Reflexia luminii în natură

1. Reflexia luminii în natură

2. Corpuri mate şi corpuri lucioase • Se precizează faptul că în cazul în care lumina cade pe un corp, acesta poate să o reflecte, să o absoarbă sau să o transmită. Deşi cele trei fenomene au loc simultan în realitate, ele se realizează în proporţii foarte diferite. Astfel sticla cu indicele de refracţie absolut n=1,5 reflectă doar 4% din lumina ce cade normal pe ea şi are o absorbţie neglijabilă, transmiţând practic lumina integral. Asemenea corpuri se numesc transparente. În aceeaşi clasă a corpurilor care transmit practic lumina în întregime intră şi corpurile translucide, care nu transmit lumina dirijat, conform cu legile refracţiei, ci difuz, împrăştiind-o în toate direcţiile. • Corpurile absorbante, care realizează o absorbţie selectivă, se numesc corpuri colorate. De exemplu, un obiect verde arată verde când este iluminat cu lumină albă deoarece absoarbe toate lungimile de undă cu excepţia verdelui, pe care îl reflectă. Corpul care absoarbe toată lumina ce cade pe el poartă numele de corp negru (exemplu : negru de fum), iar corpul care reflectă toate radiaţiile este alb. Corpurile metalice lustruite sunt puternic reflectante (de exemplu : oglinzi din sticlă pe suprafeţele cărora s-a depus o peliculă de argint) şi au un aspect foarte lucios pentru că, practic, nu există raze refractate sau absorbite, ci numai reflectate.

3. Razele de lumină ce lovesc o suprafaţă neregulată se vor reflecta în toate direcţiile, iar razele de lumină ce ating o suprafaţă netedă se reflectă sub aceleaşi unghiuri de incidenţă. Corpurile ude au un aspect lucios pentru că spaţiile dintre neregularităţi se umplu cu lichid, iar suprafaţa lichidului este dreaptă, producând reflexie regulată.

4. Reflexia totală apare la suprafaţa de separare a două medii optice transparente atunci când lumina incidentă provine dintr-un mediu mai dens (cu indicele de refracţie absolut mai mare) şi se reflectă sub un unghi mai mare decât unghiullimită pe un mediu mai puţin dens (cu indicele de refracţie absolut mai mic). Suprafaţa de separaţie pe care se obţine reflexia totală are aspect de oglindă. • Cantitatea de lumină reflectată de o suprafaţă depinde de cantitatea recepţionată de la sursa de lumină, care la rândul său depinde de intensitatea iluminării şi de orientarea suprafeţei faţa de lumină. • În realitate, multe suprafeţe sunt lucioase. Sub anumite unghiuri de observaţie, o suprafaţa lucioasă reflectă o parte importantă din lumina incidentă-aceasta se numeşte reflexie speculara. Atunci când se întâmplă aceasta, vedem o pată strălucitoare pe obiect, cu aceeaşi culoare ca şi lumina incidentă. Materialele reflective sunt considerate ca fiind extrem de lucioase.

5. Strălucirile apei Multe fenomene optice se produc în apă, dar şi pe suprafaţa acesteia,cauzate de refracţia şi reflexia luminii. Suprafeţele firelor aspre de stuf produc mici valuri în apă reflectând lumina solară. Milioane de imagini ale Soarelui sunt create în miniatură. Imaginile arată că petele de lumină apar acolo unde lamele ies din apă.

6. Efectele reflexiei luminii în apă • Un efect aparent insignifiant, dar totuşi interesant, este modul în care soarele se reflectă pe suprafaţa unei ape cu unde, creând o dungă de lumină pe apă de la linia orizontului până la observator. Dacă valurile nu sunt direct perpendiculare pe dreapta soare-observator, dunga luminoasă va părea înclinată într-o parte. Dunga luminoasă este cel mai bine observată dacă apa este aproape calmă şi dacă soarele se afla la un unghi de 5 grade deasupra orizontului. Valurile mari vor împrăştia dunga luminoasă pe o suprafaţă atât de mare încât va deveni greu de remarcat.

7. De ce este zăpada orbitoare? Fiecare fulg de nea este unic, iar forma lui este a unei plachete, a unei stele, al unui buton de manşetă sau al unui tăieţel.

8. Cristalele de gheaţă se comportă ca nişte oglinzi şi reflectă lumina după următorul model: Am auzit toţi de expresia “zăpadă orbitoare”. Aceasta se referă la faptul că zăpada poate cauza orbirea. Un strat de zăpadă proaspăt aşternută reflectă înapoi în atmosferă 85% din razele UV. Efectele acestui fenomen asupra ochiului se simt după câteva ore, iar simptomele sunt: -ochii devin sensibili la lumină; -o durere în zona ochilor şi a frunţii; -senzaţia ochlor plini de nisip. Primul ajutor în cazul orbirii de la zăpadă: -clătirea ochilor; -acoperirea ochilor cu un material gros şi umed pentru a racori ochii şi pentru a nu lăsa lumina să pătrundă; -transportarea victimei la un centru medical.

