Źródła światła i jego prędkość. Zjawisko powstawania cienia i półcienia
Wstęp do tematu: Źródła światła i jego prędkość. Zjawisko powstawania cienia i półcienia. Zasób zawiera:
ogólny wstęp do tematu, fotografię zachodzącego Słońca, odwołanie do wcześniejszej wiedzy ucznia oraz cele lekcji sformułowane w języku ucznia.
Zasób zawiera: wstępne wiadomości na temat: dlaczego nie rozróżniamy barw ani kształtów
przedmiotów; fotografię przedstawiającą zielone liście drzew (fotosynteza); fotografię oka ludzkiego;
zadanie interaktywne typu prawda/fałsz.
Zasób zawiera: określenie źródła światła, podział na naturalne i sztuczne źródła światła; ciekawostkę dotyczącą pierwszych źródeł światła; informację o pierwszej lampie naftowej (Ignacy Łukaszewicz);
ciekawostkę o organicznych diodach elektroluminescencyjnych; zdjęcia przedstawiające wykorzystanie organicznych diod elektroluminescencyjnych (OLED) i lampki oliwnej.
Zasób zawiera: informacje o obiektach, które świecą, ale nie są źródłem światła; fotografie przedstawiające Wenus i Księżyc na nocnym niebie; zadanie interaktywne.
Zasób zawiera: oznaczenie i wartość prędkości światła w próżni; film przedstawiający prostoliniowe rozchodzenie się światła; opis doświadczenia, którego celem jest udowodnić prostoliniowe rozchodzenie się światła; animację dotyczącą camera obscura; dwa polecenia dla ucznia, fotografię przedstawiającą cień człowieka; schematy obrazujące jak powstaje cień i mechanizm powstawania półcienia; objaśnienia pojęć: rozciągłe źródło światła, punktowe źródło światła.
Zasób zawiera osiem sformułowań podsumowujących i pracę domową dla ucznia (cztery polecenia tekstowe).
Zasób zawiera pojęcia: lata świetlne, obszar cienia, półcień, punktowe źródło światła, rozciągłe źródło światła, źródło światła
Zasób zawiera dwa zadania interaktywne: zdania do uzupełnienia i wybór prawda/fałsz
Źródła światła i jego prędkość. Zjawisko powstawania cienia i półcienia
W życiu spotykasz różne źródła światła – Słońce, żarówki i świetlówki, czasem świece i ognisko. Te źródła widzisz – mówimy, że wysyłają światło. Jak to się dzieje, że widzisz różne przedmioty? Ludzi, samochody, budynki? Jak rozchodzi się światło? Czy wszędzie dociera?
Słońce jest najważniejszym źródłem światła dla Ziemi i całego Układu Słonecznego. To światło jest nośnikiem energii umożliwiającej istnienie życia – a przynajmniej życia w takiej postaci, jaką znamy
Już potrafisz
wymienić różne źródła światła;
wskazać obszary cienia.
Nauczysz się
wskazać lub wymienić przykłady źródeł światła;
rozróżniać naturalne i sztuczne źródła światła;
odróżniać punktowe i niepunktowe źródła światła;
wyjaśniać powstawanie cienia i półcienia.
1. Dlaczego widzimy?
Gdy jest ciemno, nie rozróżniamy barw ani kształtów przedmiotów. Do tego, aby widzieć świat pięknym i kolorowym, potrzebne jest światło.
Abyśmy mogli cokolwiek zobaczyć, światło musi dotrzeć do naszego oka i wywołać wrażenie wzrokowe.
Światło to może pochodzić bezpośrednio ze źródła światła. Widzimy także przedmioty, od których światło się odbiło.
Gdy zbliżamy rękę do żarówki, czujemy jej ciepło, podobnie w piękny słoneczny dzień, gdy zbyt długo opalamy się na plaży, możemy ulec oparzeniu. Jest to dowód na to, że światło przenosi energię (energię promienistą).
Wykorzystanie energii światła do procesu fotosyntezy
Energia ta wykorzystywana jest przez rośliny w procesie fotosyntezy.
