Φύση και Διάδοση Φωτός

Όραση και ενέργεια

1. Ποιες ήταν οι αντιλήψεις  για τη σχέση φωτός και όρασης κατά την αρχαιότητα;

Ορισμένοι αρχαίοι Έλληνες φιλόσοφοι όπως ο Πυθαγόρας, ο Δημόκριτος και ο Αριστοτέλης ερμήνευαν την όραση θεωρώντας ότι κάθε αντικείμενο που παρατηρούμε εκπέμπει σωματίδια. Τα σωματίδια αυτά εισέρχονται στα μάτια μας και διεγείρουν την όραση.

Ωστόσο η πιο διαδεδομένη άποψη ήταν αυτή που διατυπώθηκε από τους Εμπεδοκλή, Πλάτωνα, και Ευκλείδη. Σύμφωνα με αυτή, διακρίνουμε ένα αντικείμενο όταν ρεύμα φωτιάς (θείον πυρ) εξέρχεται από τα μάτια μας και πέφτει πάνω στο αντικείμενο. Μόλις τον 11ο αιώνα μ.Χ. ο Άραβας αστρονόμος Αλχάζεν έδειξε ότι η πρώτη άποψη είναι πιο κοντά στην πραγματικότητα. Ισχυρίστηκε, ότι, αν από τα μάτια μας εξέρχονταν ρεύμα φωτός τότε θα ήταν δυνατόν να βλέπουμε όλα τα αντικείμενα ακόμη και στο απόλυτο σκοτάδι.

2.Πως βλέπουμε ένα σώμα σύμφωνα με τις σύγχρονες  αντιλήψεις  για το φως;

Για να διακρίνουμε ένα αντικείμενο πρέπει φως που προέρχεται από το αντικείμενο να εισέρχεται στα ανοικτά μάτια μας.

3. Ποια σώματα ονομάζονται αυτόφωτα και ποια ετερόφωτα;

Τα σώματα τα οποία εκπέμπουν το δικό τους φως ονομάζονται αυτόφωτα και αποτελούν τις φωτεινές πηγές, π.χ. ο Ήλιος, η φωτιά κ.α.

Τα σώματα τα οποία ανακλούν το φως που προσπίπτει πάνω τους ονομάζονται ετερόφωτα π.χ. ο άνθρωπος, ένα βιβλίο κ.α.

4. Τι είναι φωτεινή ενέργεια και πως μεταφέρεται; Τι είναι τα φωτόνια και ποια τα χαρακτηριστικά τους;

Φωτεινή ενέργεια είναι η ενέργεια που μεταφέρει το φως. Η φωτεινή ενέργεια αποτελεί ειδική περίπτωση της ενέργειας ακτινοβολίας. Η μεταφορά της φωτεινής ενέργειας  γίνεται με μικρά σωματίδια που ονομάζονται φωτόνια. Τα φωτόνια ανάλογα με το είδος του χρώματος έχουν και διαφορετικό χρώμα. Φωτόνια ίδιου χρώματος μεταφέρουν το ίδιο ποσό ενέργειας. Για παράδειγμα τα φωτόνια του κόκκινου χρώματος έχουν μικρότερη ενέργεια από τα φωτόνια του πράσινου.

5.  Τι φαινόμενα μπορεί να προκαλέσει το φως; Να αναφέρετε παραδείγματα των μετατροπών ενέργειας  σε κάθε περίπτωση.

Η φωτεινή ενέργεια μπορεί να μετασχηματιστεί σε διάφορες άλλες μορφές ενέργειας. Μερικές από αυτές είναι η θερμική, η κινητική, η χημική και η ηλεκτρική ενέργεια.

Παράδειγμα μετατροπής της φωτεινής σε θερμική ενέργεια είναι οι ηλιακοί θερμοσίφωνες.

Παράδειγμα μετατροπής φωτεινής ενέργειας σε κινητική είναι το ακτινόμετρο.

Παράδειγμα μετατροπής της φωτεινής σε χημική ενέργεια είναι η χημική ενέργεια των φυτών μέσω του φαινομένου της φωτοσύνθεσης. Η φωτοσύνθεση είναι μια χημική αντίδραση στην οποία παράγεται η γλυκόζη που αποθηκεύεται ως χημική ενέργεια.

