Hoofdstuk 4
Licht
§1 Lichtstralen §2 Het spectrum §3 Reflectie §4 Absorptie §5 Het brandpunt §6 Het beeld §7 EXTRA: het oog
§1 Lichtstralen
In dit hoofdstuk gaan we licht bestuderen. We zullen ons voornamelijk focussen op de begrippen reflectie, absorptie en breking. Uiteindelijk gaan we ook de werking van lenzen bestuderen. In deze paragraaf beginnen we met wat algemene begrippen over lichtstralen.
Licht is essentieel voor de mens. We gebruiken licht namelijk om de wereld waar te kunnen nemen. Als we een voorwerp zien, dan komt dat doordat licht vanaf dit voorwerp in onze ogen schijnt. Er zijn twee manieren waarop dit kan gebeuren:
- Licht kan rechtstreeks van een lichtbron in onze ogen schijnen.
- Er zijn ook voorwerpen die we wel kunnen zien, maar die zelf geen licht geven. Deze voorwerpen kunnen we alleen zien als licht op deze voorwerpen reflecteert en daarna in onze ogen terecht komt. De maan zien we bijvoorbeeld op deze manier. De maan geeft zelf geen licht, maar reflecteert het licht van de zon.
Een collectie van lichtstralen wordt een lichtbundel genoemd. Er zijn drie soorten lichtbundels:
- De evenwijdige lichtbundel is een bundel waarbij alle lichtstralen in dezelfde richting schijnen. Een voorbeeld is de lichtbundel van een laser.
- De divergente lichtbundel is een bundel waarbij de lichtstralen uit elkaar bewegen. Een voorbeeld is de lichtbundel van een zaklamp.
- De convergente lichtbundel is een bundel waarbij de lichtstralen steeds dichter naar elkaar toe gaan. We kunnen dit type lichtbundel bijvoorbeeld produceren met een vergrootglas.
In de onderstaande afbeelding zien we links een zaklamp die op een plafond schijnt. Merk op dat we alleen de lichtbron en het het gereflecteerde licht op het plafond kunnen zien, maar niet de lichtbundel zelf. Lichtbundels zijn dus over het algemeen niet zichtbaar! We kunnen een lichtbundel wel zichtbaar maken met bijvoorbeeld rook of mist (zie de rechter afbeelding). In deze gevallen reflecteren de lichtstralen tegen de mist- of rookdeeltjes en schijnen daarna in onze ogen.
Zorg dat je kan redeneren of voorwerpen zichtbaar zijn of niet en dat je de verschillende typen lichtbundels kan herkennen
|
|
§2 Het spectrum
In deze paragraaf bespreken we het stralingsspectrum van licht. Dit spectrum bevat behalve zichtbaar licht ook andere type straling, zoals infraroodstraling en ultraviolette straling.
Stel we schijnen wit licht door een driehoekig stukje glas genaamd een prisma. Het witte licht splitst zich dan op in de kleuren van de regenboog (zie de onderstaande afbeelding). We noemen deze regenboog aan kleuren het spectrum. Hetzelfde effect zien we als we een CD tegen het licht houden. We hebben hiermee dus geleerd dat wit licht eigenlijk uit het hele spectrum van kleuren bestaat. Als we al deze kleuren tegelijk in ons oog krijgen, dan zien onze hersenen dit als "wit".
(Afbeelding: Spigget; CC BY-SA 3.0 / Black and White; CC BY-SA 3.0)
De primaire kleuren van licht zijn rood, blauw en groen. Als we deze kleuren licht in verschillende verhoudingen combineren, dan kunnen we hiermee alle kleuren van de regenboog produceren. Als deze drie kleuren licht in gelijke hoeveelheid in onze ogen schijnt, dan zien we wit licht (zie de onderstaande linker afbeelding). In de rechter afbeelding zien we dat dit bij het mengen van verf of inkt heel anders werkt dan bij licht. In dat geval zijn de primaire kleuren geel, magenta en cyaan. Als we deze kleuren in gelijke hoeveelheden mengen, dan krijgen we zwart.
