazdą. W rzeczywistości każda planeta, którą możemy obserwować na niebie, wydaje się świecić własnym światłem – jest to jednak odbite światło słoneczne. Planet nie możemy zaliczyć do źródeł światła, ponieważ nie emitują one światła, a jedynie je odbijają.

RapOQbYJrT7WH

Zdjęcie przedstawia Księżyc na nocnym niebie. Ciało to jest szarą kulą z widocznymi licznymi kraterami. Tło czarne.

Podobnie jest z Księżycem, który podczas pełni bardzo dobrze oświetla otaczający nas krajobraz i przedmioty. Księżyc także nie emituje światła, a jedynie odbija światło słoneczne.

Rozchodzenie się światła

Zastanówmy się teraz, w jaki sposób światło rozchodzi się w przestrzeni. Światło to promieniowanie, które przemieszcza się w próżni z największą możliwą do osiągnięcia w przyrodzie prędkością (prędkością światła), która ma wartość $c\approx 300000\frac{\mathrm{k}\mathrm{m}}{\mathrm{s}}$.
Podstawowe właściwości światła znane już były w starożytności. Grecy na podstawie obserwacji wysnuli wniosek, że światło w ośrodkach jednorodnych rozchodzi się po liniach prostych.

R15FnnT5dwrqx

Film dotyczący prostoliniowego rozchodzenia się światła.

Film dotyczący prostoliniowego rozchodzenia się światła.

Film dostępny pod adresem /preview/resource/R15FnnT5dwrqx

Film dotyczący prostoliniowego rozchodzenia się światła.

Spróbuj przeprowadzić doświadczenie, które potwierdzi to spostrzeżenie.

Doświadczenie 1

Udowodnić prostoliniowe rozchodzenie się światła.

Co będzie potrzebne

• kartonowe pudełko w formacie $\mathrm{A}4$ (bądź zbliżonym);

• kalka techniczna lub papier śniadaniowy (cienki) w formacie $\mathrm{A}4$;

• czarna okleina lub farba;

• nożyczki lub nożyk do tapet;

• gruba igła.

R16lHFundIn5c

Ilustracja przedstawia kolejne kroki wykonania aparatu typu camera obscura. Rysunek z cyfrą jeden przedstawia prostopadłościenne pudełko oraz nożyczki utkwione na wierzchu pudełka. Na wierzchu pudełka widać prostokątną cienką ramkę, która jest torem wycinania otworu. Rysunek z cyfrą dwa przedstawia otwarte prostopadłościenne pudełko, od wewnętrznej strony wycięty otwór jest zaklejony jest arkuszem kalki technicznej -widać granatowy prostokąt. Rysunek z cyfrą trzy przedstawia otwarte prostopadłościenne pudełko, od wewnętrznej strony wycięty otwór jest zaklejony jest arkuszem kalki technicznej - widać granatowy prostokąt. Na tle wnętrza pudełka widać pędzel oraz fragment dna pudełka pomalowany na czarno. Rysunek z cyfrą cztery przedstawia otwarte prostopadłościenne pudełko, od wewnętrznej strony wycięty otwór jest zaklejony jest arkuszem kalki technicznej - widać granatowy prostokąt. Dno pudełka pomalowane jest na czarno i w środku widać białą kropkę. Obok pudełka narysowana pionowa igła. Od dna pudełka do igły narysowano wygiętą strzałkę z grotem w kierunku igły. Rysunek z cyfrą pięć przedstawia zamknięte prostopadłościenne pudełko z zaklejonym taśmą wieczkiem, na którym jest granatowy prostokąt.

Instrukcja

1. Wytnij w wieczku pudełka prostokąt, pozostawiając ok. $5\mathrm{c}\mathrm{m}$ z każdej strony.

2. Od wewnętrznej strony wklej arkusz kalki technicznej.

3. Wnętrze drugiej części pudełka wyklej czarną matową folią samoprzylepną lub pomaluj na czarno.

4. W środku denka pudełka zrób otwór grubą igłą.

5. Nałóż przygotowane wieczko na pudełko i szczelnie je zaklej dookoła.

6. Zwróć pudełko otworem na jakieś źródło światła – co obserwujesz?

Podsumowanie

To, co zbudowaliśmy jest pierwowzorem aparatu fotograficznego. Jest to urządzenie służące do nanoszenia (rzutowania) obrazu trójwymiarowego na powierzchnię płaską, za pomocą którego można obserwować świat. Gdyby w miejscu czarnej powierzchni umieszczono kliszę fotograficzną lub matrycę światłoczułą z aparatu cyfrowego, to obraz ten można byłoby nawet utrwalić. Wykonane przez nas urządzenie, noszące łacińską nazwę camera obscura, działa, wykorzystując zasadę prostoliniowego rozchodzenia się światła.