Narząd wzroku – oko ludzkie
Energia ta jest także potrzebna do tego, aby wywołać w naszym oku wrażenia wzrokowe – czyli po to, byśmy widzieli.
Ćwiczenie 1
Zaznacz, które zdania są prawdziwe, a które fałszywe?
Prawda Fałsz
Widzimy źródła światła i przedmioty, od których odbiło
się światło.
□ □
Widzimy tylko źródła światła. □ □
Widzimy tylko przedmioty, od których odbiło się światło.
□ □
Widzimy przedmioty, które nie są źródłami światła i od których nie odbiło się światło.
□ □
Źródło: Dariusz Kajewski <Dariusz.Kajewski@up.wroc.pl>, licencja: CC BY 3.0.
2. Źródła światła
Mówimy, że niektóre ciała wysyłają (emitują) promieniowanie. Czym ono jest? Może to być wysłana fala albo strumień cząstek. O tym, jaką naturę ma promieniowanie, jakie własności i czy jest szkodliwe, dowiesz się podczas dalszej nauki.
Światło to pewien rodzaj promieniowania, które możemy odbierać zmysłem wzroku. Wszystkie ciała, które są źródłem emisji światła, nazywać będziemy źródłami światła.
Zapamiętaj!
Źródłem światła jest każde ciało emitujące promieniowanie świetlne.
Znane nam źródła światła możemy podzielić na dwie grupy:
naturalne źródła światła;
sztuczne źródła światła.
Do naturalnych źródeł światła należą między innymi:
gwiazdy, w tym Słońce;
wyładowania atmosferyczne;
niektóre organizmy żywe (świetliki).
Sztuczne źródła światła to między innymi:
żarówki elektryczne, rozgrzana stal, ognisko, świeca, diody LED.
Ciekawostka
Pierwotnym źródłem światła, związanym z odkryciem przez człowieka sposobu rozniecania ognia, było palące się drewno (ognisko). Dość szybko nasi przodkowie nauczyli się spalać tłuszcze roślinne i zwierzęce, dzięki czemu wynalezione zostały lampki oliwne.
Lampka oliwna
Po pewnym czasie człowiek nauczył się wytwarzać świece. Przełomem w technice sztucznego oświetlenia było skonstruowanie lampy naftowej. Dokonał tego w 1853 roku Polak – Ignacy Łukasiewicz.
Jego wynalazek zrewolucjonizował technikę oświetleniową. Ignacy Łukasiewicz kierował pracą pierwszych na świecie rafinerii ropy naftowej, która wydobywana była na Podkarpaciu w okolicach Krosna. Z biegiem czasu lampę naftową zaczęło stopniowo wypierać oświetlenie elektryczne. Pojawiła się pierwsza żarówka.
Ciekawostka
Organiczne diody elektroluminescencyjne (OLED).
Nowoczesnym źródłem światła są organiczne diody elektroluminescencyjne, które obecnie
wykorzystuje się do produkcji matryc telewizorów. W przeciwieństwie do telewizorów opartych na technologii ciekłych kryształów (LCD) telewizory OLED nie wymagają tylnego podświetlenia matrycy, ponieważ diody organiczne same emitują różnokolorowe światło. Oprócz tego diody te są bardzo elastyczne, co między innymi stwarza możliwość ukrycia rozwijanego miniekranu np. w długopisie!
Urządzenia wykorzystujące technologię organicznych diod elektroluminescencyjnych (OLED)
3. Co nie jest źródłem światła?
Nie wszystkie przedmioty i obiekty, które wydają się świecić, są źródłami światła.
Wenus – Gwiazda Poranna
Często przed wschodem lub zaraz po zachodzie Słońca na niebie widoczna jest Wenus. To trzeci pod względem jasności obiekt na niebie (zaraz po Słońcu i Księżycu). Światło Wenus jest czasem tak silne, że przedmioty oświetlone nim rzucają cień. Jednak obiekt ten wcale nie jest źródłem światła! Wenus tak silnie odbija światło słoneczne, że wydaje się, iż jest gwiazdą. W rzeczywistości każda planeta, którą możemy obserwować na niebie, wydaje się świecić własnym światłem – jest to jednak odbite światło słoneczne. Planet nie możemy zaliczyć do źródeł światła, ponieważ nie emitują one światła, a jedynie je odbijają.