De pixels in computerschermen werken ook met de primaire kleuren van licht. Elke pixel bestaat uit een rood, een blauw en een groen lampje (zie de onderstaande afbeelding). Als alle lampjes evenveel licht geven, dan zien de pixel er wit uit.
Behalve zichtbaar licht bestaat er ook straling die we met onze ogen niet kunnen zien. In de onderstaande afbeelding zien we het volledige spectrum. Zoals je ziet is het zichtbare licht slechts een klein deel van het totale spectrum.
Rechts van het rode licht bevindt zich bijvoorbeeld infraroodstraling. Alle warme voorwerpen zenden infrarood licht uit en dit type straling wordt daarom ook wel warmtestraling genoemd. Met infraroodcamera's kan deze straling waargenomen worden. In de onderstaande afbeelding zien we een foto gemaakt met een infraroodcamera. We zien hier dat heet water oplicht in het infrarode deel van het spectrum. Ook mensen zijn warm en zenden dus infrarode straling uit. Deze camera's kunnen daarom goed worden gebruikt om mensen in het donker op te sporen. Ook de afstandsbediening van de tv werkt met infrarood licht.
(Afbeelding: NASA; PD)
Een andere vorm van licht is ultraviolette straling (UV-straling). Dit licht zorgt er o.a. voor dat we bruin worden in de zon.
|
Zorg dat je kan redeneren over verschillende soorten straling
|
|
§3 Reflectie
In deze paragraaf gaan we bestuderen hoe reflectie werkt.
Een voorbeeld van een extreem goed reflecterend voorwerp is een spiegel. Hieronder zien we een schematische afbeelding van een lichtstraal die op een spiegel valt. Op de plek waar de lichtstraal de spiegel raakt, hebben we een stippellijn getekend. Deze hulplijn, genaamd de normaal (n), staat altijd loodrecht op de spiegel. We kunnen deze hulplijn gebruiken om uit te vinden hoe de lichtstraal zal reflecteren.
In de onderstaande linker afbeelding meten we de hoek tussen de normaal en de invallende lichtstraal. Dit wordt de hoek van inval (i) genoemd. Zorg dat het nulpunt van de geodriehoek precies op het punt ligt waar de lichtstraal invalt en meet dan de hoek. Zorg dat je op de gradenboog van de geodriehoek de hoek afleest die kleiner is dan 90°. In dit voorbeeld lezen we dat de hoek 50 graden is.
Dan draaien we de geodriehoek en tekenen we de gereflecteerde lichtstraal onder dezelfde hoek (weer 50 graden). Dit wordt de hoek van terugkaatsing (t) genoemd. Omdat beide hoeken dus even groot zijn, vatten we de regel voor het tekenen van reflecties als volgt samen:
| $$ \angle i = \angle t $$ |
Zoals je weet zorgen spiegels voor een spiegelbeeld. Ook dit kunnen we gebruiken om reflecterende lichtstralen te tekenen. In de linker onderstaande afbeelding zijn we op zoek naar een lichtstraal die vanaf een zaklamp via een spiegel in het oog van de persoon terecht komt. We tekenen hiervoor eerst het spiegelbeeld van de zaklamp aan de andere kant van de spiegel (zie de tweede afbeelding). Voor de persoon lijkt het alsof het licht uit het spiegelbeeld van de zaklamp komt (zie de derde afbeelding). In het echt komt het licht natuurlijk uit de echte zaklamp. Dit hebben we getekend in de laatste afbeelding.
Niet alle voorwerpen reflecteren net zo netjes als een spiegel. Neem bijvoorbeeld een stuk papier. Papier lijkt voor ons oog erg glad, maar als we papier door een microscoop bekijken, dan zien we dat papier helemaal niet zo glad is (zie de onderstaande foto).