Παράδειγμα μετατροπής της φωτεινής σε ηλεκτρική ενέργεια είναι τα φωτοβολταϊκά στοιχεία που είναι πλέον αρκετά διαδεδομένα στην εποχή μας. Η ηλεκτρική ενέργεια που παράγεται μπορεί να χρησιμοποιηθεί για όλες τις οικιακές χρήσεις.

6.  Με ποια διαδικασία ενεργοποιείται το αίσθημα της όρασης;

Όταν φωτεινή ακτίνα φτάνει στα μάτια μας, τότε στα οπτικά κύτταρα πραγματοποιούνται χημικές αντιδράσεις με τις οποίες η φωτεινή ενέργεια μετατρέπεται σε χημική και έπειτα σε ηλεκτρική. Η ηλεκτρική ενέργεια μεταφέρεται μέσω του οπτικού νεύρου στο κέντρο του εγκεφάλου. Με αυτό τον τρόπο διεγείρεται το κέντρο του εγκεφάλου προκαλείται το αίσθημα της όρασης.

7.  Τι ονομάζεται φωτεινή πηγή;

Φωτεινή πηγή είναι κάθε συσκευή ή κάποιο σώμα που εκπέμπει φως. Στις φωτεινές πηγές η φωτεινή ενέργεια που εκπέμπεται μέσω των φωτονίων προέρχεται από τη μετατροπή κάποιας άλλης μορφής ενέργειας.

Ο Ήλιος αποτελεί τη σημαντικότερη φωτεινή πηγή

8.  Ποιες είναι οι κατηγορίες των φωτεινών πηγών;

Οι φωτεινές πηγές χωρίζονται σε φυσικές και τεχνητές ανάλογα με τη φύση τους. Έτσι για παράδειγμα ο Ήλιος αποτελεί μια φυσική φωτεινή πηγή ενώ ένας ηλεκτρικός λαμπτήρας αποτελεί τεχνική φωτεινή πηγή.

Ανάλογα με το αν εκπέμπουν θερμότητα ταυτόχρονα με την εκπομπή φωτός οι πηγές διακρίνονται σε θερμές φωτεινές πηγές όπως είναι η φλόγα ενός κεριού, και ψυχρές φωτεινές πηγές, όπως είναι η οθόνη της τηλεόρασης ή ενός ηλεκτρονικού υπολογιστή.

Διάδοση του φωτός

1.Τι είναι η Γεωμετρική οπτική;

Γεωμετρική οπτική είναι ο κλάδος της φυσικής που βασίζεται στη μελέτη του φωτός χρησιμοποιώντας φωτεινές ακτίνες για το σχεδιασμό της πορείας διάδοσης του φωτός. Ακτίνα φωτός ονομάζουμε μια πολύ λεπτή δέσμη φωτός την οποία παριστάνουμε με μια ευθεία γραμμή.

Η γεωμετρική οπτική μελετά τα φαινόμενα της οπτικής χρησιμοποιώντας τη βοήθεια της γεωμετρίας και της ακτίνας φωτός.

2. Ποια υλικά ονομάζονται ομογενή;

Ομογενές υλικό μέσο είναι εκείνο που έχει τις ίδιες ιδιότητες σε όλα τα σημεία του. Σε ένα ομογενές ένα μέσο γιατί το φως διαδίδεται ευθύγραμμα.

3. Ποια σώματα ονομάζονται αδιαφανή, ποια διαφανή και ποια ημιδιαφανή;

Αδιαφανή ονομάζονται τα σώματα τα οποία δεν αφήνουν το φως να διέλθει από μέσα τους π.χ. το ξύλο, ο τοίχος κ.α.

Διαφανή ονομάζονται τα σώματα τα οποία αφήνουν να διέλθει από μέσα τους το φως π.χ. το γυαλί, το νερό κ.α.

Ημιδιαφανή ονομάζονται τα σώματα τα οποία μερικώς αφήνουν το σώμα να διέλθει από το μέσα τους π.χ. ο καπνός, το θαμπό τζάμι κ.α.

