Rebelova škola doma

Vlnenie

Mnoho javov v prírode (zvuk, svetlo) sa správa ako vlny na

morskej hladine. Morská hladina je na jednom mieste vyššia (vrchol vlny) a na druhom nižšia. Vzdialenosť jedného vrcholu od druhého pri vlnení sa nazýva vlnová dĺžka. Potom však na vyššom mieste voda klesne a na nižšom vystúpi (vlna sa teda presúva). Vlnenie je teda jav, pri ktorom sa prenáša hodnota nejakej fyzikálnej veličiny (výška vody pri morskom vlnení, tlak vzduchu pri zvuku), pričom však nedochádza k prenosú látky. Pri elektromagnetickom vlnení je touto veličinou takzvané elektromagnetické pole. Elektromagnetické vlnenie však nie je iba vlnenie, ale aj prúd častíc, ktoré sa nazývajú fotóny. Elektromagnetické vlnenie s vlnovou dĺžkou približne 390nm až 760nm sa nazýva viditeľné svetlo.

Základné pojmy z optiky a základné vlastnosti svetla

Viditeľné svetlo je elektromagnetické vlnenie s vlnovou dĺžkou približne 390nm až 760nm. Vieme ho vnímať zrakom (preto sa nazýva viditeľné), pričom jeho farba závisí od jeho vlnovej dĺžky (červená farba ju má najväčšiu a indigová-modrá najmenšiu). Tvorí 48% slnečného žiarenia. Oblasť fyziky, ktorá sa zaoberá viditeľným svetlom, sa nazýva optika.

Zdroj svetla (napr. slnko, žiarovka, sviečka, oheň...) je teleso, v ktorom svetlo vzniká a ktoré ho ďalej vysiela do okolia. Osvetené teleso (napr. mesiac, zrkadlo, vodná hladina...) svetlo nevytvára, len odráža.

Optické prostredie (napr. vákuum, vzduch, sklo, voda...) je prostredie, v ktorom sa svetlo šíri. V každom optickom prostredí sa svetlo šíri inou rýchlosťou. V opticky hustejšom prostredí sa šíri pomalšie a v opticky redšom prostredí sa šíri rýchlejšie. Vákuum je najredšie optické prostredie, čiže svetlo sa v ňom šíri najrýchlejšie (až 299792,458^km/_s≈300000^km/_s, rýchlosť svetla vo vákuu je najväčšia rýchlosť v našom vesmíre). Priehľadné optické prostredie (napr. číre sklo, voda, niektoré minerály...) prepúšťa svetlo dokonale, čiže cezeň vidíme všetko. Priesvitné optické prostredie (napr. mliečne sklo) prepúšťa svetlo nedokonale, vidíme cezeň iba obrysi. Číre optické prostredie prepúšťa svetlo všetkých farieb. Farebné optické prostredie prepúšťa svetlo iba niektorých farieb. Rovnorodé optické prostredie je optické prostredie, ktoré je zložené z jednej rovnomerne rozloženej látky. Svetlo sa v ňom šíri priamočiaro.

Svetelný lúč je myslená priamka, po ktorej sa svetlo šíri. Svetelný zväzok je zväzok viacerých svetelných lúčov. Je viditeľný napríklad vo vzduchu znečistenom prachom. Ak svetelný zväzok vychádza z plošného zdroja svetla, tak je rovnobežný (má rovnobežné lúče) a ak vychádza z bodového zdroja svetla, tak je rozbiehavý (má rozbiehavé lúče).

Optické rozhranie je hranica medzi dvomi optickými prostrediami. Pri dopade na optické rozhranie sa svetlo odráža, láme a absorbuje (pohltí).

Rozklad svetla, farby spektra a ako vzniká dúha

Biele slnečné svetlo je zmesou svetla rôznych farieb. Na jednotlivé farby ho vieme rozložiť. Použijeme na to tzv. optický hranol (trojboký hranol z číreho, rovnomerne rozloženého skla). Keď cezeň budeme svietiť, nastane lom svetla, pričom každá vlnová dĺžka sa zlomí o iný uhol. Svetlo týchto vlnových dĺžok zachytíme na tienidlo, na ktorom môžeme pozorovať tzv. farebné spektrum. V tomto prípade je spektrum spojité, čiže nevieme určiť, kde presne sa jedna farba končí a druhá začína. Jeho farby sú: červená, oranžová, žltá, zelená, azúrová (tyrkysová), modrá a fialová.

