Světelné jevy a jejich využití Co už víme o světle

Zapiš si!

(Učebnice strana 101 – 103)Řecký matematik Euklides (3. století př.n.l.) se zajímal i o světelné jevy.Domníval se, že světlo se šíří z očí, protože při jejich zavření je tma.Kdyby tomu tak opravdu bylo, dokázali bychom si očima posvítit i v noci.Pokud máme zdravé oči, vidíme ty předměty, z kterých do našeho oka přichází světlo.

Předmět může být sám zdrojem světla (např. hvězdy, oheň, vlákno žárovky) nebo do našeho oka odráží světlo z jiných zdrojů (např. Měsíc).Vidíme jen ty předměty, z kterých přichází do našeho oka světlo. Tělesa světlo vyzařují (světelné zdroje), odrážejí (osvětlená tělesa) nebo světlo pohlcují.

Ve zdrojích světla vzniká světlo různými procesy.Svítí tělesa rozžhavená na vysokou teplotu

Slunce, vlákno žárovky, plamen svíčky, oheň…

Svítí i tělesa nerozžhavená biologické zdroje – světlušky,

někteří mořští živočichové (např. ďas mořský)

elektrické zdroje – výbojky, zářivky, laser…

Druhotným zdrojem světla je Měsíc, planety, komety – svítí světlem odraženým

Zdroj světla je těleso, v němž vzniká světlo, které je z něj vyzařováno do okolí.

Světelný zdroj, jehož rozměry jsou zanedbatelné vzhledem ke vzdálenosti, ze které jej pozorujeme, nazýváme bodový zdroj světla

Světlo pouliční lampy, majáku, hvězdy, laserové ukazovátko,..

Světelný zdroj, jehož rozměry nelze zanedbat nazýváme plošný zdroj světla

Slunce, zářivka,…

Nikdy se nedívej do Slunce přímo!Sluneční světlo je tak silné, že by mohlo vážně poškodit zrak!

Paprsky světla se na rozhraní optických prostředí mohou:

− odrážet – zrcadla, lesklé a světlé plochy

− lámat a procházet průhledným nebo průsvitným prostředím

− pohlcovat látkou – tmavé a matné plochy, světelná energie se mění na tepelnou

Zapálíme svíčku.Je-li mezi svíčkou a naším okem vzduch, čirá skleněná tabule, plexisklo nebo tenká vrstva vody, vidíme svíčku velice dobře. Tato prostředí, kterými světlo prochází velice dobře a téměř se nepohlcuje, jsou průhledná.Díváme-li se na plemen svíčky přes mléčné sklo, mlhu, tenký papír, vidíme světlo, ale obtížně rozeznáme, že vychází ze svíčky. Tato prostředí, která světlo propouštějí, ale rozptylují do různých směrů, jsou průsvitná.Je-li mezi svíčkou a naším okem dřevěná deska, plech, mycí houba a podobné předměty, nevidíme svíčku vůbec, tyto látky světlo pohltí.Tato prostředí jsou neprůhledná.

Prostředí, kterým se světlo šíří, je průhledné nebo průsvitné. Neprůhledné prostředí světlo pohlcuje.Prostředí, kterým se světlo šíří, nazýváme optické prostředí.

Při bouřce vidíme nejdříve záblesk a až za několik sekund po záblesku slyšíme zahřmění. Světlo se k nám dostává téměř okamžitě, jeho rychlost je veliká, rychlost zvuku je menší (340 m/s).Rychlost světla je fyzikální veličina, značí se c.

Velikost rychlosti světla byla zjištěna měřením.

Světlo se šíří ve vakuu rychlostí c = 300 000 km/s. V ostatních průhledných prostředích je rychlost světla menší než ve vakuu. Ve vzduchu je téměř stejně velká jako ve vakuu.

