5 lucruri pe care orice om ar trebui să le știe despre lumină
2015 este Anul Internațional al Luminii (dar anul universal al luminii este în 2533). Cred că putem fi cu toții de acord că lumina este foarte importantă în aproape toate aspectele vieții noastre. Dar care sunt lucrurile esențiale pe care fiecare om ar trebui să le știe despre ea? Bine, am să dau un pas înapoi în ceea ce privește oamenii sub vârsta de 7 ani. Copiii mai mici probabil că știu o mulțime de lucruri despre lumină (din moment ce o folosesc tot timpul) – dar hai să nu ne facem griji pentru ei deocamdată. Deci, dacă aveți peste 7 ani, fiți atenți.
Lumina este o undă
Ce este o undă? Să începem cu un exemplu. Aruncați o piatră într-o baltă și veți vedea ceva de genul acesta:
Pietra produce o perturbare în apă (o ondulație). Această perturbare se deplasează radial spre exterior de la locul unde a lovit piatra. Perturbarea este cea care se mișcă spre exterior, nu moleculele de apă – ele doar se mișcă în sus și în jos. Puteți face ceva similar cu o lungime de sfoară. Așezați-o pe podea și continuați să scuturați un capăt. Perturbarea se deplasează în josul șnurului (un șnur greu funcționează mai bine).
Să ne uităm la cazul unei unde care se deplasează în josul unui șnur. Există 4 proprietăți pe care le puteți lua în considerare:
Aceste 4 proprietăți sunt:
- Amplitudine: aceasta este mărimea deplasării pentru perturbație. Unitățile de măsură pentru amplitudine depind de tipul de undă. Pentru o coardă, unitățile ar fi metri.
- Viteza undei: dacă ar fi să urmăriți o deplasare, aceasta ar fi în mișcare. Viteza undei este viteza (pare redundant). Unitatea pentru viteza undelor este metri pe secundă.
- Lungimea de undă: aceasta este distanța de la o perturbare la următoarea, măsurată în metri
- Frecvența: dacă ar fi să numărați câte unde au trecut printr-un punct staționar în fiecare secundă, aceasta ar fi frecvența (în cicluri pe secundă sau Hertz).
- Se extinde și radiază în toate direcțiile (cum ar fi un bec sau undele din apă provocate de o piatră).
- Interfera cu alte unde.
- Se îndoaie în jurul colțurilor (da, lumina face acest lucru – dar este greu de văzut).
- Transportă energie și impuls.
- Interacționează cu materia.
- Radio
- Microunde
- Infraroșu
- Lumina vizibilă
- Ultraviolete
- X-.raze (dar ele sunt unde)
- Raze gamma
Ultimele trei proprietăți sunt legate. Viteza undei este egală cu produsul dintre lungimea de undă și frecvență.
Așadar, lumina este o undă. Aceasta înseamnă că are toate proprietățile de mai sus și poate face lucruri ondulatorii, cum ar fi:
Lumina face toate aceste lucruri.
Lumina este o undă electromagnetică
Îți poți crea propria undă. Luați un prelungitor lung și întindeți-l pe pământ. Acum dați o scuturătură verticală la un capăt. Ar trebui să obțineți ceva de genul acesta (acest gif este cu încetinitorul):
Acum îndepărtați prelungitorul și repetați demonstrația. Da, nu se întâmplă nimic. Dacă nu aveți un mediu în care să se deplaseze o undă, nu există nicio undă. Dar ce se întâmplă cu lumina? Lumina este o undă, nu-i așa? Da, într-adevăr (așa cum am descris mai sus). Atunci, cum călătorește lumina prin spațiul gol în timp ce se deplasează de la Soare la Pământ? Care este mediul pentru o undă de lumină?
Se pare că există două lucruri importante despre câmpurile electrice și magnetice. În primul rând, iată un fir care transportă curent electric peste o busolă magnetică. Curentul electric creează un câmp magnetic care face ca acul busolei să se rotească.
Dar nici măcar nu este nevoie de un curent electric pentru a crea câmpuri magnetice. Se pare că un câmp electric în schimbare va crea și un câmp magnetic. Iată o bobină de sârmă conectată la un bec (fără baterie). Când acesta este plasat deasupra acestui câmp magnetic schimbător, se creează câmpul electric schimbător care antrenează un curent.
Acum avem un câmp electric schimbător care creează un câmp magnetic și un câmp magnetic schimbător creează un câmp electric. Puneți aceste două idei împreună și puteți crea două unde (o undă de câmp electric și o undă de câmp magnetic) care amândouă o fac pe cealaltă să se propage. Undele electromagnetice nu au nevoie de un mediu pentru că, într-un anumit sens, ele sunt propriul lor mediu.
Diferitele lungimi de undă ale luminii interacționează diferit cu materia
În primul rând, există spectrul electromagnetic. Puteți face o undă electromagnetică de toate lungimile de undă diferite – de la mai mari de 1 metru (undele radio) până la mai puțin de 10 picometri (raze gamma – dar sunt tot unde). Iată clasificarea obișnuită a spectrului electromagnetic, mergând de la lungimi de undă mari la cele mici.