Keď prší, a za nami zároveň svieti slnko, slnečné svetlo sa rozloží na kvapkách vody a vzniká dúha. Keďže vodné kvapky majú iný tvar ako optický hranol, svetlo sa rozloží trochu ináč. Svetelný zväzok nebude rovnobežný, ani rozbiehavý, ale môžeme pozorovať akýsi polkruh (,,dúhový most"). Dopolunia môžeme dúhu pozorovať na západe a popoludní na východe. Na poludnie sa dúha nevytvorí.

Aditívne skladanie farebých svetelných lúčov a princíp farebného videnia

Svetlo však vieme nielen rozložiť, ale aj zložiť. Keďže biele svetlo je zmesou všetkých farieb dúhy, vieme ho zložiť z nich. Avšak takisto ho vieme zložiť aj z troch základných (primárnych) svetelných farieb: červená, zelená a modrá. Keď tromi baterkami (každá s jednou základnou svetelnou farbou, pričom ich intenzita je rovnaká) budeme svietiť na jedno miesto, dostaneme biele svetlo. Zo základných svetelných farieb vieme nakombinovať každú jednu farbu (okrem čiernej, ktorá vzniká absenciou-chýbaním svetla). Zložením akýchkoľvek dvoch z nich (samozrejme s rovnakou intenzitou) získame sekundárne svetelné farby (červená+zelená=žltá, červená+modrá=purpurová a zelená+modrá=tyrkysová). Takéto skladanie farieb sa nazýva aditívne. Aditívnym skladaním sa skladajú aj farby zobrazené na obrazovke vášho počítača alebo mobilu. Pozor, nie je to klasické miešanie maliarskych farieb, ako sa učí na výtvarnej.

Aditívne skladanie farieb využíva aj ľudské oko, aby sme mohli vidieť farebne. V oku sú tri druhy nervov, pričom každý druh reaguje na inú základnú svetelnú farbu. Farbu vidíme podľa toho, ako silno sú ktoré z nich dráždené. Biele svetlo (farbu) vidíme, ak sú dráždené všetky tri rovnako a silno. Šero (sivú farbu) vidíme, ak sú dráždené všetky tri rovnako a slabo. Tmu (čiernu farbu) vidíme, ak nervy v oku nie sú dráždené. Samozrejme, v skutočnosti je to oveľa zložitejší proces, ale tu nevysvetľujem biológiu a na fyziku postačí aj takéto extrémne zjednodušené vysvetlenie.

Farba nepriehľadného telesa závisí od toho, ktoré farby pohltí a ktoré odrazí. Vzniká totiž zmiešaním farieb, ktoré sa od neho odrazia (napríklad žlté teleso pohltí všetku modrú farbu a v rovnakej miere odrazí červenú a zelenú). Čierne teleso pohltí svetlo všetkých farieb a biele teleso svetlo všetkých farieb odrazí.

Najbližšie Vianoce si môžete skúsiť urobiť takýto malý pokus: budete pozorovať, akej farby sú odrazy farebných telies vo farebných vianočných guliach na stromčeku. Týmto spôsobom sa dá overiť, že vám tu neklamem, ale že naozaj odrážajú len svetlo svojich farieb. Napríklad červené, žlté a zelené telesá by ste mali vidieť v modrej farebnej guli ako čierne a biele, modré, purpurové a tyrkysové telesá ako modré.

Niečo navyše: farba priehľadného telesa subtraktívne skladanie farieb

Vyššie som napísal, že farba nepriehľadného telesa vzniká zmiešaním farieb, ktoré sa od neho odrazia. Ako však vzniká farba priehľadných a priesvitných telies? Vieme, že takéto telesá sa skladajú z látok, ktoré sú optickým prostredím. Vieme, že na optickom rozhraní (v tomto prípade medzi daným telesom a okolím - väčšinou okolitým vzduchom) sa svetlo odráža,  pohltí a časť je prepustená. Farba priehľadného alebo priesvitného telesa bude vznikať zmiešaním farieb, ktoré odrazí, ako aj farieb, ktoré prepustí. Avšak odraz sa na jeho farbe podieľa málo, a preto sa tu pre zjednodušenie budem zaoberať iba prepúšťaním svetla.

Teleso skladajúce sa z číreho priehľadného optického prostredia nebude mať žiadnu farbu, lebo svetlo všatkých farieb prespustí, a teda cezeň môžeme vidieť všetky telesá vo svojich reálnych farbách. Iná situácia nastane pri telese skladajúceho sa látky, ktorá je farebným optickým prostredím. Jeho farba vzniká zmiešaním farieb, ktoré prepustí (napríklad zelené sklo prepustí svetlo zelenej farby a svetlo ostatných farieb odrazí). Svetlo, ktoré prepustí, bude mať, samozrejme, zelenú farbu. Farebné optické prostredie tvorí tzv. farebný filter.