Vakuum, vzduch 300 000 km/sLed 229 000 km/sVoda 225 000 km/sSklo 200 000 km/sDiamant 124 000 km/sI v průhledném prostředí, jakým je vzduch, se světlo nepatrně rozptyluje. Proto před východem Slunce, i po jeho západě není úplná tma

Prochází-li světlo čistým vzduchem, nevidíme je. Když svítí Slunce oknem do místnosti, kde je hodně prachu, nebo v lese při lehkém mlžném oparu či mezi mraky, vidíme sluneční paprsky jako světlé přímé „svítící čáry“.Světelné paprsky „vidíme“ jen tehdy, když se procházející světlo odráží např. na částečkách prachu, kouře nebo mlhy a pak přichází do našeho oka.

Pokus: Za žárovku umístíme clonu s kruhovým otvorem a za ni stínítko nebo list papíru.

Na stínítku se zobrazí světelný kruh jako stopa dopadajícího světla.

Oddálíme-li stínítko, světelný kruh se zvětšuje.

Pokud bychom zvýraznili paprsky např. kouřovými nebo prachovými částicemi, viděli bychom, že kolem žárovky se šíří světlo všemi směry a za clonou vzniká světelný svazek paprsků.

Když otvor clony zmenšujeme, zmenšuje se i světelná stopa a světelný svazek se zužuje.

Velmi úzký světelný svazek se nazývá světelný paprsek.

Ve stejnorodém optickém prostředí se světlo šíří přímočaře.

Pokus: Několik stejných těles umístíme na jedné přímce. Při pohledu po této přímce se tělesa překrývají.

Tohoto jevu se využívá v zeměměřičství, stavebnictví a při zaměřování střelby.

Světelný paprsek se šíří přímočaře. Pokud nejsou kruhové otvory v téže přímce, světlo na stínítko nedopadá.

Plamen svíčky se na stínítku za otvorem zobrazí převráceně, protože paprsky se šíří přímočaře.

Slunce je zdrojem světla, proto vždy vidíme na obloze celý kotouč.Země a Měsíc svítí pouze světlem odraženým od Slunce. Slunce ale osvětluje jen polovinu Měsíce, která je k němu natočená.

Měsíc obíhá kolem Země téměř po kruhové dráze. Jednou oběhne okolo Země za 27 1/3 dne. Při jednom oběhu Měsíce okolo Země můžeme ze Země pozorovat Měsíc v různých měsíčních fázích, pozorujeme většinou jen část osvětlené poloviny Měsíce.

Měsíční fáze:

slu

nečn

í sv

ětl

o

Je-li Měsíc mezi Sluncem a Zemí, je obrácený k Zemi neosvětlenou polovinou svého povrchu. Měsíc tedy ze Země nevidíme.

nov

V dalších dnech můžeme pozorovat zvětšující se část osvětlené části Měsíce, která má tvar písmene D, říkáme že Měsíc „dorůstá“.

Měsíc „dorůstá“

=

Asi za týden můžeme pozorovat polovinu osvětlené části Měsíce obrácené k Zemi. Měsíc je v první čtvrti.

Ze Země pozorujeme stále se zvětšující osvětlenou část Měsíce

Měsíc oběhne polovinu své dráhy okolo Země, v této poloze pozorujeme ze Země celou osvětlenou část povrchu Měsíce obrácenou k Zemi. Měsíc je v úplňku.

úplněk

V dalších dnech můžeme pozorovat zmenšující se část osvětlené části Měsíce, která má tvar písmene C. Říkáme, že Měsíc „couvá“.

Asi za týden můžeme pozorovat polovinu osvětlené části Měsíce obrácené k Zemi. Měsíc je v poslední čtvrti.

Měsíc „couvá“

nov

Osvětlenou část Měsíce se stále zmenšuje.

Měsíc se dostává zpět do polohy , je v novu.

