5 rzeczy, które każdy człowiek powinien wiedzieć o świetle

5 rzeczy, które każdy człowiek powinien wiedzieć o świetle

2015 jest Międzynarodowym Rokiem Światła (ale uniwersalny rok światła przypada na rok 2533). Myślę, że wszyscy możemy się zgodzić, że światło jest bardzo ważne w prawie wszystkich aspektach naszego życia. Ale jakie są najważniejsze rzeczy, które każdy człowiek powinien o nim wiedzieć? Ok, zamierzam dać sobie spokój z ludźmi poniżej 7 roku życia. Młodsze dzieci prawdopodobnie wiedzą wiele rzeczy o świetle (ponieważ używają go cały czas) – ale na razie nie przejmujmy się nimi. Tak więc, jeśli jesteś w wieku powyżej 7 lat, zwróć uwagę.

Zobacz więcej

Światło jest falą

Co to jest fala? Zacznijmy od przykładu. Wrzuć kamień do kałuży, a zobaczysz coś takiego:

Kamień powoduje zakłócenie w wodzie (falowanie). To zakłócenie porusza się promieniście na zewnątrz od miejsca uderzenia kamienia. To zaburzenie porusza się na zewnątrz, a nie cząsteczki wody – one po prostu poruszają się w górę i w dół. Możesz zrobić coś podobnego z kawałkiem sznurka. Połóż go na podłodze i potrząsaj jednym końcem. Zaburzenie przemieszcza się w dół sznurka (ciężki sznurek działa lepiej).

Spójrzmy na przypadek fali przemieszczającej się w dół sznurka. Istnieją 4 właściwości, które można rozważyć:

Te 4 właściwości to:

• Amplituda: jest to wielkość przemieszczenia dla zaburzenia. Jednostki amplitudy zależą od rodzaju fali. W przypadku sznurka jednostkami będą metry.
• Prędkość fali: jeśli obserwowalibyśmy jedno przemieszczenie, to byłoby ono w ruchu. Prędkość fali jest prędkością (to wydaje się zbędne). Jednostką prędkości fali są metry na sekundę.
• Długość fali: jest to odległość od jednego zaburzenia do następnego mierzona w metrach
• Częstotliwość: gdybyś miał policzyć ile fal przeszło przez nieruchomy punkt w każdej sekundzie, byłaby to częstotliwość (w cyklach na sekundę lub Hertzach).

Trzy ostatnie własności są ze sobą powiązane. Prędkość fali jest równa iloczynowi długości fali i częstotliwości.

Światło jest więc falą. Oznacza to, że ma wszystkie powyższe właściwości i może robić falowe rzeczy, takie jak:

• Rozszerzać się i promieniować we wszystkich kierunkach (jak żarówka lub fale w wodzie spowodowane przez kamień).
• Interferować z innymi falami.
• Zaginać się za rogami (tak, światło to robi – ale trudno to zobaczyć).
• Przenosić energię i pęd.
• Wchodzić w interakcje z materią.

Światło robi wszystkie te rzeczy.

Światło jest falą elektromagnetyczną

Możesz zrobić własną falę. Weź długi przedłużacz i rozłóż go na ziemi. Teraz potrząśnij jednym końcem w pionie. Powinieneś otrzymać coś takiego (ten gif jest w zwolnionym tempie):

Zabierz teraz przedłużacz i powtórz demonstrację. Tak, nic się nie dzieje. Jeśli nie ma medium, w którym fala może się przemieszczać, to nie ma fali. Ale co ze światłem? Światło jest falą, prawda? Tak, rzeczywiście (jak opisałem powyżej). W takim razie, jak światło podróżuje przez pustą przestrzeń, gdy zmierza od Słońca do Ziemi? Jaki jest ośrodek dla fali świetlnej?

Okazuje się, że są dwie ważne rzeczy dotyczące pól elektrycznych i magnetycznych. Po pierwsze, mamy tu przewód przewodzący prąd elektryczny nad kompasem magnetycznym. Prąd elektryczny wytwarza pole magnetyczne, które powoduje obrót igły kompasu.

Ale nie trzeba nawet prądu elektrycznego, aby wytworzyć pole magnetyczne. Okazuje się, że zmieniające się pole elektryczne wytworzy również pole magnetyczne. Oto cewka drutu podłączona do żarówki (bez baterii). Kiedy umieszcza się ją nad zmiennym polem magnetycznym, powstaje zmienne pole elektryczne, które napędza prąd.

Mamy więc zmienne pole elektryczne, które tworzy pole magnetyczne, a zmienne pole magnetyczne tworzy pole elektryczne. Połącz te dwie idee razem i możesz stworzyć dwie fale (falę pola elektrycznego i falę pola magnetycznego), które powodują propagację drugiej. Fale elektromagnetyczne nie potrzebują medium, ponieważ w pewnym sensie są swoim własnym medium.

Różne długości fal świetlnych różnie oddziałują z materią

Po pierwsze, istnieje spektrum elektromagnetyczne. Możesz zrobić falę elektromagnetyczną o różnych długościach fali – od większej niż 1 metr (fale radiowe) do mniejszej niż 10 pikometrów (promienie gamma – ale nadal są to fale). Oto powszechna klasyfikacja widma elektromagnetycznego od dużych długości fal do małych.