Door het ruwe oppervlak reflecteren lichtstralen alle richtingen op. We noemen dit diffuse reflectie. In de onderstaande afbeelding zien we links reflectie op een spiegel. In dit geval wordt de lichtstraal maar één kant op gereflecteerd. Alleen de persoon die deze lichtstraal in zijn ogen krijgt, kan het licht zien. De rest niet. Rechts zien we diffuse reflectie. Doordat het licht nu alle kanten op gaat, kunnen nu alle omstanders het licht zien.
|
Zorg dat je reflecties kan tekenen met behulp van i = t en het spiegelbeeld
|
|
§4 Absorptie
Naast reflectie kan licht ook geabsorbeerd worden door materie. In deze paragraaf gaan we leren hoe dit werkt voor verschillende kleuren licht.
Als licht op een voorwerp valt, dan kan het in sommige gevallen geabsorbeerd worden door het materiaal. In dat geval verdwijnt de lichtstraal in het materiaal en wordt het voorwerp warmer. Een materiaal dat alle kleuren licht absorbeert, noemen we zwart (zie de linker onderstaande afbeelding). Er komt namelijk geen licht van dit materiaal in ons oog en als gevolg ziet het voorwerp er zwart uit. Een materiaal dat al het licht juist reflecteert, noemen we wit (zie de rechter afbeelding). Een wit voorwerp ziet er alleen wit uit als we het met wit licht beschijnen. Als we een wit voorwerp bijvoorbeeld met rood licht beschijnen, dan reflecteert alleen dit rode licht in onze ogen en ziet het voorwerp er dus rood uit.
Hieronder zien we bijvoorbeeld een foto van een witte auto onder een gele lantaarnpaal. De auto is wit, maar ziet er in het gele licht inderdaad geel uit.
Materialen met een kleur reflecteren alleen deze kleur en absorberen de rest. Hieronder zien we bijvoorbeeld een blauw voorwerp. Op dit voorwerp wordt alleen blauw licht reflecteert. Alle andere kleuren worden geabsorbeerd. Merk op dat als we alleen rood licht op dit voorwerp schijnen, dat dit rode licht dan geabsorbeerd wordt en het voorwerp er dan dus zwart uit ziet. In de bovenstaande foto staat rechtsonder een blauwe auto. Omdat er alleen geel licht op de auto valt, lijkt de auto in deze foto zwart!
En wat als we wit licht op een gekleurd voorwerp schijnen? Hieronder schijnen we bijvoorbeeld wit licht op een rood voorwerp. Wit licht bestaat eigenlijk uit het hele spectrum van kleuren. Dit kunnen we bijvoorbeeld zien bij een regenboog. Als we al deze kleuren tegelijk in ons oog krijgen, dan zien onze hersenen dit als "wit". In dit geval worden alle kleuren geabsorbeerd, behalve het rode licht. Als gevolg ziet het voorwerp er gewoon rood uit.
|
Zorg dat je kan beredeneren welke kleur een voorwerp lijkt te hebben in een bepaalde kleur licht
|
|
§5 Het brandpunt
Naast reflectie en absorptie kan licht ook breken als het op een materiaal schijnt. In deze paragraaf gaan we leren wat breking is en hiermee gaan we begrijpen hoe lenzen werken.
Als licht van de ene naar de andere stof beweegt, dan blijft het licht niet gewoon in een rechte lijn doorbewegen. Op het punt dat het licht overgaat naar een ander materiaal, verandert het van richting. We noemen dit effect breking. In de onderstaande foto is dit effect te zien. Een lichtbundel schijnt een stukje plastic in en daarna weer uit. Merk op dat het licht alleen op de overgangen van de ene naar de andere stof van richting verandert. Op de andere plekken beweegt het licht gewoon in een rechte lijn.