Umístíme-li kruhový kotouč mezi svíčku (bodový zdroj) a stínítko, světlo dopadá jen na část povrchu kotouče, která je obrácená ke zdroji. Do prostoru za kotoučem světlo neproniká, Vzniká tam temný prostor, který nazýváme plný stín.Osvětlíme-li kruhový kotouč dvěma svíčkami (bodovými zdroji), vržené stíny se částečně překrývají. V prostoru, kam nevniká žádné světlo, vzniká plný stín. Prostor, který je osvětlen jen z některého zdroje, se nazývá polostín.

plný stín polostín

Osvětlíme-li kruhový kotouč plošným zdrojem (např. žárovka s baňkou z mléčného skla), Plný stín vržený tělesem přechází za stínítkem pozvolna v polostín nebo vzniká neostrý stín.Tento jev je charakteristický pro plošné zdroje světla.

V důsledku přímočarého šíření světla vzniká za neprůhlednými tělesy stín. Je to místo, kam světlo neproniká.

Při osvětlení více bodovými zdroji nebo plošným zdrojem vzniká za neprůhlednými tělesy i polostín – místo, kam světlo proniká částečně.

Slunce jako plošný zdroj osvětluje Zemi. Za Zemí vzniká stín, který postupně přechází v polostín. Dostane-li se Měsíc na své oběžné dráze do prostoru stínu Země, pro pozorovatele na Zemi nastane zatmění Měsíce. Je-li celý Měsíc v úplném stínu Země, můžeme pozorovat úplné zatmění Měsíce. Je-li v úplném stínu Země jen část Měsíce, můžeme pozorovat částečné zatmění Měsíce.

Zatmění Měsíce

Zatmění Měsíce – 28. 10. 2004

Měsíc obíhá kolem Země po kruhové dráze.

plný stín

polostín

Je-li celý Měsíc v úplném stínu Země, můžeme pozorovat úplné zatmění Měsíce. Je-li v úplném stínu Země jen část Měsíce,

můžeme pozorovat částečné zatmění Měsíce.

Poměry rozměrů a vzdáleností těles neodpovídají skutečnosti!

Zatmění Slunce

V místech na povrchu Země, kam nedopadají žádné paprsky ze Slunce, pozorujeme ze Země úplné zatmění Slunce. V místech, kam dopadají paprsky jen z části Slunce, pozorujeme částečné zatmění Slunce.

plný stínpolostín

Také za Měsícem vzniká stín, který postupně přechází v polostín. Měsíc se na své dráze okolo Země dostane do takové polohy, že jeho vržený stín dopadá na povrch Země.

Zatmění Slunce – Turecko, Manavgat 29. 3. 2006 Poměry rozměrů a vzdáleností těles neodpovídají skutečnosti!

Otázky a úlohy k opakování – učebnice strana 160.

průměr Slunce je přibližně 1 400 000 km

průměr Země je 12 756 km průměr Měsíce je 3 480km

vzdálenost Země – Měsíc 384 000 km

vzdálenost Země – Slunce 150 000 000 km

Poměry rozměrů a vzdáleností Slunce, Země a Měsíce neodpovídají skutečnosti. Kdybychom chtěli zachovat správné poměry, musel by průměr Slunce být zobrazen zhruba 100krát větší než průměr Země, průměr Měsíce přibližně 4krát menší než Země.

Slunce je ve skutečnosti mnohonásobně větší než Země a ve velké vzdálenosti od Země, proto ve většině zkoumání můžeme považovat v daném místě na Zemi svazky slunečních paprsků za prakticky rovnoběžné.

Dopadá-li světlo na těleso, část světla se od povrchu odrazí (vrací se zpět), část se v tělese pohlcuje a část tělesem prochází.Plochy, které dobře odrážejí světlo se nazývají zrcadla. Přírodním zrcadlem je např. klidná hladina studánky, jezera, rybníku.

Nejjednodušším zrcadlem je rovinné zrcadlo.

Velmi dobrým zrcadlem jsou dokonale vybroušené a vyleštěné kovové desky. Pro běžné účely se používá levnější skleněné zrcadlo. Vyrábí se tak, že se sklo pokryje tenkou vrstvou kovu, která dobře odráží světlo.

zrcadlo dopadající paprsek

odražený paprsekkolmice

dopadu

α α'

Kolmici sestrojenou v bodě dopadu paprsku na zrcadlo nazýváme kolmice dopadu k.