RlNr64rCoCluL

Film dotyczący rozchodzenia się światła w camera obscura.

Film dotyczący rozchodzenia się światła w camera obscura.

Film dostępny pod adresem /preview/resource/RlNr64rCoCluL

Film dotyczący rozchodzenia się światła w camera obscura.

Promień wychodzący z górnej części żarówki biegnie po linii prostej do otworka w pudełku. Wpada przez otwór do środka i trafia na ekran, tworząc obraz górnej części żarówki na dolnej części ekranu. Podobnie promień wychodzący z dolnej części żarówki biegnie do otworka pudełka i dalej, ku górnej części ekranu. W ten sposób powstaje odwrócony obraz żarówki lub innych przedmiotów.

R8BdpPFJXTCk2

Zdjęcie przedstawia ciemno beżowe chropowate tło, a na nim zarys czarny sylwetki człowieka o nieproporcjonalnie długich nogach stanowiący cień człowieka.

Tam, gdzie znajduje się nieprzezroczysta przeszkoda, zatrzymywane są promienie świetlne i powstaje obszar cieniaobszar cieniaobszar cienia, czyli obszar, do którego nie dochodzą promienie świetlne.

R1bb25aFDMUM8

Ilustracja przedstawia żarówkę, którą oświetlany jest podłużny, prostokątny przedmiot. Światło pada na dłuższą ścianę obiektu, wynikiem czego za przedmiotem powstaje cień w taki sposób, że gdy pociągnąć linie od środka żarówki, przechodzące przez wierzchołki przedmiotu i kawałek dalej, cień mieści się w tak utworzonym trójkącie.

Przypatrz się swojemu cieniowi, gdy oświetla cię światło słoneczne. Czy ma ostre krawędzie? Czy możesz zaobserwować pewien obszar, w którym cień jest „słabszy”, a krawędzie cienia nieostre?
Efekt występowania obszaru „jaśniejszego” cienia nazywamy półcieniempółcieńpółcieniem. W jaki sposób on powstaje?

R141j6qpQPfdN

Ilustracja przedstawia żarówki oświetlające prostokątny przedmiot, wynikiem czego poniżej powstaje cień natomiast po bokach powstaje jaśniejszy cień czyli półcień. Na środku górnej części ilustracji siedem żarówek, rozłożonych równomiernie na jednej linii poziomej. Poniżej, mniej więcej na środku ilustracji, podłużny prostokąt o długości ściany, na którą pada światło, podobnej do odległości między skrajnymi żarówkami. Od żarówek odchodzą po dwie linie, w taki sposób, że każda styka się z którymś z górnych rogów prostokąta i ciągnie dalej, aż do granic obrazka. Pole bezpośrednio pod prostokątem, ograniczone liniami od żarówek skrajnych, ciemnoszare. Po bokach ciemnoszarego prostokąta symetrycznie po sześć szarych trójkątów, ograniczonych liniami poprowadzonymi od punktów na świetlówce – strefy półcienia, coraz jaśniejsze w miarę oddalania się od obszaru bezpośrednio pod klockiem.

Półcień powstaje wtedy, gdy mamy do czynienia z nieprzezroczystym przedmiotem oświetlanym rozciągłym źródłem światłarozciągłe źródło światłarozciągłym źródłem światła. Cień bez półcienia powstaje tylko wówczas, gdy nieprzezroczysty przedmiot oświetlony jest punktowym źródłem światłapunktowe źródło światłapunktowym źródłem światła.

Punktowe źródło światła to takie, którego rozmiary są zdecydowanie mniejsze od odległości od oświetlanego przedmiotu. Na przykład oddalona od nas o tysiące lat świetlnychlata świetlnelat świetlnych gwiazda, mimo swojego ogromnego rozmiaru, może być traktowana jako punktowe źródło światła, ponieważ jej średnica w porównaniu z jej odległością od Ziemi jest bardzo mała.

Gdy mówimy o rozciągłych źródłach światła, mamy na myśli takie źródła, których rozmiary są stosunkowo duże w porównaniu z odległością od oświetlanego przedmiotu. Na przykład Słońce w porównaniu z odległością między nim a Ziemią ma na tyle duże rozmiary, że możemy traktować je jako rozciągłe źródło światła.
Świecąca żarówka elektryczna jest przykładem źródła światła, które możemy w zależności od jej odległości od oświetlanego przedmiotu traktować jako źródło rozciągłe – gdy jest blisko – lub punktowe – jeśli odległość dzieląca ją od oświetlanego przedmiotu jest wystarczająco duża.

