Światło widzialne, Publikacje z Fizyka

Pobierz Światło widzialne i więcej Publikacje w PDF z Fizyka tylko na Docsity!

Światło widzialne - charakterystyka

Wprowadzenie Przeczytaj Grafika interaktywna Sprawdź się Dla nauczyciela

Czy to nie ciekawe?

Światło widzialne, to jedyny rodzaj fal elektromagnetycznych znany ludziom od zawsze, choć aż do lat sześćdziesiątych XIX wieku nieznana była jego natura. Ludzi fascynowały zjawiska optyczne, jak tęcza widoczna na zdjęciu. Całe wieki trwały spory, czy światło ma skończoną prędkość, czy też rozchodzi się natychmiastowo.

Światło widzialne - charakterystyka

Przeczytaj

Warto przeczytać

W 1861 James Maxwell opublikował równania, w których udowodnił, że elektryczność i magnetyzm są dwoma rodzajami tego samego zjawiska – elektromagnetyzmu. Równania Maxwella nie tylko w spójny sposób wyjaśniały wszystkie zjawiska elektryczne i magnetyczne, ale przewidywały istnienie fal elektromagnetycznych, które poruszają się z prędkością światła c = 3·10. Naturalnym wnioskiem było przyjęcie, że światło jest falą elektromagnetyczną.

Falę elektromagnetyczną charakteryzuje:

częstotliwość ν , czyli liczba pełnych cykli zmian pola magnetycznego lub elektrycznego w ciągu jednej sekundy, wyrażona w hercach (Hz), 1 Hz = 1 s. długość fali λ, czyli odległość między najbliższymi punktami, w których pole elektryczne lub magnetyczne jest w tej samej fazie cyklu.

Wielkości te są ze sobą związane: im większa jest częstotliwość, tym mniejsza długość fali:

gdzie c jest prędkością światła.

Światło widzialne obejmuje bardzo wąski zakres w widmie fal elektromagnetycznych, od 380 do 780 nm. Tylko takie promieniowanie odbierają nasze oczy. Promieniowanie o mniejszej długości fali to ultrafiolet, o większej – podczerwień. Oko ludzkie odbiera światło o różnych długościach fal jako wrażenie różnych barw (Rys. 1.).

fiolet od 380 nm do 436 nm, niebieski od 436 nm do 495 nm, zielony od 495 nm do 566 nm, żółty od 566 nm do 589 nm, pomarańczowy od 589 nm do 627 nm, czerwony od 627 nm do 780 nm.

8 m s

ν = (^) λc

400 450 500 550 600 650 700 750 nm

Rys. 1. Widmo światła widzialnego.

Światło białe jest mieszaniną wszystkich barw. Można się o tym przekonać rozszczepiając światło w pryzmacie lub oglądając tęczę, która powstaje na skutek rozszczepienia światła białego na kropelkach wody w chmurach.

Jak to się dzieje, że widzimy świat w kolorach? Gdy na ciało pada światło białe, część promieniowania jest pochłaniana, a część odbija się od jego powierzchni. Jeśli jakieś ciało pochłania światło o barwach od czerwonego do zielonego, a odbija światło niebieskie i fioletowe, to oglądane w świetle białym, będzie mieć odcień niebieskiego lub fioletowego, zależnie od udziału tych barw w świetle odbitym.

Światło widzialne jest tylko w małym stopniu absorbowane zarówno przez atmosferę ziemską, jak i przez wodę. Ta jego cecha jest niezwykle istotna dla życia na Ziemi. Zawdzięczamy jej nie tylko możliwość widzenia otoczenia, ale też samo powstanie życia na Ziemi. Życie nie mogłoby istnieć bez fotosyntezy, do której potrzebne jest światło.

Światło ma naturę falową , czyli ulega różnego rodzaju zjawiskom fizycznym, typowym dla fal, jak dyfrakcja, czy interferencja. Ale jednocześnie posiada naturę korpuskularną – składa się z fotonów , cząstek elementarnych o zerowym ładunku i masie spoczynkowej. Brak masy spoczynkowej oznacza, że foton nie istnieje w spoczynku, może tylko poruszać się z prędkością światła.

Energia fotonu jest wprost proporcjonalnej do częstotliwości fali, a odwrotnie proporcjonalnej do długości fali elektromagnetycznej:

gdzie ν jest częstotliwością fali, λ - długością fali, c = 3·10 - prędkością światła, h - stałą Plancka, h = 6,63·10 J·s = 4,14·10 eV·s.

Mieszając ze sobą wiązki światła w kolorze czerwonym, niebieskim i zielonym można uzyskać dowolną barwę. Zmieszanie światła o jednakowych natężeniach w tych trzech barwach daje światło białe (Rys. 2). Zmieniając udział poszczególnych barw, można otrzymać inny kolor. Zjawisko tworzenia nowych barw przez nakładanie się wiązek światła widzialnego o różnych długościach nazywamy syntezą addytywną.

E = hν = hc λ 8 m s -34 -

Na zasadzie addytywnego mieszania barw działają wszystkie współczesne monitory, telewizory, aparaty cyfrowe i tym podobne urządzenia. Z połączenia barw RGB (red, green, blue) w dowolnych kombinacjach ilościowych można otrzymać na ekranie szeroki zakres barw pochodnych.