Na zrcadlo dopadá světelný paprsek.

k Dopadající paprsek svírá s kolmicí dopadu úhel dopadu α. Odražený paprsek leží v rovině dopadu a svírá s kolmicí dopadu úhel odrazu α'.

Pro velikosti úhlů platí: α = α'.

Zákon odrazu:Úhel odrazu α' se rovná úhlu dopadu α. Odražený paprsek leží v rovině dopadu.

Dopadá-li paprsek pod jiným úhlem α, odráží se pod stejně velkým úhlem α'. Dopadá-li paprsek na zrcadlo kolmo, tedy pod úhlem 0°, odráží se zpět pod úhlem 0°.

Dopadá-li na rovinné rozhraní rovnoběžný svazek paprsků, mají všechny paprsky stejný úhel dopadu, odráží se pod stejným úhlem, proto vznikne opět rovnoběžný svazek paprsků.

Svazek paprsků dopadá na jedno zrcadlo a odráží se, dopadá na druhé zrcadlo a podle zákona odrazu se odráží pod stejným úhlem, pod jakým dopadl. Odražené paprsky jsou rovnoběžné, ale změnil se jejich směr.

Použijeme dvě zrcadla:

α90°- α 90°

α90°- α

Použijeme-li dvě na sebe kolmá zrcadla, potom pro úhly mezi paprsky a zrcadly platí:

α

90°- α

dopadají-li paprsky na jedno zrcadlo pod úhlem α, potom se paprsky od druhého zrcadla odráží pod úhlem 90° – α. Paprsky se odrazí rovnoběžně s původním směrem. Přitom nezáleží na velikosti úhlu, pod jakým svazek dopadne na jedno zrcadlo.

Umístíme-li kolmo ke dvěma zrcadlům třetí, takto vzniklý kout zachytí světelné paprsky z libovolného směru a odrazí je do směru, odkud přišly – princip odrazky.

Odrazu světla se využívá například u periskopu.

Dopadá-li rovnoběžný svazek paprsků na nerovný povrch (např. papír, stěnu, matné sklo), odráží se světlo do všech směrů, nastává rozptyl světla.

Sluneční světlo se rozptyluje na částečkách prachu ve vzduchu, na kapkách vody, na stěnách budov apod. Rozptyl světla umožňuje vidět ve dne i ty předměty, které nejsou přímo osvětleny sluncem. Rozptylu světla se využívá při osvětlení pracovních ploch, v obrazových galeriích apod. Světlo se z osvětlovacího tělesa rozptyluje na stropu nebo stěně místnosti, nevytváří ostře ohraničené stíny, neoslňuje, méně škodí očím.

Jak vzniká obraz v rovinném zrcadle?

Předmět, který chceme v zrcadle pozorovat, musí být zdrojem světla nebo osvětlen. Od osvětleného předmětu se světlo odráží a dopadá na plochu zrcadla.

Před zrcadlo v tmavé místnosti umístíme malou žárovku, kterou můžeme považovat za bodový zdroj světla.

Ze svítícího bodu se světlo šíří všemi směry a dopadá na celou plochu zrcadla. Všechny dopadající paprsky se odrážejí od rovinného zrcadla podle zákona odrazu.Odražené světlo tvoří rozbíhavý světelný svazek, jako by paprsky vycházely z jednoho bodu za zrcadlem.

Ve skutečnosti paprsky za zrcadlo nemohou proniknout, tento bod je zdánlivým obrazem svítícího bodu, který je před zrcadlem.

Část světla odraženého od zrcadla vniká do oka pozorovatele, který vnímá svítící bod ve směru přicházejících paprsků, obraz vidí v zrcadle.

Jak vzniká obraz v rovinném zrcadle?

Světlo se od osvětleného předmětu odráží a dopadá na plochu zrcadla.Paprsky se od zrcadla odráží podle zákona odrazu. Odražené paprsky vstoupí do našeho oka.