Księżyc nie jest źródłem światła, odbija jedynie światło słoneczne
Podobnie jest z Księżycem, który podczas pełni bardzo dobrze oświetla otaczający nas krajobraz i przedmioty. Księżyc także nie emituje światła, a jedynie odbija światło słoneczne.
Zapamiętaj!
Nie wszystkie obiekty, które wydają się emitować światło, są jego źródłami. Obiekty tego typu świecą światłem odbitym. Między innymi zaliczamy do nich Księżyc i planety, które nie emitują światła, a jedynie odbijają światło słoneczne.
Ćwiczenie 2
Przyporządkuj poniższe elementy do odpowiedniej kategorii.
świeca, Słońce, Księżyc, planety, błyskawice, gwiazdy, żarówka, neony
Naturalne źródła światła
Sztuczne źródła światła
Elementy niepasujące do żadnej kategorii
Źródło: Dariusz Kajewski <Dariusz.Kajewski@up.wroc.pl>, licencja: CC BY 3.0.
4. Rozchodzenie się światła
Zastanówmy się teraz, w jaki sposób światło rozchodzi się w przestrzeni. Światło to promieniowanie, które przemieszcza się w próżni z największą możliwą do osiągnięcia w przyrodzie prędkością (prędkością światła), która ma wartość .
Podstawowe właściwości światła znane już były w starożytności. Grecy na podstawie obserwacji wysnuli wniosek, że światło w ośrodkach jednorodnych rozchodzi się po liniach prostych.
Film dostępny na portalu epodreczniki.pl
Światło w ośrodkach jednorodnych rozchodzi się po liniach prostych
Na animacji pokazano zdjęcie wykonane w lesie. Widoczne liczne drzewa liściaste. W lewym górnym rogu przebijają się promienie słoneczne. Promienie mają kształt smug rozszerzających się ku dołowi.
„Brzegi” smug są proste.
Spróbuj przeprowadzić doświadczenie, które potwierdzi to spostrzeżenie.
Doświadczenie 1
Udowodnić prostoliniowe rozchodzenie się światła.
Co będzie potrzebne
pudełko po papierze ksero w formacie A4;
kalka techniczna lub papier śniadaniowy (cienki) w formacie A4;
czarna okleina lub farba;
nożyczki lub nożyk do tapet;
gruba igła.
Instrukcja
1. Wytnij w wieczku pudełka prostokąt, pozostawiając ok. 1,5 cm z każdej strony.
2. Od wewnętrznej strony wklej arkusz kalki technicznej.
3. Wnętrze drugiej części pudełka wyklej czarną matową folią samoprzylepną lub pomaluj na czarno.
4. W środku denka pudełka zrób otwór grubą igłą.
5. Nałóż przygotowane wieczko na pudełko i szczelnie je zaklej dookoła.
6. Zwróć pudełko otworem na jakieś źródło światła – co obserwujesz?
Podsumowanie
To, co zbudowaliśmy jest pierwowzorem aparatu fotograficznego. Jest to urządzenie służące do nanoszenia (rzutowania) obrazu trójwymiarowego na powierzchnię płaską, za pomocą którego można obserwować świat. Gdyby w miejscu czarnej powierzchni umieszczono kliszę fotograficzną lub matrycę światłoczułą z aparatu cyfrowego, to obraz ten można byłoby nawet utrwalić. Wykonane przez nas urządzenie, noszące łacińską nazwę camera obscura, działa, wykorzystując zasadę prostoliniowego rozchodzenia się światła.
Film dostępny na portalu epodreczniki.pl
Rozchodzenie się światła w camera obscura
Camera obscura
Promień wychodzący z górnej części żarówki biegnie po linii prostej do otworka w pudełku. Wpada przez otwór do środka i trafia na ekran, tworząc obraz górnej części żarówki na dolnej części ekranu.
Podobnie promień wychodzący z dolnej części żarówki biegnie do otworka pudełka i dalej, ku górnej części ekranu. W ten sposób powstaje odwrócony obraz żarówki lub innych przedmiotów.