Słowniczek

nanometr (nm)

(ang.: nanometre) jednostka długości równa 10 m.

podczerwień

(ang.: infrared) promieniowanie elektromagnetyczne o długościach fal większych, niż dla światła widzialnego, od 780 nm do 1 mm.

nadfiolet (ultrafiolet)

(ang.: ultraviolet) promieniowanie elektromagnetyczne o długościach fal mniejszych, niż dla światła widzialnego, od 10 nm do 380 nm.

fotoreceptor

(ang.: photoreceptor) receptor (wyspecjalizowany narząd lub komórka, odbierający informacje z otoczenia), który pochłania światło i uruchamia określoną reakcję fizjologiczną w organizmie.

Grafika interaktywna

Dlaczego widzimy różne kolory przedmiotów?

Grafika przedstawia widmo światła białego. Gdy takie światło pada na powierzchnię ciała, która pochłania określone długości fal, widzimy to ciało w pewnym kolorze. Zastanów się i sprawdź, w jakim.

400 450 500 550 600 650 700 750 nm

Światło pochłonięte Światło odbite o barwie niebieskofioletowej

400 450 500 550 600 650 700 750 nm

Światło odbite o barwie zielonożółtej Światło pochłonięte Światło pochłonięte

400 450 500 550 600 650 700 750 nm

Polecenie 1

Jaką barwę ma powierzchnia, która pochłania wszystkie długości fal z zakresu światła widzialnego?

Polecenie 2

Jaką barwę ma powierzchnia, która odbija wszystkie długości fal z zakresu światła widzialnego?

Uzupełnij

Uzupełnij

Sprawdź się

Ćwiczenie 1

Ćwiczenie 2

Uzupełnij zdanie:

Energia fotonu światła czerwonego jest większa/ mniejsza, niż energia fotonu światła zielonego.

Ćwiczenie 3

Jeśli ciało pochłania światło o barwach od pomarańczowej do fioletowej, a odbija światło czerwone, to oglądane w świetle białym, będzie mieć barwę:

fioletową

czerwoną

pomarańczową

Uporządkuj barwy światła widzialnego według wzrastającej długości fali:

Żółta

Pomarańczowa

Niebieska

Fioletowa

Czerwona

Ćwiczenie 6

Na zdjęciu pokazany jest protest „żółtych kamizelek” we Francji w roku 2018. Wyjaśnij, dlaczego wybrano właśnie ten kolor na kamizelki dla robotników pracujący na drogach.

Źródło: Obier, CC BY-SA 4.0, via Wikimedia Commons

Ćwiczenie 7

Uzupełnij

Oblicz najmniejszą i największą częstotliwość fali światła widzialnego, z dokładnością do dwóch cyfr znaczących.

·10 Hz

·10 Hz

νmin = 14

νmax = 14

Ćwiczenie 8 Oblicz, jaką największą energię może mieć foton światła widzialnego. Wyraź energię fotonu w dżulach i w elektronowoltach, z dokładnością do dwóch cyfr znaczących.

E = ·10 J

lub E = eV

max -

max

Cele operacyjne:

Uczeń:

1. opisze, czym jest światło widzialne;
2. wykorzysta związek między długością fali i częstotliwością;
3. wyjaśni, dlaczego widzimy przedmioty w różnych barwach;
4. opisze korpuskularną naturę światła;
5. przeanalizuje zjawisko syntezy addytywnej barw.

Strategie nauczania: strategia eksperymentalno‐obserwacyjna (dostrzeganie i definiowanie problemów)

Metody nauczania: wykład informacyjny, pokaz multimedialny, analiza pomysłów

Formy zajęć: praca w grupach, praca indywidualna

Środki dydaktyczne: komputer z rzutnikiem lub tablety do dyspozycji każdego ucznia

Materiały pomocnicze: e‐materiał: „Widmo światła słonecznego”

PRZEBIEG LEKCJI

Faza wprowadzająca:

Wprowadzenie, zgodnie z treścią w części pierwszej „Czy to nie ciekawe?”. Odwołanie do wiedzy uczniów o zjawisku rozszczepienia światła słonecznego.

Faza realizacyjna:

Nauczyciel wyjaśnia, że światło jest falą elektromagnetyczną o takim zakresie długości fal, który jest odbierany przez ludzkie oczy. Uczniowie przypominają definicje pojęć opisujących fale (takie, jak długość fali, okres, częstotliwość) oraz stosują je do fal elektromagnetycznych. Przypominają związki pomiędzy tymi wielkościami. Nauczyciel podkreśla dwoistą naturę światła – falową i korpuskularną. Podaje i omawia wzór na energię fotonu. Uczniowie oglądają grafikę interaktywną, wyjaśniającą związek postrzeganych barw powierzchni ciał z zakresem pochłanianego i odbijanego przez nie światła, a następnie odpowiadają na pytania aktywizujące. Nauczyciel odwołuje się do potocznej i dotychczasowej wiedzy uczniów i wspólnie z nimi opisuje zjawisko syntezy addytywnej. Nawiązują przy tym do sposobu postrzegania barw przez ludzkie oko, w którym znajdują się trzy rodzaje czopków rejestrujące trzy barwy: czerwoną, zieloną i niebieską. Uczniowie zauważają, że na zasadzie addytywnego mieszania barw działają na przykład monitory, telewizory, ekrany telefonów komórkowych.

Faza podsumowująca:

Uczniowie w grupach rozwiązują zadania 7 i 8 z zestawu ćwiczeń.

Praca domowa:

Zadania z zestawu ćwiczeń, 1 - 4 obowiązkowo, do wyboru jedno z pozostałych zadań.

Wskazówki metodyczne opisujące różne zastosowania danego multimedium

Grafika interaktywna może też być wykorzystana przez uczniów po lekcji do powtórzenia i utrwalenia wiadomości lub jako materiał przy prowadzeniu lekcji metodą odwróconej klasy.