Oko vnímá tyto odražené paprsky jako by vycházely z bodů za zrcadlem. Zdá se nám, že předmět je za zrcadlem.

Ve skutečnosti světlo za zrcadlo nepronikne. Proto říkáme, že obraz předmětu je zdánlivý. Pravá ruka se v zrcadle zobrazí jako levá. Říkáme, že obraz je stranově převrácený.Předmět i obraz jsou stejně velké a jsou od zrcadla stejně vzdáleny.Předmět i obraz jsou osově souměrné podle roviny zrcadla.

Obraz v rovinném zrcadle je zdánlivý, stejně velký jako předmět a je stranově převrácený. Předmět a jeho obraz jsou souměrně sdružené podle roviny zrcadla.

o

Zrcadla nemusí být jen rovinná.

Pokud jste navštívili v Praze na Petříně zrcadlové bludiště, po průchodu bludištěm s množstvím rovinných zrcadel se dostanete do síně smíchu.

Tam vás určitě pobaví obrazy různě deformované, zmenšené či zvětšené části vaší postavy či tváře.Byly vytvořeny zrcadly s nerovnou plochou, tzv. křivými zrcadly.

Vyleštěná kovová plocha zrcadla nemusí být vždy rovinná. Mají-li tvar části kulové plochy, mluvíme o kulových zrcadlech.

Podle toho, zda je k zrcadlení použit vnitřní nebo vnější povrch kulové plochy, rozdělujeme zrcadla na dutá a vypuklá.

vypuklé zrcadlo duté zrcadlo

Vypuklé kulové zrcadlo odráží světelné paprsky od části vnějšího povrchu kulové plochy, duté kulové zrcadlo odráží světelné paprsky od vnitřního povrchu kulové plochy.

Pro jednoduchost budeme znázorňovat pouze řez kulovým zrcadlem. Pro odraz paprsků na kulovém zrcadle platí také zákon odrazu. Kolmicí dopadu je pro každý bod na zrcadle spojnice tohoto bodu se středem kulové plochy, jejíž částí je zrcadlo.

Na kulová zrcadla necháme dopadat rovnoběžný svazek paprsků. Takovým svazkem je sluneční záření.

Střed kulové plochy S nazýváme střed křivosti zrcadla. Přímka o, která spojuje střed křivosti se zrcadlem, se nazývá optická osa zrcadla. Bod, kde protíná optická osa zrcadlo, nazýváme vrchol zrcadla V.

Duté zrcadlo

oV

Pro odraz paprsků na kulovém zrcadle platí zákon odrazu.Paprsek dopadající pod nulovým úhlem se odráží zpět. Paprsky rovnoběžné s optickou osou dopadající na duté zrcadlo se odrážejí do jednoho místa. Tento bod se nazývá ohnisko dutého zrcadla a označuje se písmenem F (z latinského slova focus – ohnisko).Vzdálenost ohniska F od vrcholu zrcadla V se nazývá ohnisková vzdálenost dutého zrcadla a značí se f.

S F

f

Využití dutých zrcadel:− soustředění energie do jednoho místa

• antény • využití solární energie

− paprsky vycházející z ohniska• zrcátka u zubních a krčních lékařů• reflektory

oV

S F

f

Umístíme-li do ohniska dutého zrcadla světelný zdroj, ze zrcadla vychází téměř rovnoběžný svazek paprsků.

Když se v parabolických zrcadlech umístí žárovka do ohniska, světlo se odráží v rovnoběžných svazcích.

oV

F

f

V reflektorech automobilů a motocyklů, ve světlometech, v kapesních svítilnách a v promítacích přístrojích se používají zpravidla zrcadla parabolická (mají parabolický tvar).