Za oświetlonym przedmiotem powstaje cień. Ponieważ rozciągłe źródło światła oświetla przedmiot pod różnymi kątami, część promieni może oświetlić obszar za przedmiotem i tym sposobem powstaje cień nieco jaśniejszy od tego powstałego bezpośrednio za przedmiotem. Ten nieco jaśniejszy cień nazywany jest właśnie półcieniem. Gdy znajdziemy się w obszarze półcienia, widzimy fragment powierzchni źródła światła. Natomiast z obszaru cienia nie jesteśmy w stanie w ogóle zaobserwować źródła. Sytuacja taka występuje podczas zaćmień Słońca. Jeżeli znajdziesz się w stożku cienia Księżyca, to zaobserwujesz zakrytą tarczę Słońca. Jeżeli znajdziesz się w obszarze stożka półcienia Księżyca, to zobaczysz tzw. zaćmienie częściowe – część tarczy Słońca będzie przesłonięta tarczą Księżyca.

Podsumowanie

• Jeżeli światło, które wyszło z jakiegoś źródła światła dotrze do naszego oka i wywoła w nim wrażenie świetlne, to powiemy, że widzimy to ciało. Światło to może pochodzić bezpośrednio z wysyłającego je źródła, ale widzimy również przedmioty, od których światło się odbiło.

• Źródłem światła jest każde ciało emitujące promieniowanie świetlne.

• Znane nam źródła światła możemy podzielić na dwie grupy:

  • naturalne źródła światła (Słońce, gwiazdy, świetliki, niektóre stworzenia morskie, wyładowania atmosferyczne);

  • sztuczne źródła światła (żarówki elektryczne, neony, diody LED, ognisko).

• Źródła światła mogą być punktowe i rozciągłe.

  • O punktowym źródle światła mówimy wtedy, gdy możemy przyjąć, że promienie wychodzą z jednego punktu. Jest tak wtedy, gdy rozmiary źródła światła są wielokrotnie mniejsze od odległości dzielącej to źródło od oświetlanego przedmiotu.

  • Jeżeli rozmiary źródła są większe od oświetlanego przedmiotu (na przykład Słońce oświetlające Ziemię lub Księżyc), to mówimy o rozciągłych źródłach światła.

• Oprócz źródeł światła są jeszcze obiekty, które świecą światłem odbitym. Należą do nich Księżyc i planety, które nie emitują światła, jedynie odbijają światło słoneczne.

• Podczas rozchodzenia się światła występują zjawiska powstawania cienia i półcienia – oba zjawiska są dowodem na to, że światło w ośrodkach jednorodnych rozchodzi się prostoliniowo.

• Obszar, do którego nie dochodzą promienie świetlne, nazywamy cieniem.

• Jeżeli nieprzezroczysty przedmiot jest oświetlany rozciągłym źródłem światła lub gdy przedmiot oświetlany jest kilkoma źródłami punktowymi, to oprócz cienia powstaje obszar półcienia, do którego dociera światło tylko z części źródła światła.

Zadania

Ćwiczenie 4

Pewne nieprzezroczyste ciało, znajdujące się w określonej odległości od ekranu, oświetlono raz żarówką z punktowym żarnikiem, a drugi raz żarówką z żarnikiem rozciągłym. Co można powiedzieć na temat cienia i półcienia rzucanego przez to ciało?

Zaprezentuj graficznie omówione sytuacje.

RLcIub1fB8mt6

Ilustracja przedstawia cienką prostokątną ramkę na białym tle.

Ilustracja przedstawia cienką prostokątną ramkę na białym tle.

Opisz omówione sytuacje.

Rns2de3LISdc8

(Uzupełnij).

Pokaż podpowiedź

Zastanów się, w którym przypadku powstanie sam cień, a kiedy pojawi się także półcień.

Pokaż odpowiedź

RdsfE7E7GAn6z

Na środku górnej części ilustracji żarówka, od której odchodzą w dół dwie linie w taki sposób, że po dotarciu do dolnej linii ilustracji tworzą trójkąt równoramienny z wierzchołkiem w żarówce. Trochę powyżej środka ilustracji, wewnątrz trójkąta, wąski w pionie prostokąt, symbolizujący klocek. Górne wierzchołki prostokąta stykają się z ramionami trójkąta. Poniżej, od mniej więcej połowy wysokości, trójkąt zamalowany na szaro, co symbolizuje cień. Tam, gdzie znajduje się nieprzezroczysta przeszkoda, zatrzymywane są promienie świetlne i powstaje obszar cienia, czyli obszar, do którego nie dochodzą promienie świetlne.

