Svetlo a jeho vlastnosti Nezačaté

0. Kľúčové fakty

1. Svetlo ako forma energie — Svetlo je druh žiarenia, ktoré sa šíri priestorom a prenáša energiu zo zdroja na okolité telesá. Keď svetlo dopadne na teleso a pohltí sa, jeho energia sa mení na iné formy, najčastejšie na teplo. Práve preto sa predmety na slnku zahrievajú a tmavé povrchy sú teplejšie než svetlé.

2. Premena svetla na teplo — Keď teleso pohlcuje (absorbuje) svetlo, dopadajúca svetelná energia sa premieňa na vnútornú energiu telesa, čo pozorujeme ako zvýšenie teploty. Tmavé a matné povrchy pohlcujú viac svetla, preto sa zahrejú rýchlejšie ako svetlé a lesklé povrchy, ktoré svetlo odrážajú. Tento jav sa využíva napríklad v slnečných kolektoroch, ktoré ohrievajú vodu.

3. Výpočet vzniknutého tepla — Teplo prijaté telesom vypočítame zo vzorca Q = m · c · Δt, kde m je hmotnosť telesa, c je merná tepelná kapacita látky a Δt je zmena teploty. Veličina Q má jednotku joule (J), hmotnosť dosádzame v kilogramoch a merné teplo v J/(kg·°C). Pri pokuse so svetlom, ktoré sa premení na teplo, takto zistíme, koľko energie teleso skutočne pohltilo.

4. Merná tepelná kapacita — Merná tepelná kapacita c udáva, koľko tepla treba dodať 1 kg látky, aby sa zohriala o 1 °C. Voda má veľkú mernú tepelnú kapacitu (asi 4 200 J/(kg·°C)), preto sa zahrieva aj ochladzuje pomaly. Práve táto vlastnosť robí vodu vhodnou na meranie tepla vzniknutého z pohlteného svetla.

5. Zdroje svetla — Slnko — Slnko je najdôležitejší prirodzený zdroj svetla pre Zem a vyžaruje obrovské množstvo svetelnej i tepelnej energie. Vzniká v ňom svetlo vďaka jadrovým reakciám pri veľmi vysokej teplote. Slnečné svetlo je biele, čiže zložené zo všetkých farieb spektra, a je zdrojom energie pre život na Zemi.

6. Zdroje svetla — žiarovka — Žiarovka je umelý zdroj svetla, v ktorom prechádza elektrický prúd tenkým kovovým vláknom (najčastejšie z volfrámu), ktoré sa rozžeraví a začne svietiť. Klasická žiarovka premení na svetlo len malú časť energie (okolo 5 %), zvyšok sa stratí ako teplo, preto je málo úsporná. V porovnaní so Slnkom je jej výkon i teplota oveľa menšie a svetlo má mierne žltkastý odtieň.

7. Priamočiare šírenie svetla — V rovnorodom (homogénnom) prostredí sa svetlo šíri priamočiaro, teda po priamych čiarach nazývaných svetelné lúče. Dôkazom je vznik tieňa za nepriehľadným telesom alebo úzky lúč prechádzajúci malým otvorom. Práve priamočiare šírenie vysvetľuje aj zatmenie Slnka a Mesiaca.

8. Rýchlosť svetla — Svetlo sa vo vákuu šíri obrovskou rýchlosťou približne 300 000 km/s, čo je najväčšia možná rýchlosť v prírode. Vďaka tomu vidíme vzdialené predmety prakticky okamžite, no svetlo zo Slnka k nám aj tak letí asi 8 minút. V iných prostrediach, napríklad vo vode či skle, sa svetlo šíri o niečo pomalšie.

9. Tieň a clona — Tieň vzniká za neprehľadným telesom (clonou), ktoré zachytáva svetelné lúče a nepustí ich ďalej. Existuje úplný tieň, kam sa nedostane žiadne svetlo, a polotieň, kam dopadá svetlo len z časti zdroja. Tvar a veľkosť tieňa závisia od veľkosti zdroja, telesa a ich vzájomnej vzdialenosti.

10. Odraz, prepustenie a pohltenie svetla — Keď svetlo dopadne na teleso, môže sa od neho odraziť, prejsť cezeň (prepustiť sa) alebo sa v ňom pohltiť (absorbovať). Lesklé a hladké povrchy svetlo odrážajú, priehľadné telesá ako sklo ho prepúšťajú a tmavé matné telesá ho pohlcujú. Väčšinou nastávajú tieto tri javy súčasne, len v rôznom pomere, a podľa toho vnímame farbu a jas predmetov.