(Afbeelding: ajizai; PD)
Lenzen zijn voorwerpen die op een speciale manier gebruik maken van breking. Als een lichtbundel op een lens valt, dan convergeert het licht naar één punt toe. Dit zien we bijvoorbeeld bij een vergrootglas (zie de afbeelding linksonder). Lenzen worden ook gebruikt voor o.a. brillen, microscopen, telescopen en ook het oog bevat een lens. Er bestaan bolle en holle lenzen. Een bolle lens is in het midden dikker dan aan de rand en een holle lens is in het midden dunner dan aan de rand (zie de onderstaande rechter afbeelding). Een bolle lens wordt ook wel een positieve lens genoemd en een holle lens ook wel een negatieve lens.
(Afbeelding: Landon; CC BY-ND 2.0)
Positieve lenzen tekenen we meestal als een verticale lijn met daarboven een plus. Een negatieve lens tekenen we als een verticale lijn met daarboven een min (zie de onderstaande afbeelding). Ook tekenen we door het midden van de lens een horizontale lijn. Dit is een hulplijn die we de hoofdas noemen.
Als lichtstralen evenwijdig aan de hoofdas op een lens vallen, dan kruisen ze elkaar in een punt op de hoofdas dat we het brandpunt noemen (zie de onderstaande afbeelding). Het brandpunt duiden we aan met de letter F (van het Engelse woord "focus"). Let op dat alleen deze evenwijdige lichtstralen in het brandpunt terecht komen. Alle andere lichtstralen komen nooit in het brandpunt terecht.
De afstand van het midden van de lens tot het brandpunt wordt de brandpuntsafstand (f) genoemd. Hoe boller de lens is, hoe kleiner de brandpuntsafstand wordt.
Opticiens gebruiken in plaats van de brandpuntsafstand (f) liever de lenssterkte (S). De lenssterkte wordt gemeten in dioptrie (dpt) en kan je als volgt uitrekenen:
$$ S = \frac{1}{f} $$
|
|
Voorbeeld
|
|
Vraag: De brandpuntsafstand van een lens is 25 cm. Bereken de lenssterkte. Antwoord: Eerst schrijven we de brandpuntsafstand om naar meter. We vinden dan: f = 25 cm = 0,25 m Dit vullen we in de formule voor de lenssterkte in: $$ S = \frac{1}{f} = \frac{1}{0,25} = 4 \text{ dpt}$$
|
|
Zorg dat je kan redeneren over breking
|
|
|
Zorg dat je lichtstralen kan construeren die in het brandpunt terecht komen en dat je kan rekenen met de formule S= 1/f
|
|
§6 Het beeld
Met lenzen kunnen we een beeld van de werkelijkheid projecteren op een scherm. In deze paragraaf gaan we leren hoe dit werkt.
In de onderstaande foto zien we dat er met een lens aan de linkerzijde een beeld is gemaakt van een kaarsje. Zoals je kan zien staat dit beeld 'op z'n kop'. In deze paragraaf gaan we begrijpen wat er hier gebeurt.
In de onderstaande afbeelding is een klein lampje weergegeven. Dit lampje straalt licht uit in alle richtingen. Slechts een deel van deze lichtstralen komt op de lens terecht.
Van al de lichtstralen die op de lens vallen, gaan we er slechts twee bestuderen (zie de onderstaande linker afbeelding). De bovenste lichtstraal loopt evenwijdig aan de hoofdas. We weten dus dat deze lichtstraal door het brandpunt gaat. Lichtstralen door het midden van de lens gaan gewoon rechtdoor.
Nu plaatsen we een scherm. Als we het scherm precies op de plek plaatsen waar het licht samenkomt, dan krijgen we een scherp beeld van dit lampje te zien op het scherm.
Nu kunnen we ook andere lichtstralen tekenen die op de lens terecht komen. Ook deze lichtstralen kruisen zich namelijk op hetzelfde punt op het scherm. Merk op dat de plek waar de lichtstralen samenkomen niet het brandpunt is. Dit is logisch, want niet alle lichtstralen lopen evenwijdig aan de hoofdas.
Nu gaan we een beeld maken van een voorwerp, in dit geval in de vorm van een pijltje. In de onderstaande afbeelding hebben we de twee bijzondere lichtstralen getekend die uit het puntje van de pijl komen.
