BASIS
TEMPERATUUR
EXPERIMENTEREN
LICHT
antwoorden
antwoorden
antwoorden
antwoorden
BEWEGING
MENGEN EN SCHEIDEN
ELEKTRICITEIT
GELUID
antwoorden
antwoorden
antwoorden
antwoorden
KRACHT
...
...
...
antwoorden
antwoorden
antwoorden
antwoorden

Hoofdstuk 4
Licht

§1 Lichtstralen
§2 Het spectrum
§3 Reflectie
§4 Absorptie
§5 Het brandpunt



§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 collectie van lichtstralen wordt een lichtbundel genoemd. Er zijn drie soorten lichtbundels:

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.

Met lichtbundels kunnen we ook schaduwen tekenen. Hieronder zien we een lamp die boven een tafel hangt. De lamp produceert een divergente bundel, maar deze bundel wordt onderbroken door de tafel. Door extra lijnen te tekenen vanaf de lamp die langs de zijkanten van het tafelblad lopen, kan je achterhalen waar op de grond het licht van de bundel niet kan komen en waar dus een schaduw ontstaat.

INSTRUCTIEVIDEO:
Lichtbundels

         Leerdoelen:
  • Zorg dat je weet dat een lichtbron zichtbaar is als licht van de lichtbron in je oog schijnt. Andere voorwerpen zijn zichtbaar als licht tegen deze voorwerpen reflecteert en zo in je ogen komt.
  • Zorg dat je de verschillende typen lichtbundels kan tekenen en herkennen.
  • Zorg dat je weet dat je lichtbundels niet kan zien, behalve als de lichtstralen in de bundels tegen kleine deeltjes, zoals stof, reflecteren.
  • Zorg dat je met lichtbundels kan achterhalen waar zich schaduwen zullen vormen.

         Opdrachten
  1. (1p) Noem twee voorbeelden van lichtbronnen.
  2. (1p) Leg uit hoe we voorwerpen kunnen zien die zelf geen licht geven.
  3. (1p) Leg uit of de maan een lichtbron is of niet.
  4. (1p) Wat voor soort bundel straalt een gloeilamp uit?
  5. (1p) Wat voor soort bundel straalt een laser uit?
  6. (1p) Noem een voorwerp waarmee je zonlicht kan laten convergeren tot één punt.
  7. (3p) Hieronder is drie keer een zaklamp weergegeven. Teken bij de linker zaklamp een evenwijdige lichtbundel, bij de middelste zaklamp een divergente bundel en bij de rechter zaklamp een convergente bundel.

  8. (3p) Hieronder zien we links een lichtbundel die op een zogenaamde bolle lens schijnt. Noteer in de afbeelding welk deel van de bundel een evenwijdige bundel is, welk deel een divergente bundel en welk deel een convergente bundel.
  9. (3p) Hieronder zien we rechts een lichtbundel die op een zogenaamde holle lens schijnt. Noteer in de afbeelding welke twee soorten bundels hier zichtbaar zijn.

  10. (2p) Leg met behulp van een tekening uit waarom we een lichtbundel wel kunnen zien als een kamer erg stoffig is. Geef de stofdeeltjes weer als kleine bolletjes.
  11. (2p) In de onderstaande afbeelding zien we een lamp boven twee stoelen. Teken in de afbeelding waar op de grond een schaduw zal ontstaan.

  12. (2p) Een persoon wil in de schaduw van een boom een boek lezen. Geef in de tekening aan waar de persoon kan gaan zitten.

  13. (2p) Een persoon beschijnt met een zaklamp van de ene naar de andere kamer. Ga na welk deel van de andere kamer verlicht wordt.



 

§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)

INSTRUCTIEVIDEO:
Het spectrum

         Leerdoelen:
  • Zorg dat je weet dat de primaire kleuren van licht rood, blauw en groen zijn. Als je deze kleuren licht combineert ontstaat wit licht.
  • Zorg dat je weet dat wit licht uit een spectrum van kleuren bestaat.
  • Zorg dat je weet dat zichtbaar licht slechts een klein deel is van het volledige spectrum. Infraroodstraling (warmtestraling) wordt uitgezonden door warme voorwerpen en dat UV-straling o.a. van de zon afkomstig is en schadelijk is voor de huid.

         Opdrachten
  1. (2p) Noem twee experimenten waarmee je kunt aantonen dat wit licht bestaat uit een spectrum van kleuren.
  2. (2p) Wat zijn de drie primaire kleuren van licht en welke kleur krijgt je als je deze drie kleuren in gelijke mate combineert?
  3. (2p) Welke kleuren van een pixel moeten aan staan om wit licht te krijgen? En wanneer ziet een pixel er zwart uit?
  4. (1p) Verklaar hoe een regenboog ontstaat.
  5. (1p) Noem twee soorten straling naast zichtbaar licht.
  6. (1p) Als de politie in de nacht een dief probeert op te sporen met een helikopter, dan wordt vaak een infraroodcamera gebruikt. Waarom dit handig?
  7. (1p) Muggen kunnen infraroodstraling zien. Leg uit hoe muggen dit gebruiken om in de nacht mensen te vinden.
  8. (1p) Een ander type straling is röntgenstraling. Waarvoor wordt dit o.a. gebruikt?
  9. (1p) Je kan uren achter een raam in de zon zitten zonder bruin te worden. Leg hiermee uit welke straling het raam tegenhoudt.

 

§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.

INSTRUCTIEVIDEO:
Het spiegelbeeld

         Leerdoelen:
  • Zorg dat je reflecties kan tekenen met behulp van het spiegelbeeld.
  • Zorg dat je weet wat diffuse reflectie is.

