Rozchodzenie się światła

Wstęp — dlaczego widzimy świat?

Zamknij oczy. Zrobiło się ciemno. Otwórz — i znów widzisz wszystko dookoła. To dlatego, że do Twoich oczu dociera światło. Bez światła nie widzielibyśmy nic — nawet największy talent nie pomoże, gdy w pokoju jest całkowita ciemność.

Światło rozpoczyna wielki dział fizyki zwany optyką. W tej lekcji odpowiemy na proste, ale ważne pytanie: jak biegnie światło? Okaże się, że odpowiedź — „po liniach prostych" — tłumaczy zaskakująco wiele rzeczy: od cienia Twojej ręki na ścianie po zaćmienie Słońca.

W tej lekcji poznasz:

• czym są źródła światła i jak światło do nas dociera,
• co to jest promień i wiązka światła,
• dlaczego światło biegnie prostoliniowo i co z tego wynika (cień, półcień, camera obscura),
• jak wielka jest prędkość światła.

Źródła światła — skąd bierze się światło?

Źródło światła to ciało, które samo wysyła światło. Dzielimy je na:

• naturalne — Słońce, gwiazdy, błyskawica, świetlik (robaczek świętojański),
• sztuczne — żarówka, płomień świecy, ekran telefonu, latarka.

Większość przedmiotów wokół nas nie świeci własnym światłem. Widzimy je tylko dlatego, że odbijają światło, które pada na nie ze źródła. Księżyc nie jest źródłem światła — świeci, bo odbija światło Słońca. Podobnie Twój zeszyt: widać go, bo odbija światło lampy.

Zapamiętaj. Widzimy przedmiot, gdy dociera od niego do naszego oka światło — albo wysłane przez samo źródło, albo przez nie odbite.

Rys. 1. Źródła światła wysyłają światło same z siebie. Przedmioty nieświecące (np. jabłko) tylko odbijają światło — dlatego je widzimy.

Promień i wiązka światła

Żeby wygodnie rysować drogę światła, fizycy używają pojęcia promienia świetlnego.

Promień światła to linia, wzdłuż której biegnie światło. Na rysunkach oznaczamy go prostą linią ze strzałką, która wskazuje kierunek ruchu światła.

Kilka promieni biegnących razem tworzy wiązkę światła. Wiązki dzielimy na trzy rodzaje:

Rys. 2. Trzy rodzaje wiązek: równoległa, zbieżna i rozbieżna. Pojedynczy promień to najprostszy model biegu światła.

Światło biegnie po liniach prostych

Najważniejsze prawo tej lekcji brzmi bardzo prosto:

Prawo prostoliniowego rozchodzenia się światła. W ośrodku jednorodnym (takim, który wszędzie ma te same właściwości — np. czyste powietrze albo próżnia) światło biegnie po liniach prostych.

„Ośrodek jednorodny" oznacza po prostu, że światło płynie przez jeden materiał, który się nie zmienia — na przykład przez powietrze w pokoju. Skąd wiemy, że światło biegnie prosto? Wystarczy popatrzeć na smugę światła wpadającą przez okno do zakurzonego pokoju albo na promienie latarki w mgle — zawsze są proste.

Gdyby światło biegło po krzywej, nie potrafilibyśmy strzelać z „prostego" wskaźnika laserowego ani celować wzrokiem. To, że widzimy przedmiot tylko wtedy, gdy nic nie stoi między nim a naszym okiem, jest najlepszym dowodem: światło nie potrafi „zajrzeć za róg".

Cień i półcień

Skoro światło biegnie prosto, to nie potrafi obejść przeszkody. Gdy nieprzezroczysty przedmiot stanie na drodze światła, za nim powstaje obszar, do którego światło nie dociera — cień.

Cień od małego (punktowego) źródła

Jeśli źródło światła jest bardzo małe (nazywamy je punktowym), za przedmiotem powstaje ostry, wyraźny cień. Promienie biegną prosto i albo trafiają na ekran, albo są w całości zasłonięte przez przedmiot — nie ma stanów pośrednich.

Cień i półcień od dużego źródła

Jeśli źródło jest duże (np. świetlówka, okno), sprawa się komplikuje. Powstają wtedy dwa obszary:

• cień (właściwy) — obszar, do którego nie dociera światło z żadnej części źródła (całe źródło jest zasłonięte),
• półcień — obszar, do którego dociera światło z części źródła, a z części nie. Jest tam trochę jaśniej niż w cieniu, ale ciemniej niż w pełnym świetle.

Dlatego cienie na ścianie mają często rozmytą, jaśniejszą obwódkę — to właśnie półcień.

Rys. 3. Małe źródło daje ostry cień. Duże źródło daje ciemny cień otoczony jaśniejszym półcieniem.

Camera obscura — aparat bez soczewki

Prostoliniowość światła pozwala zbudować najprostszy „aparat fotograficzny" — camerę obscurę (po łacinie „ciemna komora"). To zamknięte pudełko z maleńkim otworkiem w jednej ściance.

Światło od każdego punktu przedmiotu biegnie prosto przez otworek i pada na przeciwległą ściankę. Ponieważ promienie się krzyżują w otworku, powstaje tam obraz — odwrócony (do góry nogami) i zwykle pomniejszony. Tak samo działa Twoje oko, o czym powiemy w lekcji o przyrządach optycznych.