oV

S F

f

Před duté zrcadlo umístíme do větší vzdálenosti svíčku.Paprsek rovnoběžný s optickou osou se odráží do ohniska, paprsek procházející ohniskem se odráží rovnoběžně s optickou osou.Tam, kde se protnou, vznikne na stínítku obraz.Obraz, který můžeme zachytit na stínítku,je skutečný.V tomto případě vznikl obraz skutečný, zmenšený a převrácený.Svíčku posouváme blíže k zrcadlu.Čím blíže je svíčka k zrcadlu, tím věší je její obraz.Umístíme-li svíčku do ohniska, nevznikne žádný obraz.Umístíme-li svíčku do vzdálenosti menší než je ohnisková vzdálenost zrcadla, obraz se na stínítku nezobrazí, můžeme ho vidět jen v zrcadle.Paprsky se neprotnou. Protnou se, prodloužíme-li je jakoby za zrcadlo, Obraz nemůžeme zobrazit na stínítku, je zdánlivý, zvětšený a přímý.Vlastnosti obrazu, který vzniká v dutém zrcadle, závisí na vzdálenosti předmětu od zrcadla.

Střed kulové plochy S nazýváme střed křivosti zrcadla. Přímka o, která spojuje střed křivosti se zrcadlem, se nazývá optická osa zrcadla. Bod, kde protíná optická osa zrcadlo, nazýváme vrchol zrcadla V.

Vypuklé zrcadlo

oV

Pro odraz rovnoběžných paprsků na vypuklém zrcadle platí zákon odrazu.

Paprsek dopadající pod nulovým úhlem se odráží zpět.

Paprsky rovnoběžné s optickou osou dopadající na vypuklé zrcadlo se odrážejí jakoby vycházely z jednoho bodu za zrcadlem.

Vzdálenost ohniska F od vrcholu zrcadla V se nazývá ohnisková vzdálenost vypuklého zrcadla a značí se f.

S

F

f

Tento bod se nazývá ohnisko vypuklého zrcadla a označuje se písmenem F .

paprsek procházející ohniskem se odráží rovnoběžně s optickou osou.

oV SF

f

Před vypuklé zrcadlo umístíme do větší vzdálenosti svíčku.Paprsek rovnoběžný s optickou osou se odráží do ohniska,

Paprsky se neprotnou. Protnou se, prodloužíme-li je jakoby za zrcadlo, Obraz nemůžeme zobrazit na stínítku, je zdánlivý, zmenšený a přímý.Svíčku posouváme blíže k zrcadlu.Čím blíže je svíčka k zrcadlu, tím věší je její obraz, ale vždy je zdánlivý a menší než předmět.Obraz, který vzniká ve vypuklém zrcadle, je nezávisle na vzdálenosti předmětu od zrcadla zdánlivý, přímý a zmenšený .

Větší zrcadla se v silniční dopravě používají také na nepřehledných či nebezpečných silničních křižovatkách nebo v zatáčkách..

Vypuklá zrcadla se používají jako zpětná zrcátka v dopravních prostředcích (auta, motocykly atd.) a umožňují řidiči vidět jiná vozidla jedoucí za nimi.

Jsou vhodná proto, že zobrazují dopravní situaci v širším záběru, než by ji zobrazilo rovinné zrcadlo.

Zrcadla a zrcátka se běžně používají i v mnoha optických přístrojích či ve velkých optických systémech - například : hvězdářské dalekohledy (reflektor), fotoaparáty resp. zrcadlovky, dělostřelecké dalekohledy či ponorkové periskopy.

Zrcadla jsou někdy používána jako část bezpečnostních systémů tak, že jedna kamera může sledovat současně více než jeden směr pohledu.

Zrcadla mohou sloužit i jako zdroj zábavy.

Ti se zde baví například pohledem na svůj naprosto znetvořený obraz ve speciálním

Jsou vhodná nejen pro posílání slunečních prasátek, ale používají se i v zrcadlových bludištích a zábavních parcích pro pobavení návštěvníků.

zkreslujícím zrcadle, či bloudí chodbami s mnoha velkými nástěnnými zrcadly (Petřínské

zrcadlové bludiště).

Zrcadlo může sloužit i jako divadelní a filmová rekvizita.

Otázky a úlohy k opakování – učebnice strana 103.