R1Ix6UBDJUBuH

Na środku górnej części ilustracji podłużna w poziomie świetlówka. Poniżej, mniej więcej na środku ilustracji, wąski w pionie prostokąt symbolizujący klocek o długości w poziomie podobnej do długości świetlówki. Od kilku punktów na świetlówce (dla ułatwienia rozważań wybrano punkty na brzegach świetlówki, na jej środku, i symetrycznie względem środka, po dwa punktu z obu jego stron) odchodzą po dwie linie, w taki sposób, że każda styka się z którymś z górnych rogów prostokąta i ciągnie dalej, aż do granic obrazka. Pole bezpośrednio pod prostokątem, ograniczone liniami od punktów na brzegach świetlówki, ciemnoszare. Po bokach ciemnoszarego prostokąta po sześć szarych trójkątów, ograniczonych liniami poprowadzonymi od punktów na świetlówce – strefy półcienia, coraz jaśniejsze w miarę oddalania się od obszaru bezpośrednio pod klockiem. Półcień powstaje wtedy, gdy mamy do czynienia z nieprzezroczystym przedmiotem oświetlanym rozciągłym źródłem światła.

Ćwiczenie 5

Wykonaj rysunek przedstawiający Słońce, Księżyc oraz Ziemię. Słońce jest znacznie większe od Ziemi. Księżyc jest najmniejszy i znajduje się między Słońcem a Ziemią. Zaznacz obszar Ziemi, do którego nie trafiają promienie słoneczne (obszar cienia) oraz obszar, do którego promienie trafiają tylko z części powierzchni Słońca (obszar półcienia). Jakie zjawisko występuje na Ziemi w obszarze cienia i półcienia?

R14fz3UzD1PaA

Ilustracja przedstawia cienką prostokątną ramkę na białym tle. Ramka jest obszarem pokratkowanym.

Ilustracja przedstawia cienką prostokątną ramkę na białym tle. Ramka jest obszarem pokratkowanym.

Opisz jak będzie wyglądać rysunek przedstawiający Słońce, Księżyc oraz Ziemię w jednej linii, gdy Księżyc znajduje się w środku. Słońce jest znacznie większe od Ziemi, Księżyc jest najmniejszy. W którym miejscu znajdzie się obszar Ziemi, do którego nie trafiają promienie słoneczne (obszar cienia) oraz obszar, do którego promienie trafiają tylko z części powierzchni Słońca (obszar półcienia)? Jakie zjawisko występuje na Ziemi w obszarze cienia i półcienia? Zapisz odpowiedź w poniższym polu.

R90qQLxQ2zey2

(Uzupełnij).

Pokaż podpowiedź

Jakim źródłem światła jest Słońce w tym przypadku? Jest ono punktowe czy rzciągłe?

Pokaż odpowiedź

RCc32nKkc1JR3

Na rysunku w jednej linii kolejno: Słońce, Księżyc, Ziemia. Księżyc blokuje część promieni padających ze Słońca na Ziemię, tak więc na Ziemi, na przeciwko Księżyca, widać czarny cień o kształcie półkola, a wokół niego szary półcień, wynikający z tego, że - dla Ziemi - Słońca nie można przybliżyć przez źródło punktowe.

W obszarze cienia widoczne jest całkowite zaćmienie Słońca, a w obszarze półcienia - częściowe zaćmienie Słońca.

Biogramy

Jan Józef Ignacy Łukasiewicz7.01.1882Chorkówka23.03.1822Zaduszniki

Rr0qy7OcGiMet

Ilustracja przedstawia obraz na którym uwieczniony jest Ignacy Łukasiewicz od pasa w górę jako starszy mężczyzna siedzący przy biurku na którym znajduje się w tle sprzęt laboratoryjny.

Jan Józef Ignacy Łukasiewicz

1822.03.23 Zaduszniki – 1882.01.7 Chorkówka

Polski farmaceuta i przedsiębiorca. Wynalazca lampy naftowej. Założył pierwszą na świecie kopalnię ropy naftowej w Bóbrce koło Krosna. Studiował na Uniwersytecie Jagiellońskim, lecz studia ukończył na Uniwersytecie Wiedeńskim.

Słownik