Fenomene optice

Elevii studiază propagarea luminii, reflexia, refracția și formarea imaginilor în oglinzi și lentile.

Propagarea rectilinie a luminii. Umbra și penumbra

Corpurile care emit lumină proprie se numesc surse de lumină — Soarele, becul, flacăra, luminița unui licurici. Corpurile care nu emit, dar le vedem pentru că reflectă lumina primită, se numesc corpuri luminate: Luna, masa, cartea.

După cum lasă lumina să treacă, mediile se împart în:

• transparente — lasă lumina să treacă și se poate vedea prin ele (aerul, sticla, apa curată);
• translucide — lasă lumina să treacă, dar difuz, fără a distinge contururi (sticla mată, hârtia de calc);
• opace — nu lasă lumina să treacă (lemnul, metalul, cartonul).

Legea propagării rectilinii: într-un mediu transparent și omogen, lumina se propagă în linie dreaptă. Direcția de propagare se reprezintă prin raze de lumină, iar un mănunchi de raze formează un fascicul (paralel, convergent sau divergent).

Viteza luminii în vid este de aproximativ 300 000 km/s — cea mai mare viteză posibilă în natură. În alte medii, lumina se propagă mai încet.

Consecințele propagării rectilinii se cer frecvent la itemi:

• umbra — regiunea din spatele unui corp opac în care lumina nu ajunge deloc; o sursă punctiformă dă doar umbră, cu contur net;
• penumbra — regiunea în care ajunge lumină doar de la o parte a sursei; apare numai când sursa este întinsă, nu punctiformă;
• eclipsa de Soare — Luna se află între Soare și Pământ și aruncă umbră pe Pământ;
• eclipsa de Lună — Pământul se află între Soare și Lună, iar Luna intră în conul de umbră al Pământului.

Confuzia clasică la examen: în eclipsa de Soare, Luna este la mijloc, iar în cea de Lună, Pământul este la mijloc. Verifică mereu cine intră în umbra cui.

Reflexia luminii și oglinzile

Reflexia este fenomenul de întoarcere a luminii în mediul din care a venit, atunci când întâlnește suprafața de separare cu alt mediu.

Elementele desenului, pe care examenul le cere denumite corect: raza incidentă, punctul de incidență, normala (perpendiculara pe suprafață în punctul de incidență), raza reflectată, unghiul de incidență (i) — între raza incidentă și normală — și unghiul de reflexie (r) — între raza reflectată și normală.

Legile reflexiei:

• Legea I: raza incidentă, normala și raza reflectată se află în același plan.
• Legea a II-a: unghiul de reflexie este egal cu unghiul de incidență, adică r = i.

Atenție la o greșeală care se repetă an de an: unghiurile se măsoară față de normală, nu față de suprafața oglinzii. Dacă enunțul îți dă unghiul cu suprafața, trebuie mai întâi să-l scazi din 90°.

Se deosebesc două situații:

• reflexia regulată — pe suprafețe netede și lustruite (oglindă, luciul apei); razele paralele rămân paralele și se formează imagini clare;
• reflexia difuză — pe suprafețe rugoase; razele se împrăștie în toate direcțiile. Datorită ei vedem obiectele obișnuite din orice unghi.

Oglinda plană formează o imagine cu proprietăți fixe, cerute direct la itemi: imaginea este virtuală (nu poate fi prinsă pe un ecran), dreaptă, de aceeași mărime cu obiectul și situată simetric, la aceeași distanță în spatele oglinzii. Ea este însă inversată stânga-dreapta — de aceea textul citit în oglindă apare pe dos, iar ambulanțele au inscripția scrisă invers pe capotă.

Oglinzile sferice sunt de două feluri: concave (adâncite, care adună razele paralele într-un focar — folosite la faruri, la oglinda dentistului, în telescoape) și convexe (bombate, care împrăștie razele, dau imagini mici, dar cu câmp vizual larg — la oglinzile retrovizoare și la cele din intersecții).

Refracția luminii

Pune un creion într-un pahar cu apă și privește-l dintr-o parte: pare frânt exact la suprafața apei. Fenomenul se numește refracție.

Refracția este schimbarea direcției de propagare a luminii la trecerea dintr-un mediu transparent în altul. Cauza: lumina are viteze diferite în medii diferite — este mai rapidă în aer decât în apă sau în sticlă.

Elementele: raza incidentă, normala, raza refractată, unghiul de incidență (i) și unghiul de refracție (r), toate măsurate față de normală.

Legile refracției:

• Legea I: raza incidentă, normala și raza refractată se află în același plan.
• Legea a II-a: raportul dintre sinusul unghiului de incidență și sinusul unghiului de refracție este constant pentru două medii date; la nivelul clasei a VII-a reținem consecința practică, sub formă calitativă.

