Svetelné javy Nezačaté

0. Kľúčové fakty

1. Svetlo a svetelné zdroje — Svetlo je druh elektromagnetického žiarenia, ktoré vnímame zrakom. Telesá, ktoré svetlo samy vyžarujú, nazývame svetelné zdroje (Slnko, žiarovka, plameň); telesá, ktoré svetlo iba odrážajú (Mesiac, stena), sú osvetlené telesá. Bez svetla by sme nevideli nič, lebo do oka musí vniknúť svetlo odrazené od predmetov.

2. Priamočiare šírenie svetla — V rovnorodom (homogénnom) prostredí sa svetlo šíri priamočiaro, teda po priamych čiarach nazývaných svetelné lúče. Práve preto vznikajú ostré tiene a môžeme vidieť úzky lúč napríklad v zaprášenej miestnosti. Tento zákon je základom pre vysvetlenie tieňa, zatmenia aj funkcie dierkovej komory.

3. Rýchlosť svetla — Svetlo sa vo vákuu šíri obrovskou rýchlosťou približne c = 300 000 km/s (presnejšie 299 792 458 m/s), čo je najvyššia možná rýchlosť v prírode. V iných látkach (voda, sklo) sa šíri pomalšie, a práve toto spomalenie spôsobuje lom svetla. Vďaka konečnej rýchlosti svetla vidíme vzdialené hviezdy také, aké boli v minulosti.

4. Optické prostredia – priehľadné, priesvitné, nepriehľadné — Priehľadné prostredie (čisté sklo, vzduch) prepúšťa svetlo bez rozptylu, priesvitné (mliečne sklo, papier) svetlo prepúšťa, ale rozptyľuje, a nepriehľadné (drevo, kov) svetlo neprepúšťa. Toto delenie určuje, ako svetlo prechádza látkami a či za telesom vznikne tieň. Rozdelenie pomáha pochopiť správanie svetla na rozhraní rôznych látok.

5. Vznik tieňa — Tieň vzniká za nepriehľadným telesom, ku ktorému sa svetlo pre svoje priamočiare šírenie nedostane. Pri bodovom zdroji vzniká ostrý tieň, pri plošnom zdroji vzniká tmavšie jadro tieňa (umbra) a svetlejší polotieň (penumbra). Práve na vzniku tieňa sú založené zatmenie Slnka (Mesiac vrhá tieň na Zem) a zatmenie Mesiaca (Mesiac vstupuje do tieňa Zeme).

6. Odraz svetla a zákon odrazu — Keď svetlo dopadne na rozhranie dvoch prostredí, časť sa odrazí späť. Podľa zákona odrazu sa uhol odrazu rovná uhlu dopadu (α = α′) a oba lúče aj kolmica dopadu ležia v jednej rovine. Uhly sa merajú od kolmice dopadu, nie od povrchu, čo je častý zdroj chýb pri rysovaní.

7. Zrkadlá – rovinné a guľové — Rovinné zrkadlo vytvára neskutočný (zdanlivý), vzpriamený a rovnako veľký obraz, ktorý je stranovo prevrátený. Guľové zrkadlá delíme na duté (vznikajú aj skutočné, zväčšené obrazy) a vypuklé (vždy zmenšený, vzpriamený obraz, väčší rozhľad). Duté zrkadlá sa využívajú v reflektoroch a teleskopoch, vypuklé v spätných a bezpečnostných zrkadlách.

8. Lom svetla — Pri prechode svetla z jedného priehľadného prostredia do druhého sa svetlo na rozhraní láme, teda mení smer, lebo sa mení jeho rýchlosť. Pri prechode do opticky hustejšieho prostredia (zo vzduchu do vody) sa lúč láme ku kolmici, pri prechode do redšieho prostredia od kolmice. Práve lom spôsobuje, že ceruzka ponorená do vody sa zdá zalomená a bazén vyzerá plytší, než v skutočnosti je.

9. Úplný odraz svetla — Pri prechode z hustejšieho do redšieho prostredia sa pri prekročení medzného (kritického) uhla svetlo už neláme, ale úplne odrazí späť do pôvodného prostredia. Tento jav sa nazýva úplný (totálny) odraz a je princípom optických vlákien, ktorými sa prenáša internet a telefónne signály na veľké vzdialenosti. Vďaka nemu funguje aj endoskop v medicíne.

10. Šošovky — Šošovka je priehľadné teleso, ktoré láme prechádzajúce svetlo; spojky (v strede hrubšie) zbiehajú lúče do ohniska, rozptylky (v strede tenšie) lúče rozbiehajú. Spojky sa používajú v lupách, fotoaparátoch a okuliaroch pre ďalekozrakých, rozptylky v okuliaroch pre krátkozrakých. Vzdialenosť ohniska od stredu šošovky sa nazýva ohnisková vzdialenosť a určuje optickú mohutnosť šošovky.

11. Rozklad svetla (disperzia) — Biele svetlo je zložené zo všetkých farieb spektra, čo dokázal Isaac Newton pomocou skleneného hranola. Pri prechode hranolom sa svetlo láme a jednotlivé farby sa lámu rôzne (najviac fialová, najmenej červená), čím vznikne farebné spektrum: červená, oranžová, žltá, zelená, modrá, indigová, fialová. Rovnakým rozkladom svetla na kvapôčkach vody v atmosfére vzniká dúha.

12. Farba telies a vnímanie zrakom — Farba telesa závisí od toho, ktorú časť bieleho svetla teleso odráža a ktorú pohlcuje — červené jablko odráža červené svetlo a ostatné farby pohltí. Čierne teleso pohlcuje takmer všetko svetlo, biele odráža všetky farby. Svetlo vstupuje do oka cez šošovku a vytvára obraz na sietnici, preto pri zlom lome (krátkozrakosť, ďalekozrakosť) potrebujeme okuliare so šošovkami.