4. Πότε και πως σχηματίζεται η σκιά ενός σώματος;

Η σκιά ενός σώματος είναι ο σκοτεινός χώρος που σχηματίζεται σε εκείνες τις περιοχές όπου δεν μπορούν να φτάσουν οι ακτίνες που προέρχονται από τη φωτεινή πηγή. Αυτό συμβαίνει γιατί στην ευθύγραμμη πορεία των ακτίνων φωτός παρεμβάλλεται το αδιαφανές σώμα. Η δημιουργία της σκιάς είναι αποτέλεσμα της ευθύγραμμης διάδοσης του φωτός.

Οι απόλυτα καθορισμένες σκιές σχηματίζονται από φωτεινές πηγές που θεωρούνται σημειακές. Σημειακή φωτεινή πηγή είναι όταν η πηγή θεωρείται ότι αποτελείται από ένα μόνο σημείο και οι διαστάσεις της (το μέγεθος της) θεωρείται αμελητέο.

5.  Τι είναι η παρασκιά και πότε σχηματίζεται;

Η παρασκιά είναι μια περιοχή που φωτίζεται μερικώς και βρίσκεται γύρω από την κυρίως σκιά. Σχηματίζεται όταν η φωτεινή πηγή δεν είναι σημειακή αλλά έχει διαστάσεις που δεν μπορούν να αγνοηθούν.

6. Τι γνωρίζετε για την έκλειψη Ηλίου;

Έκλειψη Ηλίου συμβαίνει όταν η Σελήνη βρεθεί στην περιοχή μεταξύ Γης και Ήλιου. Τότε στις περιοχές πάνω στην επιφάνεια της Γης σχηματίζεται η σκιά της Σελήνης έχουμε ολική έκλειψη Ηλίου.

Στην επιφάνεια της Γης εκτός από σκιά σχηματίζεται και η παρασκιά της Σελήνης. Οι κάτοικοι των περιοχών της Γης που βρίσκονται στην παρασκιά της Σελήνης δεν αντιλαμβάνονται την ολική έκλειψη Ηλίου αλλά μερική έκλειψη. 

7.Τι γνωρίζετε για την έκλειψη Σελήνης;

Στην περίπτωση που κατά την πανσέληνο η Σελήνη βρεθεί στην ευθεία Γης-Ηλίου τότε θα βρεθεί στη σκιά της Γης. Τότε η Σελήνη δεν είναι ορατή από τη Γη και έχουμε ολική έκλειψη Σελήνης. Αν θέση της Γης είναι τέτοια ώστε να η σκιά της να μην καλύπτει πλήρως τη Σελήνη αλλά ένα μέρος της τότε έχουμε μερική έκλειψη Σελήνης.

Ενώ μια έκλειψη Σελήνης είναι ορατή από όλους τους κατοίκους ενός ημισφαιρίου της Γης που έχουν βέβαια νύχτα, μια έκλειψη Ηλίου είναι ορατή από κατοίκους μιας πολύ μικρής περιοχής της Γης. 

8. Τι γνωρίζετε για την ταχύτητα διάδοσης τους φωτός;

Η ταχύτητα διάδοσης του φωτός είναι περίπου 1000000 φορές μεγαλύτερη από την ταχύτητα διάδοσης του ήχου στον αέρα.

Ενώ ο ήχος δε διαδίδεται στο κενό, το φως μπορεί. Στο κενό έχει και τη μεγαλύτερη δυνατή τιμή της ταχύτητας που μπορεί να πάρει και είναι c=300000 km/s. Σε διαφορετικά μέσα διάδοσης της ακτίνας του φωτός η ταχύτητα παίρνει μικρότερες τιμές, ανάλογα με το μέσο διάδοσης.

9.Τι είναι το έτος φωτός;

Έτος φωτός είναι η απόσταση που διανύει το φως σε ένα έτος.

Το έτος φωτός χρησιμοποιείται στην αστρονομία για την μέτρηση των αποστάσεων γιατί το 1m η το 1km δεν αποτελούν βολικές μονάδες μέτρησης για τη μέτρηση των τεράστιων αποστάσεων ανάμεσα στα αστέρια και στους γαλαξίες.