Regula pe care trebuie să o știi și să o poți aplica pe desen:

• când lumina trece dintr-un mediu mai puțin dens optic într-unul mai dens (din aer în apă sau în sticlă), raza se apropie de normală, deci r < i;
• când trece dintr-un mediu mai dens într-unul mai puțin dens (din apă în aer), raza se depărtează de normală, deci r > i;
• dacă raza cade perpendicular pe suprafață (i = 0), ea nu își schimbă direcția, deși viteza ei se modifică. Acesta este cazul special care apare cel mai des la itemi.

Fenomene explicate prin refracție: bazinul pare mai puțin adânc decât este în realitate, un obiect scufundat pare ridicat, curcubeul apare prin descompunerea luminii albe la trecerea prin picăturile de apă, iar mirajul din deșert se produce în straturi de aer cu temperaturi diferite.

Lumina albă este, de fapt, un amestec: trecută printr-o prismă, ea se descompune în culorile spectrului, de la roșu la violet — fenomen numit dispersie.

Lentilele

Lentila este un corp transparent mărginit de două suprafețe, dintre care cel puțin una curbă. După efectul asupra unui fascicul paralel, lentilele sunt de două feluri:

• lentile convergente — mai groase la mijloc decât la margini; adună razele paralele într-un punct numit focar (F);
• lentile divergente — mai subțiri la mijloc decât la margini; împrăștie razele paralele, care par să vină dintr-un focar virtual.

Elementele lentilei: centrul optic (O), axa optică principală, focarele (câte unul de fiecare parte) și distanța focală (f) — distanța de la centrul optic la focar.

O lentilă este cu atât mai puternică cu cât distanța focală este mai mică. Mărimea care exprimă asta se numește convergență, se calculează cu C = 1/f și se măsoară în dioptrii (δ), unde f se ia în metri. Convenția: convergența este pozitivă la lentilele convergente și negativă la cele divergente. O lentilă cu f = 0,5 m are C = 2 dioptrii.

Imaginile formate de o lentilă convergentă depind de poziția obiectului — este partea care se cere cel mai des:

• obiect dincolo de dublul distanței focale: imagine reală, răsturnată, mai mică (aparatul foto, ochiul);
• obiect între F și 2F: imagine reală, răsturnată, mai mare (proiectorul);
• obiect între focar și lentilă: imagine virtuală, dreaptă, mai mare — acesta este modul în care funcționează lupa.

Lentila divergentă dă întotdeauna, indiferent de poziția obiectului, o imagine virtuală, dreaptă și mai mică.

Regula de deosebire a imaginilor, valabilă peste tot în optică: imaginea reală se formează prin intersecția efectivă a razelor, deci poate fi prinsă pe un ecran și este întotdeauna răsturnată; imaginea virtuală se obține din prelungirile razelor, nu poate fi prinsă pe ecran și este dreaptă.

Ochiul uman și defectele de vedere

Ochiul este un instrument optic natural. Lumina îl străbate în ordinea: cornee → umoare apoasă → cristalin → corp vitros → retină.

Rolurile principale:

• corneea — membrana transparentă din față, unde se produce cea mai mare parte a refracției;
• irisul — partea colorată, cu orificiul central numit pupilă; reglează cantitatea de lumină, la fel ca diafragma unui aparat foto;
• cristalinul — o lentilă convergentă vie, care își modifică curbura prin mușchiul ciliar; fenomenul se numește acomodare și permite vederea clară la distanțe diferite;
• retina — ecranul sensibil pe care se formează imaginea;
• nervul optic — transmite informația la creier.

Pe retină, imaginea este reală, răsturnată și mai mică decât obiectul — exact ca la o lentilă convergentă cu obiectul situat dincolo de dublul distanței focale. Creierul este cel care o interpretează în poziția corectă.

Defectele de vedere și corecția lor sunt cerute direct la examen:

• miopia — ochiul este prea „lung” sau cristalinul prea puternic, iar imaginea se formează înaintea retinei; miopul vede bine aproape și încețoșat la distanță; se corectează cu lentile divergente (dioptrii negative);
• hipermetropia — imaginea se formează în spatele retinei; se vede greu de aproape; se corectează cu lentile convergente (dioptrii pozitive);
• prezbiopia — apare cu vârsta, prin pierderea elasticității cristalinului, deci prin scăderea capacității de acomodare pentru aproape;
• astigmatismul — curbura neregulată a corneei, corectată cu lentile cilindrice.

Capcana de punctaj este mereu aceeași pereche: miopie — lentile divergente, hipermetropie — lentile convergente. Reține sensul fizic, nu doar cuvintele: dacă imaginea cade prea devreme, ai nevoie de o lentilă care să împrăștie razele și să împingă imaginea mai departe, deci divergentă.

Igiena vederii: citit la lumină suficientă, pauze regulate la ecrane, distanță de cel puțin 30 cm față de carte și control oftalmologic periodic.

Test — 6 întrebări ca la examen