         Opdrachten
  1. (2p) Een jongen kijkt in een spiegel (zie de onderstaande afbeelding). Boven de spiegel hangt een lamp en de jongen ziet de weerspiegeling van deze lamp. Teken de lichtstraal die ervoor zorgt dat de jongen de weerspiegeling van de lamp kan zien.

  2. Hieronder zie je twee keer dezelfde lichtbundel die op een spiegel schijnt.

    1. (1p) Wat voor lichtbundels zijn hier afgebeeld?
    2. (2p) Teken hoe de lichtbundel reflecteert met behulp van het spiegelbeeld.
  3. Een persoon is aan het omkleden in een paskamer met aan de rechter wand een spiegel (zie de linker onderstaande afbeelding). Een lamp aan het plafond schijnt via de spiegel in zijn ogen.

    1. (2p) Teken de lichtstraal die in zijn ogen schijnt. Start de lichtstraal in punt P.
    2. (2p) Na klachten over het felle licht besluit de winkel lagere spiegels op te hangen (zie de rechter afbeelding). Laat zien dat het licht nu op het lichaam van de persoon schijnt, maar niet meer in de ogen.

 

§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.

INSTRUCTIEVIDEO:
Absorptie

         Leerdoelen:
  • Zorg dat je weet dat zwarte voorwerpen elke kleur licht absorberen (en er dus altijd zwart uitzien) en witte voorwerpen elke kleur licht reflecteren (en deze voorwerpen dus dezelfde kleur lijken te hebben als het licht).
  • Zorg dat je weet dat als gekleurd licht op een voorwerp valt met een andere kleur, dat het licht absorbeert en we dit voorwerp zien als zwart.
  • Zorg dat je weet dat als wit licht op een gekleurd voorwerp valt, dat dan alle kleuren absorberen behalve licht met dezelfde kleur als het voorwerp.

         Opdrachten
  1. (2p) Bij de kassa van de supermarkt wordt er met rood licht op een streepjescode geschenen. Wat gebeurt er met het rode licht op zowel de zwarte als de witte streepjes?
  2. (1p) Stel dat we twee kamers hebben waar evenveel zonlicht naar binnen komt. De ene kamer heeft aan de binnenkant witte muren en de andere zwarte muren. Hoe komt het dat de zwarte kamer veel donkerder is dan de witte kamer?
  3. (1p) Tijdens een wintersportvakantie dragen veel mensen zonnebrillen, ook als er maar weinig zon is. Waarom?
  4. (4p) Wit licht schijnt op het gras van een voetbalveld. Wat is de kleur waarin we het gras zien? Verklaar precies wat er gebeurt met het licht.
  5. (3p) Met een rode lamp schijnen we op de Nederlandse vlag in een verder donkere kamer. In welke kleuren zien we de drie delen van de vlag?
  6. (2p) Je fietst 's avonds met een groene jas onder een aantal lantaarnpalen die geel licht geven. Leg uit in welke kleur een voorbijganger jouw jas ziet.
  7. (2p) Natriumlampen worden veel gebruikt als straatverlichting. Een natriumlamp geeft geel licht. Welk probleem geeft het als je een parkeergarage 's avonds verlicht met natriumlampen?

 

§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”!

INSTRUCTIEVIDEO:
Het brandpunt en het beeld

         Leerdoelen:
  • Zorg dat je weet dat lichtstralen evenwijdig aan de hoofdas bij een positieve lens altijd door het brandpunt (F) stralen.
  • Zorg dat je weet dat de afstand van de lens tot het brandpunt de brandpuntsafstand heet.
  • Zorg dat je met lichtstralen een beeld kan construeren en dat je kan laten zien dat het beeld is omgedraaid.

         Opdrachten
  1. (1p) Noem, behalve een vergrootglas en een bril, nog twee andere instrumenten waarbij men gebruik maakt van lenzen.
  2. (1p) Teken schematisch een positieve lens met de hoofdas.
  3. Hieronder zien we een lichtbundel die op een lens valt en op een scherm terecht komt.

    1. (1p) Teken het vervolg van de lichtbundel. Welk deel van het scherm wordt verlicht?
    2. (1p) Welk type lichtbundel zien we links van de lens?
    3. (1p) Welk type lichtbundel zien we tussen de lens en het brandpunt?
    4. (1p) Welk type lichtbundel zien we tussen het brandpunt en het scherm?
  4. (2p) In de onderstaande afbeelding is een positieve lens op ware grootte afgebeeld. De brandpuntsafstand van de lens is 2,5 cm. Teken het brandpunt en de het vervolg van de lichtbundel. Welk deel van het scherm wordt verlicht?

  5. (2p) Teken een bolle lens met een brandpuntsafstand van 0,05 m en geef aan hoe een evenwijdige lichtbundel door deze lens gebroken wordt.
  6. In de onderstaande afbeelding zien we een lichtpuntje, een lens en een scherm. Teken waar het lichtpuntje op het scherm te zien is. Begin met het teken van een lichtstraal uit het lichtpuntje evenwijdig aan de hoofdas.

  7. (2p) Teken hoe de evenwijdige lichtstralen afkomstig uit de onderkant en bovenkant van de vlam van een kaars zich voortplanten. Leg uit dat je hieruit kan opmaken dat het beeld is omgedraaid.

  8. (3p) Je krijgt een lens met een onbekend brandpunt. Beschrijf een experiment waarmee je zelf het brandpunt kan bepalen.