Hoofdstuk 4
Licht
§1 Lichtstralen §2 Het spectrum §3 Reflectie §4 Absorptie §5 Het brandpunt §6 Het beeld §7 De vergroting
§1 Lichtstralen
In dit hoofdstuk gaan we licht 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:
- Een lichtbron is een voorwerp dat licht geeft. Denk bijvoorbeeld aan een lamp, een kampvuur en de zon. We kunnen deze voorwerpen zien als licht vanuit deze lichtbronnen in onze ogen schijnt.
- Er zijn ook voorwerpen die we wel kunnen zien, maar die zelf geen licht geven. Deze voorwerpen kunnen we alleen zien als licht van een lichtbron op deze voorwerpen reflecteert en daarna in onze ogen schijnt. Als je bijvoorbeeld naar een kast kijkt, dan zie je deze kast dankzij reflectie van licht (zie de onderstaande afbeelding). De maan zien we ook 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 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.
Leerdoelen:
|
|
|
Opdrachten
|
|
§2 Het spectrum
In deze paragraaf bespreken we het stralingsspectrum van licht. Het spectrum bevat behalve zichtbaar licht ook andere type straling, zoals infraroodstraling en ultraviolette straling.
Stel we schijnen wit licht van bijvoorbeeld de zon of een gloeilamp 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 pixels er wit uit.
Behalve zichtbaar licht bestaat er ook straling dat we met onze ogen niet kunnen zien. Naast het rode licht in het spectrum bevindt zich bijvoorbeeld infraroodstraling en naast het paarse licht bevindt zich ultravioletstraling (zie de onderstaande afbeelding).
Alle warme voorwerpen zenden infraroodstraling uit en dit type straling wordt daarom ook wel warmtestraling genoemd. Met infraroodcamera's kan deze straling waargenomen worden. In de onderstaande linker afbeelding zien we een foto gemaakt met een infraroodcamera. Er komt heet water uit de kraan en dit geeft veel infraroodstraling af dat met deze camera zichtbaar wordt. 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.
Een andere vorm van licht is ultraviolette straling (UV-straling). Dit licht zorgt er o.a. voor dat we bruin worden in de zon of onder een zonnebank (zie de onderstaande afbeelding). Pas echter op, want te veel UV-straling is schadelijk voor de huid. We beschermen ons hiertegen met zonnebrandcrème en door niet te lang in de felle zon te blijven.
(Afbeelding: NASA; PD)
|
Leerdoelen:
|
|
|
Opdrachten
|
|
§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. Zoals je weet zorgen spiegels voor een spiegelbeeld. Het spiegelbeeld lijkt zich achter de spiegel te bevinden. We kunnen het spiegelbeeld gebruiken bij het tekenen van lichtstralen die tegen de spiegel reflecteren.
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.
|
Leerdoelen:
|
|
|
Opdrachten
|
|
§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 gereflecteerd. 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.
|
Leerdoelen:
|
|
|
Opdrachten
|
|
§5 Het brandpunt
In deze paragraaf gaan we de werking van lenzen bespreken.
Als een lichtbundel op een lens valt, dan convergeert het licht naar één punt toe. Dit zien we bijvoorbeeld bij een vergrootglas (zie de onderstaande afbeelding). Lenzen worden ook gebruikt voor o.a. brillen, microscopen, telescopen en ook het oog bevat een lens.
(Afbeelding: Landon; CC BY-ND 2.0)
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 afbeelding). Een bolle lens wordt ook wel een positieve lens genoemd en een holle lens ook wel een negatieve lens.
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 genoemd. Hoe boller de lens is, hoe kleiner de brandpuntsafstand wordt.
Met lenzen kunnen we een beeld van de werkelijkheid projecteren op een scherm. 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". We gaan nu begrijpen waarom dit gebeurt.
Hieronder is schematisch de vlam van het kaarsje, de lens en het scherm getekend.
Nu tekenen we evenwijdige lichtstralen die vanaf de bovenkant en onderkant van de kaars op de lens belanden. Zoals we net geleerd hebben gaan deze lichtstralen na de lens door het brandpunt.
Tussen de plekken waar de lichtstralen op het scherm komen tekenen we het beeld. Merk op dat de lichtstraal van de top van de kaars lager op het scherm terecht komt dan de lichtstraal van de bodem van de kaars. Het beeld van de kaars is dus inderdaad “omgedraaid”!
|
Leerdoelen:
|
|
|
Opdrachten
|
|