Polecenie 1
Podaj trzy przykłady świadczące o tym, że promienie światła rozchodzą się po liniach prostych.
Cień rzucany przez ciało człowieka
Tam, gdzie znajduje się nieprzezroczysta przeszkoda, zatrzymywane są promienie świetlne i powstaje obszar cienia, czyli obszar, do którego nie dochodzą promienie świetlne.
Jak powstaje cień
Przypatrz się swojemu cieniowi, gdy oświetla cię światło słoneczne. Czy ma ostre krawędzie, czy też możesz zaobserwować pewien obszar, w którym cień jest „słabszy”, a krawędzie cienia nieostre?
Efekt występowania obszaru „jaśniejszego” cienia nazywamy półcieniem. W jaki sposób on powstaje?
Powstawanie półcienia
Półcień powstaje wtedy, gdy mamy do czynienia z nieprzezroczystym przedmiotem oświetlanym
rozciągłym źródłem światła. Cień bez półcienia powstaje tylko wówczas, gdy nieprzezroczysty przedmiot oświetlony jest punktowym źródłem światła.
Punktowe źródło światła to takie, którego rozmiary są zdecydowanie mniejsze od odległości od
oświetlanego przedmiotu. Na przykład oddalona od nas o tysiące lat świetlnych gwiazda, mimo swojego ogromnego rozmiaru, może być traktowana jako punktowe źródło światła, ponieważ jej średnica w porównaniu z jej odległością od Ziemi jest bardzo mała.
Gdy mówimy o rozciągłych źródłach światła, mamy na myśli takie źródła, których rozmiary są stosunkowo duże w porównaniu z odległością od oświetlanego przedmiotu. Na przykład Słońce
w porównaniu z odległością między nim a Ziemią ma na tyle duże rozmiary, że możemy traktować je jako rozciągłe źródło światła.
Świecąca żarówka elektryczna jest przykładem źródła światła, które możemy w zależności od jej
odległości od oświetlanego przedmiotu traktować jako źródło rozciągłe– gdy jest blisko – lub punktowe – jeśli odległość dzieląca ją od oświetlanego przedmiotu jest wystarczająco duża.
Za oświetlonym przedmiotem powstaje cień. Ponieważ rozciągłe źródło światła oświetla przedmiot pod różnymi kątami, część promieni może oświetlić obszar za przedmiotem i tym sposobem powstaje cień nieco jaśniejszy od tego powstałego bezpośrednio za przedmiotem. Ten nieco jaśniejszy cień nazywany
jest właśnie półcieniem. Gdy znajdziemy się w obszarze półcienia, widzimy fragment powierzchni źródła światła. Natomiast z obszaru cienia nie jesteśmy w stanie w ogóle zaobserwować źródła. Sytuacja taka występuje podczas zaćmień Słońca. Jeżeli znajdziesz się w stożku cienia Księżyca, to zaobserwujesz zakrytą tarczę Słońca. Jeżeli znajdziesz się w obszarze stożka półcienia Księżyca, to zobaczysz tzw.
zaćmienie częściowe – część tarczy Słońca będzie przesłonięta tarczą Księżyca.
Zapamiętaj!
Powstawanie cienia i półcienia jest dowodem na prostoliniowe rozchodzenie się promieni świetlnych.
Polecenie 2
Podaj przykłady, dla których to samo źródło światła można potraktować raz jako punktowe, a innym razem jako rozciągłe.
Podsumowanie
Jeżeli światło, które wyszło z jakiegoś ciała dotrze do naszego oka i wywoła w nim wrażenie świetlne, to powiemy, że widzimy to ciało. Światło to może pochodzić bezpośrednio z wysyłającego je źródła ale widzimy również przedmioty, od których światło się odbiło.
Źródłem światła jest każde ciało emitujące promieniowanie świetlne.
Znane nam źródła światła możemy podzielić na dwie grupy:
naturalne źródła światła (Słońce, gwiazdy, świetliki, niektóre stworzenia morskie, wyładowania atmosferyczne);
sztuczne źródła światła (żarówki elektryczne, neony, diody LED, ognisko).
Źródła światła mogą być punktowe i rozciągłe.