In de onderstaande afbeelding zien we ook de lichtstralen die van de onderkant van de pijl komen. In deze afbeelding is ook een scherm geplaatst op de plekken waar de lichtstralen samenkomen.
Merk op dat het licht afkomstig van het puntje van de pijl lager op het scherm terecht komt dan het licht van de onderkant van de pijl. Het beeld van de pijl staat dus inderdaad op z'n kop. In de onderstaande afbeelding hebben we het beeld getekend dat op het scherm zichtbaar zal zijn.
|
Zorg dat je het beeld van een voorwerp kan construeren
|
|
§7 EXTRA: Het oog
In deze paragraaf gaan we bestuderen hoe we het oog scherp kunnen stellen. We gaan het ook hebben over verschillende oogafwijkingen en hoe hier met lenzen voor de corrigeren is.
In onze ogen zitten ook lenzen. Deze lenzen zorgen ervoor dat de buitenwereld aan de binnenkant van onze ogen geprojecteerd wordt. Zoals je in de vorige paragraag gezien hebt, staat dit beeld op z'n kop. Onze hersenen zorgen ervoor dat we de wereld uiteindelijk toch goed om te zien krijgen.
Om zowel ver weg als dichtbij scherp te kunnen zien, kunnen we onze ooglens boller en platter maken met behulp van kleine spiertjes in onze ogen. Het boller en platter maken van de lens noemen we accommoderen.
In de onderstaande afbeelding zien we hoe het oog een beeld maakt van een potlood. Het oog maakt zich precies bol genoeg, zodat de lichtstralen precies samenkomen op de achterzijde van het oog. Er ontstaat daarom een scherp beeld van het potlood op de achterkant van het oog.
In de volgende afbeelding is het potlood veel dichter bij het oog gezet. Om nu een scherp beeld van het potlood te krijgen, moet het oog veel boller worden. Als gevolg komt het brandpunt veel dichter bij de lens te liggen.
Als het het oog niet lukt om het beeld scherp op het netvlies te krijgen, dan heb je een bril of lenzen nodig. Er zijn drie veelvoorkomende problemen waarbij dit nodig is.
Het eerste probleem wordt verziendheid genoemd. In dit geval is de ooglens platter dan normaal. Als de lenzen ontspannen zijn, dan kruizen de lichtstralen zich nu achter het oog (zie de onderstaande afbeelding). Om verstaande voorwerpen scherp te kunnen zien moet men toch een beetje accommoderen en dat wordt op den duur vermoeiend en zorgt voor hoofdpijn. Dichtbijstaande voorwerpen kan men in dit geval niet scherp zien omdat de lens niet bol genoeg kan worden. Verziendheid kan worden verholpen door een extra bolle lens voor het oog te plaatsen (zie wederom de onderstaande afbeelding).
Het tweede probleem wordt bijziendheid genoemd. In dit geval is de ooglens boller dan normaal. Als de lenzen ontspannen zijn, dan kruizen de lichtstralen zich nog voor de achterkant van het oog. Verstaande voorwerpen kan men dus niet scherp zien. Dichtbijstaande voorwerpen kan men in dit geval wel goed zien, omdat de lens wel goed bol kan worden. Bijziendheid kan worden verholpen door een extra holle lens voor het oog te plaatsen.
Het derde probleem wordt oudziendheid genoemd. In dit geval zijn de oogspiertjes niet sterk genoeg meer om de lens erg bol te maken. Dit gebeurd bij ouderdom. In dat geval kan men goed ver weg zien, omdat de spiertjes dan ontspannen zijn. Dichtbij kan men in dit geval niet scherp zien, omdat de ooglenzen niet bol genoeg kunnen worden. Met een leesbril kan dit probleem verholpen worden. De leesbril heeft bolle lenzen en wordt alleen gebruikt om dichtbijstaande voorwerpen scherp te kunnen zien.
|
Zorg dat je kan redeneren met de accomodatie van het oog en oogafwijkingen
|
|