Opäť si môžete skúsiť urobiť malý pokus. Skúste sa na svet pozerať cez farebné optické prostredie, napríklad cez zelenú fľašu? Akej farby budú telesá, ktoré uvidíte? Neklamal som? Ak som hovoril pravdu, tak napríklad červené telesá by mali byť pri pozeraní sa cez zelenú fľašu čierne, keďže červené svetlo neprepúšťa.

Vyššie som písal o aditívnom skladaní farieb, ktoré vzniká zmiešaním (sčítavaním) svetla rôznych farieb. Existuje však aj subtraktívne skladanie farieb, ktoré vzniká pohlcovaním (odčítavaním) farieb zo svetla pomocou farebných filtrov. Základné (primárne) farby subtraktívneho skladania sú farby takých farebných filtrov, ktoré pohlcujú iba svetlo jednej farby. Sú to sekundárne farby aditívneho skladania, čiže žltá, tyrkysová (azúrová) a purpurová. Žltá pohltí modré svetlo (biele svetlo teda zmení na žlté, lebo z neho zostane iba kombinácia červenej a zelenej), tyrkysová (azúrová) pohltí červené svetlo (biele svetlo teda zmení na tyrkysové, lebo z neho zostane iba kombinácia zelenej a modrej) a purpurová pohltí zelené svetlo (biele svetlo teda zmení na purpurové, lebo z neho zostane iba kombinácia modrej a červenej). Kombináciou farených filtrov si vieme biele svetlo zmeniť na akúkoľvek farbu. Ak na seba poskladáme, filtre všetkých troch základných farieb subtraktívneho skladania, táto sústava svetlo neprepustí - vzniká čierna farba.

Subtraktívnym skladaním sa miešajú aj farby vo farebnej atramentovej tlačiarni. Ak ju máte doma, všimnite si, že má štyri farebné náplne: žltú, tyrkysovú, purpurovú (čiže primárne farby subtraktívneho skladania) a čiernu (lebo hoci by sa dala namiešať, museli by sa pritom míňať všetky tri zvyšné farby, čo by bolo drahé).

Slnečné žiarenie, svetlo a teplo

Slnečné žiarenie k nám prichádza zo vzdialenosti okolo 150 000 000 km. Táto vzdialenosť je označovaná aj ako astronomická jednotka (značka AU) a meriame ňou vzdialenosti v slnečnej sústave. Keďže väčšinu svojej cesty prechádza slnečné svetlo vákuuom (veľmi malú časť prechádza vzduchom, ale rýchlosť svetla vo vzduchu je skoro rovnaká ako vo vákuu), šíry sa rýchlosťou skoro 300 000 ^km/_s. Čas vypočítame tak, že dráhu vydelíme rýchlosťou: 150000000km:300000^km/_s=500s=8,3333...min≈8min. Teda žiareniu zo slnka trvá cca 8 min, kým sa dostane na Zem.

Slnko k nám vyžaruje tri druhy žiarenia viditeľné (ktorým sme sa tu zaoberali, tvorí 48% slnečného žiarenia), infračervené (ktoré pociťujeme ako teplo, tvorí 45% slnečného žiarenia) a ultrafialové (ktoré spôsobuje zhnednutie pokožky - opálenie, v nadmernej dávke môže poškodiť pokožku, oči a vyvolať rakovinu, tvorí 7% slnečného žiarenia).

Slnečná konštanta vyjadruje, že každú minútu dopadne kolmo na každý cm² zemského povrchu slnečné žiarenie s energiou 8,2J.

Ako vedci túto konštantu určili? Nie je to ťažký postup, môžete si ho vyskúšať aj vy. Poterbujeme na to polystyrénovú podložku (alebo iný tepelný izolant), čierny papier (alebo inú čiernu podložku), misku s vodou a teplomer. Budme postupovať takto:

1. Polystyrénovú podložku položíme na Zem ako izoláciu, na ňu položíme čierny paper a naň misku, do ktorej neskôr budeme nalievať vodu a dávať teplomer.
2. Zistíme si obsah dna misky.
3. Do misky si nalejeme vodu, ktorej hmotnosť poznáme.
4. Zistíme si teplotu vody na začiatku a po určitom čase.
5. Vypočítame teplo prijaté za ten určitý čas.
6. Teplo vydelíme časom v minútach.
7. Výsledok vydelíme plochou v cm².

Pravdepodobne nezískate hodnotu presne 8,2J. Množstvo energie zo slnka sa mení (závisí to od oblačnosti, ročného obdobia a pod.). Vedci však tento experiment mnohokrát opakovali a určili akýsi piremer získaných hodnôt - slnečnú konštantu.