9. Culoarea albastră a cerului Un cer clar şi însorit este albastru pentru că moleculele din aer dispersează lumina albastră de la Soare mai mult decât lumina roşie.Când ne uităm spre Soare la asfinţit, putem observa culori roşii şi portocalii pentru că lumina albastră este dispersată în afara razei vizuale. Lumina albă este un amestec al culorilor curcubeului. Acesta a fost demonstrată de Isaac Newton, care a folosit o prismă pentru a separa diferite culori şi aşa a obţinut spectrul. Culorile de lumină se deosebesc datorită lungimii de undă care variază. Partea vizibilă a spectrului începe de la lumina roşie cu o lungime de undă de 780 nm, până la violet cu lungimea de undă de 380 nm, cu portocaliu, galben, verde, albastru şi indigo între ele. Cei trei receptori ai culorii din ochiului uman percep mai mult undele roşii, verzi şi albastre, ce ne dau vederea colorată.

10. Efectul Tyndall şi împrăştierea Rayleigh Primul pas în a explica culoarea cerului a fost făcut de John Tyndall în 1859. El a descoperit că atunci când lumina trece printr-un lichid limpede ţinând mici particule suspendate, undele scurte de lumină albastră sunt dispersate mai mult decât cele roşii. Aceasta poate fi demonstrată trimiţând un fascicol de lumină albă într-un rezervor cu apă cu puţin lapte sau săpun amestecat.  Din lateral, fascicolul poate fi observat cu lumina albastră în dispersie; dar lumina care se vede la sfârşit devine roşiatică după ce trece de rezervor.

11. Lumina dipersată poate fi văzută polarizată folosind un filtru de polarizare al luminii, aşa cum cerul albastru se vede mai intens prin ochelari de soare polarizaţi. Acesta este numit şi efectul Tyndall, dar este mai cunoscut de fizicieni sub numele de dispersia Rayleigh, după Lord Rayleigh, care l-a studiat în detaliu câţiva ani mai târziu. El a arătat că o anumită cantitate de lumină dispersată este invers proporţională cu lungimea de undă la puterea a patra pentru particule suficient de mici. Se arată că lumina albastră este dispersată mai mult decat lumina roşie cu un factor de (700/400)4, aprox. egal cu 10. Tyndall şi Rayleigh au crezut că acea culoare albastră a cerului poate fi cauzată de mici particule de praf sau datorită prezenţei vaporilor de apă în atmosferă. Chiar şi astăzi, oamenii spun incorect acelaşi lucru.  Mai târziu cercetătorii şi-au dat seama că dacă acest lucru nu este adevărat, înseamnă că ar trebui să fie mai multe variaţii ale culorii cerului cu umiditate sau condiţii de ceaţă fină. Acestea au fost de fapt observate, deci au presupus corect că moleculele de oxigen şi azot din aer sunt suficient de relevante pentru dispersie. Cauza a fost stabilită în final de Einstein în1911, care a calculat în detaliu formula de dispersie a moleculelor de lumină. 

12. Dacă undele cu lungimea de undă mai scurtă sunt dispersate mai puternic, atunci ne punem întrebarea de ce nu poate fi violet cerul, culoarea cu cea mai mică lungime de undă.  Spectrul luminii de emisie a soarelui nu este constant cu toate lungimile de undă, de asemenea este absorbit de atmosfera înaltă, aşa că este mai puţin violet în lumină.  De asemnea şi ochii noştri percep mai greu violetul.  Asta este o parte a răspunsului; totuşi un curcubeu arată că rămâne o parte destul de evidentă a luminii visibile colorată indigo şi violet pe lângă albastru. Restul răspunsului al acestui puzzle rămâne de cercetat. Curbele de răspuns ale celor trei conuri ale ochiului uman ( intensitatea senzaţiei de lumină funcţie de lungimea de undă )

13. Când privim spre cer, conurile roşii răspund chiar la şi o cantitate mică din lumina roşie dispersată, dar mai puţin la lungimile de undă portocalii şi galbene. Conurile verzi răspund la galbene şi cel mai puternic dispersate verzi şi verzi-albastre. Conurile albastre sunt stimulate de culori apropiate de lungimile de undă albastre care sunt puternic dispersate. Dacă nu era indigo sau violet în spectru, cerul ar fi fost de culoare albastră cu o nuanţă de verde. Oricum, cele mai puternice unde de indigo şi violet dispersate stimulează conurile roşii la fel de mult ca şi pe cele albastre, fapt care duce la apariţia culorilor albastre cu o nuanţă de roşu. În mod sigur conurile roşii şi verzi sunt stimulate în mod egal de lumina cerului, în timp ce conurile albastre sunt stimulate mai puternic.  Acestă combinaţie conduce la culoare palidă a cerului albastru. Nu poate fi o coincidenţă faptul că vederea noastră nu este reglată pentru a vedea nuanţa pură a cerului. Ne-am dezvoltat ca să ne potrivim în mediul înconjurător; şi abilitatea de a separa culorile naturale ceea ce este un avantaj al supravieţuiri.