Toate acestea sunt unde electromagnetice și toate se deplasează cu aceeași viteză (viteza luminii). Cu toate acestea, ele au interacțiuni diferite cu materia. Dacă vă aflați în interior, telefonul dvs. mobil poate primi în continuare date de la un turn de telefonie mobilă, deoarece aceste unde radio trec prin majoritatea pereților. Puteți vedea prin pereți? Nu. Lumina vizibilă nu trece prin majoritatea pereților. Razele X trec în cea mai mare parte prin piele, dar nu puteți vedea (cu lumina vizibilă) prin piele – ar fi pur și simplu ciudat.
Tehnic, interacțiunea cu lumina și materia depinde de frecvența luminii – dar, din moment ce frecvența și lungimea de undă sunt legate, putem vorbi doar despre lungimea de undă.
Vezi lucruri atunci când lumina îți intră în ochi
Ok, aici nu este vorba doar despre lumină, ci și despre modul în care funcționează oamenii.
Există două moduri în care lumina ar putea intra în ochi. În primul rând, ar putea exista o sursă de lumină (cum ar fi un bec) care să creeze lumină. Această lumină ajunge apoi în ochiul tău și BOOM – creierul tău interpretează acest semnal ca fiind lumină. Celălalt mod (mai comun) este de a vedea lucrurile prin lumina reflectată. Să presupunem că vă uitați la un creion. Lumina (de undeva) se reflectă pe creion și apoi în ochiul tău.
Dar ce se întâmplă dacă nu există lumină care să intre în ochiul tău? Ce se întâmplă dacă te afli într-un loc în care nu există absolut nicio sursă de lumină? În acest caz, percepeți culoarea neagră. De fapt, aceasta poate fi o întrebare amuzantă. Întrebați pe cineva astfel:
Ați fost vreodată într-un loc unde nu există absolut nicio lumină? (majoritatea oamenilor nu au făcut-o) Dacă vă aflați într-o cameră care este complet întunecată, ce ați vedea? Ce se întâmplă după ce așteptați mult, mult timp?
Unul dintre răspunsurile foarte frecvente este că veți vedea totul negru – la început. Acești oameni vor spune, de asemenea, că după un timp ochii tăi se vor adapta și atunci vei vedea ceva. Răspunsul corect este că veți vedea doar negru – pentru totdeauna. Dacă nu intră lumină în ochiul tău, atunci vei vedea doar negru. Ideea comună se bazează pe o experiență comună. În mod normal, dacă te afli într-o cameră întunecată, ochii tăi se adaptează într-adevăr. Cu toate acestea, acest lucru funcționează doar în încăperi cu puțină lumină – și aproape întotdeauna există cel puțin puțină lumină.
Toate obiectele produc lumină
Poate ar trebui să spun că toate obiectele creează unde electromagnetice – așa este. Să ne uităm la un exemplu din casa ta. Mergeți în bucătăria dumneavoastră și porniți aragazul la foc mare (presupunând că aveți un aragaz electric). Acum doar priviți-o cum se încălzește (dar nu o atingeți).
În cele din urmă, elementul aragazului va deveni atât de fierbinte încât va străluci de o culoare roșiatică joasă (roșu aprins). Dar, de fapt, elementul a produs lumină în tot acest timp. Doar că, la temperaturi mai scăzute, lumina electromagnetică este într-o lungime de undă pe care nu o puteți vedea – este în spectrul infraroșu.
Majoritatea lucrurilor pe care le vedeți în jurul vostru emit radiații EM (electromagnetice) în spectrul infraroșu – deci nu le puteți vedea. Ei bine, de fapt, o poți vedea indirect dacă ai o cameră cu infraroșu impresionantă (pentru telefonul tău). Aceste camere termice detectează lumina infraroșie și creează o imagine cu culori false pe care oamenii o pot vedea. În cea mai mare parte, diferitele culori din imaginea IR corespund diferitelor temperaturi ale obiectelor.
Iată un exemplu. Acesta este câinele meu pe o podea netedă. Observați că ochii și nasul său sunt mai calde decât alte părți ale corpului său. De asemenea, observați că puteți vedea reflexia lui în infraroșu pe podea.
Rhett Allain
Dar funcționează acest lucru pentru obiecte mai fierbinți decât elementul aragazului dumneavoastră? Da. Pe măsură ce un obiect devine și mai fierbinte, acesta creează lumină cu lungimi de undă din ce în ce mai scurte. În cele din urmă, obiectul ar părea alb, deoarece se produce mai multă lumină cu lungime de undă mai scurtă. Da, ar putea crea chiar și lumină ultravioletă la temperaturi și mai ridicate.
Ok, acestea sunt cele cinci lucruri pe care toată lumea ar trebui să le știe despre lumină.
.