• Radio
• Mikrofale
• Podczerwień
• Światło widzialne
• Podfiolet
• X-Promienie (ale są to fale)
• Promienie gamma

Wszystkie z nich są falami elektromagnetycznymi i wszystkie poruszają się z tą samą prędkością (prędkość światła). Jednak mają one różne interakcje z materią. Jeśli jesteś wewnątrz, Twój telefon komórkowy może nadal otrzymywać dane z wieży komórkowej, ponieważ te fale radiowe przechodzą przez większość ścian. Czy można zobaczyć przez ściany? Nie. Światło widzialne nie przechodzi przez większość ścian. Promienie rentgenowskie przechodzą głównie przez skórę, ale nie możesz widzieć (za pomocą światła widzialnego) przez skórę – to byłoby po prostu dziwne.

Technicznie interakcja ze światłem i materią zależy od częstotliwości światła – ale ponieważ częstotliwość i długość fali są powiązane, możemy po prostu mówić o długości fali.

Widzisz rzeczy, gdy światło wchodzi do twojego oka

Ok, to nie jest tylko o świetle, ale także o tym, jak ludzie działają.

Są dwa sposoby, że światło może wejść do twojego oka. Po pierwsze, może być źródło światła (jak żarówka), które wytwarza światło. To światło wtedy podróżuje do twojego oka i BOOM – twój mózg interpretuje ten sygnał jako światło. Innym sposobem (bardziej powszechnym) jest widzenie rzeczy poprzez światło odbite. Załóżmy, że patrzysz na ołówek. Światło (skądś) odbija się od ołówka, a następnie do twojego oka.

A co się stanie, jeśli nie będzie światła, które wejdzie do twojego oka? Co jeśli jesteś w miejscu, w którym nie ma absolutnie żadnego źródła światła? W takim przypadku postrzegasz kolor czarny. Właściwie, to może być zabawne pytanie. Zapytaj kogoś o to:

Czy byłeś kiedyś gdzieś, gdzie nie ma absolutnie żadnego światła? (większość ludzi nie ma) Jeśli jesteś w pokoju, który jest całkowicie ciemny, co byś zobaczył? Co się stanie po odczekaniu długiego, długiego czasu?

Jedną z bardzo powszechnych odpowiedzi jest to, że zobaczysz wszystko jako czarne – na początku. Ci ludzie powiedzą również, że po pewnym czasie twoje oczy się dostosują i wtedy BĘDZIESZ coś widział. Prawidłowa odpowiedź jest taka, że będziesz widział tylko czerń – na zawsze. Jeśli do twojego oka nie dociera światło, to widzisz tylko czerń. Powszechne wyobrażenie opiera się na powszechnym doświadczeniu. Zazwyczaj, jeśli znajdujesz się w ciemnym pomieszczeniu, twoje oczy rzeczywiście się dostosowują. Jednak to działa tylko w pomieszczeniach z odrobiną światła – a tam prawie zawsze jest przynajmniej odrobina światła.

Wszystkie obiekty wytwarzają światło

Może powinienem powiedzieć, że wszystkie obiekty wytwarzają fale elektromagnetyczne – one to robią. Spójrzmy na przykład z twojego domu. Idź do swojej kuchni i włącz kuchenkę na wysoki stopień (zakładając, że masz kuchenkę elektryczną). Teraz obserwuj, jak się nagrzewa (ale nie dotykaj go).

W końcu element pieca nagrzeje się tak bardzo, że zacznie świecić na słabo czerwonawy kolor (red hot). Ale w rzeczywistości element ten przez cały czas wytwarzał światło. Po prostu w niższych temperaturach światło elektromagnetyczne ma długość fali, której nie możesz zobaczyć – jest to widmo podczerwone.

Większość rzeczy, które widzisz wokół siebie emituje promieniowanie EM (elektromagnetyczne) w widmie podczerwonym – więc nie możesz go zobaczyć. Cóż, w rzeczywistości możesz je pośrednio zobaczyć, jeśli masz wspaniałą kamerę na podczerwień (do telefonu). Te kamery termowizyjne dektektują światło podczerwone i tworzą obraz o fałszywych kolorach, który człowiek może zobaczyć. W przeważającej części, różne kolory w obrazie IR odpowiadają różnym temperaturom obiektów.

Oto przykład. To jest mój pies na gładkiej podłodze. Zauważ, że jego oczy i nos są cieplejsze niż inne części jego ciała. Zauważ również, że na podłodze widać jego odbicie w podczerwieni.

Ale czy to działa w przypadku obiektów gorętszych niż element Twojej kuchenki? Tak. Gdy obiekt staje się jeszcze gorętszy, wytwarza światło o coraz krótszej długości fali. Ostatecznie obiekt będzie wyglądał na biały, ponieważ więcej światła o krótszej długości fali jest wytwarzane. Tak, może nawet tworzyć światło ultrafioletowe w jeszcze wyższych temperaturach.

Ok, to jest pięć rzeczy, które każdy powinien wiedzieć o świetle.

.