O punktowym źródle światła mówimy wtedy, gdy możemy przyjąć, że promienie wychodzą z jednego punktu. Jest tak wtedy, gdy rozmiary źródła światła są wielokrotnie mniejsze od odległości dzielącej to źródło od oświetlanego przedmiotu.
Jeżeli rozmiary źródła są większe od oświetlanego przedmiotu (na przykład Słońce oświetlające Ziemię lub Księżyc), to mówimy o rozciągłych źródłach światła.
Oprócz źródeł światła są jeszcze obiekty, które świecą światłem odbitym. Należą do nich do nich Księżyc i planety, które nie emitują światła, jedynie odbijają światło słoneczne.
Podczas rozchodzenia sie światła występuje zjawisko powstawania cienia i półcienia – oba zjawiska są dowodem na to, że światło w ośrodkach jednorodnych rozchodzi się prostoliniowo.
Obszar, do którego nie dochodzą promienie świetlne, nazywamy cieniem.
Jeżeli nieprzezroczysty przedmiot jest oświetlany rozciągłym źródłem światła lub gdy przedmiot oświetlany jest kilkoma źródłami punktowymi, to oprócz cienia powstaje obszar półcienia, do którego dociera światło tylko z części źródła światła.
Praca domowa Polecenie 3.1
Pewne nieprzezroczyste ciało, znajdujące się w określonej odległości od ekranu, oświetlono raz żarówką z punktowym żarnikiem, a drugi raz żarówką z żarnikiem rozciągłym. Co można
powiedzieć na temat cienia i półcienia rzucanego przez to ciało? Zaprezentuj graficznie omówione sytuacje.
Polecenie 3.2
Wykonaj rysunek przedstawiający Słońce oraz Ziemię. Słońce jest znacznie większe od Ziemi.
Narysuj obszar, do którego nie trafiają promienie słoneczne (obszar cienia) oraz obszar, do którego promienie trafiają tylko z części powierzchni Słońca (obszar półcienia).
Polecenie 3.3
Poszukaj w Internecie informacji na temat całkowitych i częściowych zaćmień Słońca i Księżyca.
Przeanalizuj i porównaj znalezione interpretacje tych zjawisk.
Polecenie 3.4
Na podstawie czego poznasz, że znalazłeś się w obszarze półcienia rzucanego przez nieprzezroczyste ciało? Jak udowodnisz fakt, że znalazłeś się w obszarze cienia?
Słowniczek
lata świetlne
– odległość, jaką przebywa światło z prędkością około w czasie odpowiadającym podanej liczbie lat ziemskich.
obszar cienia
– obszar, do którego nie dochodzą promienie świetlne.
półcień
– powstaje zawsze, gdy mamy do czynienia z nieprzezroczystym przedmiotem oświetlanym rozciągłym źródłem światła. Do obszaru półcienia trafia tylko część promieni ze źródła i z obszaru półcienia widać tylko część źródła światła.
punktowe źródło światła
– źródło, którego rozmiary pozostają niezmienne niezależnie od odległości do oświetlanego przedmiotu.
rozciągłe źródło światła
– źródło, które jest stosunkowo duże w porównaniu z odległością między tym źródłem a oświetlanym przedmiotem.
źródło światła
– każde ciało wysyłające (emitujące) światło.
Zadania podsumowujące lekcję
Ćwiczenie 3 Uzupełnij tekst.
Jednym z nowoczesnych źródeł światła jest ... elektroluminescencyjna.
Źródło: Dariusz Kajewski <Dariusz.Kajewski@up.wroc.pl>, licencja: CC BY 3.0.
Ćwiczenie 4
Które informacje są prawdziwe, a które fałszywe?
Prawda Fałsz
Rozciągle źródła światła mają rozmiary dużo mniejsze niż
odległość między źródłem światła a oświetlanym
przedmiotem.
□ □
Gwiazda może być traktowana jako punktowe źródło światła.
□ □
Punktowe źródło światła ma zawsze mniejsze rozmiary niż
oświetlany przedmiot.
□ □
Źródło: Dariusz Kajewski <Dariusz.Kajewski@up.wroc.pl>, licencja: CC BY 3.0.
