Światło i źródła światła

Wstęp — po co nam światło?

Zamknij na chwilę oczy. Nic nie widać, prawda? A teraz je otwórz — świat znów jest widoczny. To dzięki światłu. Bez niego nasze oczy byłyby bezużyteczne.

Optyka to dział fizyki, który zajmuje się światłem: skąd się bierze, jak się rozchodzi i dlaczego widzimy przedmioty wokół nas.

W tej lekcji dowiesz się:

• co to jest źródło światła i jakie są jego rodzaje,
• dlaczego widzimy przedmioty, które same nie świecą,
• czym jest promień światła i jak światło się rozchodzi,
• jak powstają cień i półcień.

Źródła światła

Rozejrzyj się. Niektóre przedmioty same wysyłają światło — na przykład Słońce, płomień świecy czy zapalona żarówka. Nazywamy je źródłami światła albo ciałami świecącymi.

Źródło światła to ciało, które samo wytwarza i wysyła światło.

Źródła światła dzielimy na dwie grupy:

Rys. 1. Źródła światła (świecące) wysyłają światło. Ciała oświetlone jedynie je odbijają.

A co z Księżycem?

Uwaga na częstą pułapkę! Księżyc nie jest źródłem światła. On sam nie świeci — tylko odbija światło Słońca i dlatego wygląda, jakby świecił. Podobnie książka, ściana czy Twoja dłoń: to ciała oświetlone, które widzimy dzięki temu, że odbijają światło padające z prawdziwego źródła.

Dlaczego widzimy przedmioty?

Żeby coś zobaczyć, potrzebne są trzy rzeczy:

1. źródło światła (np. Słońce albo lampa),
2. przedmiot, który odbije to światło,
3. oko, do którego trafi odbite światło.

Światło wychodzi ze źródła, pada na przedmiot, odbija się od niego i wpada do naszego oka. Dopiero wtedy mózg „widzi" ten przedmiot.

Rys. 2. Widzimy przedmiot, bo odbite od niego światło trafia do naszego oka.

Promień światła i prostoliniowe rozchodzenie się

Żeby narysować, jak biegnie światło, fizycy używają promienia światła — to prosta linia ze strzałką pokazującą kierunek, w którym biegnie światło.

Ważne prawo: W jednorodnym ośrodku (np. w czystym powietrzu) światło rozchodzi się po liniach prostych. Mówimy, że światło rozchodzi się prostoliniowo.

Skąd to wiemy? Popatrz na snop światła latarki w zakurzonym pokoju albo na promienie Słońca przebijające się przez chmury — zawsze są proste, nigdy nie zakręcają same z siebie.

Światło jest też bardzo szybkie — w próżni pokonuje aż około:

$$c \approx 300\,000 \ \frac{\text{km}}{\text{s}}$$

Gdzie symbol oznacza:

• $c$ — prędkość światła (litera pochodzi od łacińskiego celeritas — „szybkość").

To tak szybko, że światło okrąża Ziemię w niecałą sekundę! W codziennym życiu wydaje się, że światło pojawia się natychmiast — właśnie dlatego, że jest tak szybkie.

Cień i półcień

Skoro światło biegnie po liniach prostych, to co się stanie, gdy na jego drodze stanie nieprzezroczysty przedmiot? Światło nie może go ominąć — więc za przedmiotem powstaje cień.

Cień to obszar, do którego nie dociera światło, bo zasłania je nieprzezroczysty przedmiot.

Gdy źródło światła jest duże (np. lampa albo okno), za przedmiotem powstają dwa obszary:

• cień (właściwy) — obszar zupełnie ciemny, do którego nie dociera żadne światło,
• półcień — jaśniejsza otoczka wokół cienia, do której dociera światło z części źródła.

Rys. 3. Przy dużym źródle światła wokół cienia powstaje półcień.

Poeksperymentuj sam — zmieniaj wielkość źródła światła i obserwuj, jak zmienia się cień i półcień:

Gdy źródło jest małe (prawie punktowe), półcień prawie znika i cień ma ostre brzegi. Dlatego cień rzucany przez Słońce (które jest daleko i wygląda jak niewielki punkt) jest ostry, a cień przy dużej lampie sufitowej — rozmyty.

Cień i półcień tłumaczą też zaćmienia: gdy Księżyc znajdzie się między Słońcem a Ziemią, jego cień pada na Ziemię i mamy zaćmienie Słońca.

Typowe błędy — uważaj!

1. „Księżyc świeci własnym światłem." Nie! Księżyc tylko odbija światło Słońca. To ciało oświetlone, nie źródło.
2. „Widzimy przedmioty, bo nasze oczy wysyłają światło." Odwrotnie — to światło ze źródła odbija się od przedmiotu i wpada do oka. Oko samo nic nie wysyła.
3. „Światło potrafi samo zakręcać." W jednorodnym ośrodku światło biegnie zawsze prosto. Zakręcić może dopiero na granicy dwóch ośrodków (o tym w lekcji o załamaniu).
4. „Cień to po prostu ciemność." Cień powstaje dokładnie tam, gdzie nieprzezroczysty przedmiot zasłania proste promienie światła.

Podsumowanie

• Źródło światła samo wytwarza światło; dzielimy je na naturalne (Słońce) i sztuczne (żarówka).
• Ciała oświetlone (Księżyc, książka) tylko odbijają światło — same nie świecą.
• Widzimy przedmiot, gdy odbite od niego światło trafia do naszego oka.
• W jednorodnym ośrodku światło rozchodzi się prostoliniowo (po liniach prostych) i jest bardzo szybkie: $c \approx 300\,000 \ \frac{\text{km}}{\text{s}}$.
• Za nieprzezroczystym przedmiotem powstaje cień; przy dużym źródle wokół cienia widać półcień.

Sprawdź swoją wiedzę

Rozwiąż quiz i przekonaj się, ile zapamiętałeś — zadania o źródłach światła, prostoliniowym rozchodzeniu się światła, prędkości światła oraz cieniu i półcieniu: Światło i źródła światła — sprawdź się.

Dalsza lektura

• Odbicie światła — co się dzieje, gdy światło trafia w lustro?
• Załamanie światła — dlaczego słomka w szklance wygląda na złamaną?
• Pryzmat i rozszczepienie światła — skąd na niebie bierze się tęcza?