11. Zákon odrazu svetla — Pri odraze platí, že uhol dopadu sa rovná uhlu odrazu, pričom oba uhly meriame od kolmice na odrazovú plochu. Vďaka tomuto zákonu funguje zrkadlo, ktoré vytvára obraz tak, že lúče odráža pravidelným smerom. Pri drsných povrchoch sa svetlo rozptyľuje do mnohých smerov, preto v nich nevidíme zrkadlový obraz.

12. Rozklad svetla na spektrum (disperzia) — Biele svetlo je zložené z viacerých farieb a pri prechode hranolom sa rozloží na farebné spektrum: červená, oranžová, žltá, zelená, modrá, indigová a fialová. Deje sa to preto, že každá farba sa pri prechode sklom láme pod trochu iným uhlom. Rovnaký jav v prírode spôsobuje vznik dúhy, keď sa slnečné svetlo láme a odráža v kvapkách vody.

13. Skladanie farebných svetiel — Farebné svetelné lúče sa dajú aj skladať — keď zložíme spolu červené, zelené a modré svetlo (tzv. základné farby svetla), vznikne biele svetlo. Toto skladanie farieb sa nazýva aditívne miešanie a využíva sa v obrazovkách televízorov, monitorov a telefónov. Miešanie farebných svetiel je preto opačný dej ako rozklad bieleho svetla na spektrum.

14. Farba telesa — Farbu, ktorú na telese vidíme, určuje to, ktoré farby svetla teleso odráža a ktoré pohlcuje. Napríklad červené jablko odráža červenú zložku svetla a ostatné farby pohlcuje, preto sa nám javí ako červené. Čierne telesá pohlcujú takmer všetko svetlo, kým biele telesá odrážajú všetky farby naraz.

1. Poučka

Svetlo je viditeľné elektromagnetické žiarenie, ktoré sa vo vzduchu (a v rovnorodom prostredí) šíri priamočiaro a veľkou rýchlosťou (vo vákuu približne 300 000 km/s). Keď svetlo dopadne na teleso, môže sa odraziť, telesom prejsť (prepustiť sa) alebo sa v ňom pohltiť (absorbovať) a premeniť na teplo. Biele svetlo je zložené z farieb, ktoré možno rozložiť na spektrum a opäť zložiť späť.

2. Vysvetlenie

• Zdroje svetla sú telesá, ktoré svetlo samy vyžarujú: Slnko, plameň, žiarovka, LED. Ostatné telesá (Mesiac, stena) svetlo len odrážajú.
• Svetlo sa šíri priamočiaro — preto za nepriehľadným telesom vzniká tieň.
• Pri dopade na teleso sa svetlo rozdelí: časť sa odrazí, časť prejde (ak je teleso priehľadné), časť sa pohltí.
• Pohltené svetlo sa mení na teplo — tmavé telesá sa na slnku zohrejú viac ako svetlé.
• Teplo vypočítame zo vzorca Q = m · c · Δt, kde Q je teplo (J), m hmotnosť (kg), c merná tepelná kapacita (J/(kg·°C)) a Δt zmena teploty (°C).
• Biele svetlo prejde hranolom a rozloží sa na farby dúhy (spektrum): červená, oranžová, žltá, zelená, modrá, indigová, fialová. Zložením farebných lúčov vznikne opäť biele svetlo.

3. Príklady a prečo je to dôležité

1. Tieň a slnečné hodiny — priamočiare šírenie svetla spôsobuje tieň; podľa neho vieme určiť čas a smer.
2. Tmavé oblečenie v lete — čierne tričko pohltí viac svetla a premení ho na teplo, preto je nám v ňom horúco. Svetlé oblečenie viac odráža.
3. Solárny ohrievač vody — čierny absorbér pohltí slnečné svetlo a ohreje vodu; to využíva premenu svetla na teplo (Q = m · c · Δt).
4. Zrkadlo a periskop — využívajú odraz svetla, aby sme videli za roh alebo seba samých.
5. Okno a sklo — priehľadné sklo svetlo prepúšťa, matné sklo časť pohltí a rozptýli.
6. Dúha a CD platnička — rozklad bieleho svetla na spektrum; rovnaký jav ako pri hranole.

Prečo je to dôležité: Bez svetla by sme nevideli, nerástli by rastliny (fotosyntéza) a nefungovali by solárne panely, fotoaparáty, optické vlákna ani LED osvetlenie. Pochopenie odrazu, pohltenia a premeny na teplo nám pomáha šetriť energiu a navrhovať lepšie technológie.