1. Poučka

Svetlo sa v rovnorodom (homogénnom) prostredí šíri priamočiaro a vo vákuu rýchlosťou približne 300 000 km/s (c ≈ 3·10⁸ m/s). Pri dopade na predmety nastáva odraz (uhol odrazu sa rovná uhlu dopadu) a pri prechode do iného prostredia lom svetla (svetlo zmení smer). Za nepriehľadným telesom vzniká tieň a biele svetlo možno rozložiť (disperzia) na spektrum farieb.

2. Vysvetlenie

Predstav si to po krokoch:

1. Šírenie svetla. Svetlo vychádza zo zdroja (Slnko, žiarovka) a letí rovno, ak je prostredie všade rovnaké. Preto vidíme „lúče" priame.
2. Odraz. Keď lúč narazí na lesklú plochu (zrkadlo, hladina vody), odrazí sa. Uhol dopadu (medzi lúčom a kolmicou) sa rovná uhlu odrazu.
3. Lom. Keď svetlo prechádza z jedného prostredia do druhého (vzduch → voda, vzduch → sklo), zmení rýchlosť a tým aj smer. Pri prechode do hustejšieho prostredia sa láme ku kolmici, pri prechode do redšieho od kolmice.
4. Tieň. Svetlo neobíde nepriehľadnú prekážku — preto za ňou ostane miesto, kam svetlo nedopadne. To je tieň. Pri malom (bodovom) zdroji je tieň ostrý, pri veľkom zdroji vzniká aj polotieň.
5. Rozklad svetla. Biele svetlo je zmes farieb. Pri prechode hranolom sa jednotlivé farby lámu rôzne (najviac fialová, najmenej červená), a tak sa rozložia na dúhové spektrum.

3. Príklady a prečo je to dôležité

Príklad 1 — výška stromu podľa tieňa (prax): Tyč vysoká 1 m vrhá tieň dlhý 1,5 m. Strom v tom istom čase vrhá tieň 12 m. Aký vysoký je strom?
Svetlo sa šíri priamočiaro, slnečné lúče dopadajú na tyč aj strom pod rovnakým uhlom.
Pomer výšky a tieňa je preto rovnaký: 1 m výšky pripadá na 1,5 m tieňa.
Výška stromu = 12 · 1 / 1,5 = 8 m

Príklad 2 — zákon odrazu: Lúč dopadá na rovinné zrkadlo pod uhlom 35° (meraným od kolmice). Aký je uhol odrazu a aký uhol zvierajú dopadajúci a odrazený lúč?
Zákon odrazu: uhol odrazu sa rovná uhlu dopadu, α′ = α.
α′ = 35°
Uhol medzi lúčmi = α + α′ = 35° + 35° = 70°

Príklad 3 — rýchlosť svetla: Slnko je od Zeme vzdialené asi 150 000 000 km. Ako dlho k nám letí jeho svetlo?
Zápis: s = 150 000 000 km, c = 300 000 km/s, t = ?
Vzorec: t = s / c
t = 150 000 000 / 300 000 = 500 s (asi 8 minút)

Príklad 4 — slamka v pohári: Prečo rovná slamka vo vode vyzerá na hladine zlomená?
Svetlo zo slamky pod vodou prechádza z vody do vzduchu a na hladine sa láme od kolmice.
Oko predĺži lúče priamo späť, preto vidí ponorenú časť vyššie, než naozaj je.
→ slamka sa javí zlomená, lebo svetlo sa na hladine láme

Príklad 5 — zatmenie Slnka a Mesiaca: Kedy nastane zatmenie Slnka a kedy zatmenie Mesiaca?
Zatmenie Slnka: Mesiac je medzi Slnkom a Zemou a jeho tieň dopadne na Zem.
Zatmenie Mesiaca: Zem je medzi Slnkom a Mesiacom a jej tieň dopadne na Mesiac.
→ zatmenie vzniká, keď jedno teleso vrhá tieň na druhé

Príklad 6 — dúha (prax): Prečo vidíme dúhu, keď za nami svieti Slnko a pred nami prší?
Biele svetlo je zložené zo všetkých farieb.
V kvapkách sa svetlo láme a každá farba sa láme trochu inak, takže sa farby oddelia.
→ kvapky rozložia biele svetlo na spektrum farieb

Príklad 7 — farba telies: Prečo je jablko červené?
Biele svetlo obsahuje všetky farby.
Jablko odráža červenú zložku a ostatné farby pohltí.
→ vidíme farbu, ktorú teleso odráža

Prečo je to dôležité: Bez pochopenia svetelných javov by neexistovali okuliare, fotoaparáty, optické vlákna (internet!), lekárske prístroje ani bezpečné cesty s odrazkami. Svetlo je hlavný spôsob, akým získavame informácie o svete — vďaka nemu vôbec vidíme.

Precvič si

1. Prečo za tebou na slnku vzniká tieň?
2. Lúč dopadá na rovinné zrkadlo pod uhlom 50°. Aký je uhol odrazu?
3. Dopadajúci a odrazený lúč zvierajú uhol 80°. Aký je uhol dopadu?
4. Mesiac je od Zeme vzdialený 384 000 km. Ako dlho letí svetlo z Mesiaca na Zem?
5. Tyč vysoká 2 m vrhá tieň dlhý 3 m. Komín v tom istom čase vrhá tieň 45 m. Aký je vysoký?
6. Lúč prechádza zo vzduchu do vody. Láme sa ku kolmici, alebo od nej? Prečo?