Rys. 4. W camerze obscurze promienie krzyżują się w otworku, więc obraz jest odwrócony do góry nogami.

Zaćmienia — cień w kosmicznej skali

Zaćmienia to po prostu cienie rzucane przez ciała niebieskie:

• Zaćmienie Słońca — Księżyc wchodzi między Słońce a Ziemię i rzuca cień na Ziemię. Kto stoi w cieniu, nie widzi Słońca (zaćmienie całkowite); kto stoi w półcieniu, widzi Słońce częściowo zasłonięte.
• Zaćmienie Księżyca — Ziemia wchodzi między Słońce a Księżyc i rzuca swój cień na Księżyc, który wtedy ciemnieje.

To wszystko wynika z jednej prostej reguły: światło biegnie prosto i nie potrafi obejść przeszkody.

Prędkość światła

Światło jest najszybszą rzeczą we Wszechświecie. W próżni (i prawie tak samo w powietrzu) porusza się z prędkością:

$$c \approx 300\,000 \, \frac{\text{km}}{\text{s}} = 3 \cdot 10^{8} \, \frac{\text{m}}{\text{s}}$$

Gdzie:

• $c$ — prędkość światła w próżni [m/s] (litera $c$ pochodzi od łac. celeritas — „szybkość"),
• $\text{m/s}$ — metr na sekundę, jednostka prędkości.

To trudna do wyobrażenia liczba. W jedną sekundę światło mogłoby okrążyć Ziemię (obwód ok. 40 000 km) prawie 7,5 razy! Mimo to Wszechświat jest tak wielki, że światło ze Słońca leci do nas aż ok. 8 minut, a od najbliższej gwiazdy — ponad 4 lata.

Zapamiętaj. Prędkość światła to około $300\,000$ km/s. Nic nie porusza się szybciej.

Zobacz to w symulacji

W symulacji świeci źródło światła, a przed ekranem stoi przeszkoda. Przesuwaj źródło i zmieniaj jego rozmiar suwakiem — zobacz, jak z ostrego cienia (małe źródło) robi się cień z jaśniejszym półcieniem (duże źródło).

Zadania krok po kroku

Zadanie 1 — droga światła ze Słońca

Światło leci ze Słońca na Ziemię około 8 minut. Ile to sekund?

Krok 1. Dane: $t = 8 \, \text{min}$. Zamieniamy minuty na sekundy.

Krok 2. W jednej minucie jest 60 sekund: $$t = 8 \cdot 60 \, \text{s} = 480 \, \text{s}$$

Odpowiedź: Światło leci ze Słońca do Ziemi około $480 \, \text{s}$, czyli 8 minut.

Zadanie 2 — dlaczego cień jest rozmyty?

Dlaczego cień drzewa w słoneczny dzień ma rozmyte brzegi, choć Słońce świeci mocno?

Krok 1. Słońce nie jest punktem — z Ziemi widać je jako niewielką, ale rozciągłą tarczę.

Krok 2. Skoro źródło jest duże, za przedmiotem powstaje nie tylko ciemny cień, ale też jaśniejszy półcień.

Odpowiedź: Rozmyte brzegi cienia to półcień — obszar, do którego dociera światło tylko z części tarczy Słońca.

Typowe błędy — uważaj!

1. „Księżyc jest źródłem światła." Nie — Księżyc tylko odbija światło Słońca. Prawdziwe źródła świecą same.
2. „Światło potrafi zajrzeć za róg." Nie — w jednorodnym ośrodku biegnie po liniach prostych i nie obchodzi przeszkód.
3. Mylenie cienia z półcieniem. Cień to obszar bez światła; półcień to obszar oświetlony częścią źródła (jaśniejszy niż cień).
4. „Promień to prawdziwa, cienka nitka światła." Promień to tylko model — wygodna linia na rysunku pokazująca kierunek biegu światła.
5. „W camerze obscurze obraz jest prosty." Nie — obraz jest odwrócony, bo promienie krzyżują się w otworku.

Podsumowanie

• Źródła światła świecą same (Słońce, żarówka); inne przedmioty widzimy, bo odbijają światło.
• Promień to linia pokazująca kierunek biegu światła; kilka promieni tworzy wiązkę (równoległą, zbieżną lub rozbieżną).
• W ośrodku jednorodnym światło biegnie po liniach prostych — to prawo prostoliniowego rozchodzenia się światła.
• Z prostoliniowości wynikają: cień i półcień, działanie camery obscury oraz zaćmienia.
• Prędkość światła w próżni to około $c \approx 300\,000$ km/s $= 3 \cdot 10^{8}$ m/s — najwięcej we Wszechświecie.

Sprawdź swoją wiedzę

Rozwiąż quiz i sprawdź, ile zapamiętałeś: Quizy — optyka.

Dalsza lektura

• Zwierciadła — co się dzieje, gdy światło odbija się od gładkiej powierzchni.
• Soczewki — jak szkło skupia i rozprasza światło.
• Przyrządy optyczne — jak działają oko, lupa i aparat fotograficzny.