14. Apusurile rosiatice Sunt două motive pentru înroşirea cerului la răsărit sau la apus: - primul motiv este dispersia puternică a luminii albastre ce parcurge un strat mai gros de aer când soarele apune. - al doilea este absorbţia şi reflexia radiaţiilor luminoase de către particulele de praf. Acesta este motivul pentru care partea roşie din spectru domină.

15. Lumina zodiacală • Lumina zodiacalăeste o strălucire slabă, albă, cu o forma triunghiulară, văzută pe cer noaptea şi care pare să se extindă din vecinătatea soarelui de-a lungul eclipticului sau zodiacului. In latitudinile nordice lumina zodiacală este cel mai bine observată în partea de vest a cerului, primăvara după ce crepusculul de seară a dispărut, sau în partea de est a cerului, toamna înainte de răsărit. Este atât de palidă lumina încât este mascată de lumina soarelui sau de poluare. Lumina zodiacală descreşte în intensitate o dată cu depărtarea faţă de soare, dar în nopţile foarte întunecate a fost observată într-o bandă întreagă în jurul elipticului. De fapt, lumina zodiacală acoperă tot cerul, fiind responsabilă pentru 60% din luminozitatea cerului în nopţile fără lună. • Lumina zodiacală este produsă de lumina soarelui ce se reflectă de particulele de praf, ce sunt prezente în sistemul solar şi cunoscute sub numele de praf cosmic. Spectrul luminii zodiacale este identic cu cel al soarelui. Materialul ce produce lumina zodiacală este localizat într-un volum de spaţiu de forma unei lentile centrate pe soare şi extinzându-se dincolo de orbita Pământului. Acest material este cunoscut sub numele de nor de praf interplanetar. Deoarece majoritatea materialului este situat în apropierea planului sistemului solar, lumina zodiacală este văzută de-a lungul elipticului. Cantitatea de material necesară producerii fenomenului este incredibil de mică. Dacă ar fi în forma unor particule de 1mm, fiecare cu aceeaşi putere de reflexie ca luna Pământului, fiecare particulă ar fi la 8 km de vecinii săi. • Acest fenomen a fost studiat pentru prima oară de către astronomul Giovanni Domenico Cassini în 1683 şi a fost explicat pentru prima oară de Nicolas Fatio de Duillier în 1684.

16. Lumina antisolară Lumina antisolară este o pată foarte slab luminoasă care se vede noaptea pe cer în locul opus soarelui. Lumina antisolară este vazută uneori în direcţia opusă soarelui, având punct de convergenţă înspre umbra capului observatorului. Este cauzată de difuzia luminii în aerosoli precum particule de praf şi vapori de apă. Norii sau relieful pot bloca soarele astfel făcând posibilă observarea luminii antisolare. Razele sunt paralele una faţă de cealaltă deoarece soarele este la mare distanţă. In orice caz, perspectiva creează impresia de divergenţă de la poziţia soarelui, sau în alt caz convergenţa spre punctul antisolar (imaginea soarelui opus).

17. Lumina solară şi antisolară sunt cauzate de difuzia luminii, deci necesită o cantitate relativ mare de aerosoli în aer (aerul nu trebuie să fie complet curat). Un cer puţin înceţoşat oferă suficiente ocazii pentru observarea acestei lumini. Pentru a observa lumina antisolară ar trebui ca observatorul să privească în direcţia opusă soarelui de preferat foarte jos (între 0 şi 20 de grade altitudine). De asemenea ar trebui să fie nori în vecinătatea soarelui pentru a forma umbre şi a crea această lumină. Razele pot fi observate de o culoare roz-violet în contrast cu culoarea albastră a cerului. Lumina antisolară este mai greu de observat decât razele de lumină normală deoarece de obicei razele difuzate au o anumită tendinţă de a se deplasa frontal şi nu în sens opus. Razele se disting mai uşor atunci când norii ce acoperă cerul au formele bine definite (cum ar fi norii de ploaie). Fenomenul poate fi vizibil şi după apus dar şi înainte de răsărit când norii care formează umbra sunt sub nivelul orizontului. Razele pot fi văzute în convergenţă cu banda de umbră a Pământului şi centura lui Venus. 

18. Proiect realizat de: Cătălina Chioveanu clasa a XI-a B Liceul Teoretic “Callatis”