Μάθημα : Φυσική Γ

Ως τώρα γνωρίσαμε τα βασικά χαρακτηριστικά του φωτός, την φύση του. Μάθαμε ότι είναι μία μορφή ενέργειας (φωτεινή ενέργεια) που μεταφέρεται στον χώρο (και στο κενό) με την μορφή κυμάτων με την τεράστια ταχύτητα των 300000000 μέτρων ανά δευτερόλεπτο.

Από αυτό το σημείο και για τις επόμενες ενότητες θα μελετήσουμε τις ιδιότητες του φωτός που παράγεται από μία φωτεινή πηγή (λάμπα, LASER, κλπ) ακολουθώντας την πορεία μίας ακτίνας η οποία κινείται στον χώρο. Επειδή η ακτίνα είναι ευθεία για να την οπτικοποιήσουμε στο μυαλό μας θα την σχεδιάζουμε με μία ευθεία γραμμή η οποία ακολουθεί όλους τους νόμους της κλασικής Ευκλείδιας Γεωμετρίας (εξ ού και ο τίτλος αυτού τους κλάδου της Φυσικής, δηλαδή, Γεωμετρική Οπτική).

Όταν το φως πέσει πάνω σε ένα αδιαφανές αντικείμενο ένα μέρος του ανακλάται και το μεγαλύτερο μέρος του απορροφάται από αυτό. Ως αποτέλεσμα τούτου πίσω από το αντικείμενο δημιουργείται ένας σκοτεινός χώρος αφού υπάρχει έλλειψη φωτός. Ο σκοτεινός αυτός χώρος ονομάζεται σκιά.

Όταν φωτίζεται ένα αδιαφανές αντικείμενο, όπως είπαμε πιο πάνω, πίσω από το αντικείμενο δημιουργείται σκιά. Μερικές φορές αν προσέξουμε πιο προσεκτικά την γραμμή που διαχωρίζει την σκοτεινή από την φωτεινή περιοχή βλέπουμε μια περιοχή που δεν είναι ούτε φωτεινή ούτε σκοτεινή. Μοιάζει σαν μιά αμυδρή σιλουέτα του αντικειμένου. Η περιοχή αυτή ονομάζεται παρασκιά, όπως δείχνει η παρακάτω εικόνα.

Η εμπειρία μας δείχνει πως δεν δημιουργούνται πάντοτε παρασκιές. Για παράδειγμα τα αντικείμενα που φωτίζονται από τον ήλιο δεν δίνουν παρασκιές, αντίθετα, η φωτεινή και η σκοτεινή περιοχή είναι με ακρίβεια διαγεγραμμένες.  Στο σημείο αυτό θα πρέπει να καταλάβουμε ότι μία φωτεινή πηγή (μια ηλεκτρική λάμπα, ένα κερί, ο ήλιος, κλπ) αποτελείται από άπειρα σημεία, κάθε ένα από τα οποία εκπέμπει μία ακτίνα φωτός. Οπότε όλα μαζί εκπέμπουν άπειρες ακτίνες φωτός, το σύνολο των οποίων ονομάζεται φωτεινή δέσμη.

Το σχήμα παραπάνω δείχνει το τρόπο που δημιουργείται η σκιά και η παρασκιά. Η πηγή βρίσκεται στο σημείο Ο και ένα αντικείμενο ΑΒ σε κάποια απόσπαση από την πηγή. Κάθε σημείο της φωτεινής πηγής Ο εκπέμπει άπειρες ακτίνες φωτός. Ενδιαφέρουν δύο βασικά σημεία της πηγής: το πάνω και το κάτω.  Από αυτά τα δύο σημεία αναχωρούν τέσσερεις ακτίνες:

1. Από το κάτω μέρος της πηγής προς το Α που καταλήγει στην οθόνη στο σημείο Α'.

2. Από το κάτω μέρος της πηγής προς το Β που καταλήγει στην οθόνη στο σημείο Β''.

3. Από το πάνω μέρος της πηγής προς το Α που καταλήγει στην οθόνη στο σημείο Α''.

4. Από το πάνω μέρος της πηγής προς το Β που καταλήγει στην οθόνη στο σημείο Β'.

Αυτές οι τέσσερεις ακτίνες δημιουργούς τρεις περιοχές πίσω από το αντικείμενο. 

α. Η ΑΒΒ''Α''Α στην οποία επικρατεί σκοτάδι και αυτή είναι η σκιά του ατικειμένου ΑΒ.

β. Οι ΑΑ"Α'Α που φωτίζεται από το κάτω μέρος της πηγής αλλά όχι από το πάνω.

γ. Οι ΒΒ''Β'Β που φωτίζεται από το πάνω μέρος της πηγής αλλά όχι από το κάτω.

Οι β και γ περιοχές είναι οι δύο παρασκιές που δημιουργεί η πηγή.

Το παραπάνω σχήμα διαφέρει σε σχέση με το πρώτο στο γεγονός ότι το μέγεθος της πηγής έχει μικρύνει. Οι περιοχές β και γ (ελαφρώς γκρίζαρισμένες) έχουν μικρύνει και αυτές. Καταλαβαίνουμε λοιπόν ότι μικρότερο μέγεθος πηγής δίνει μικρότερη παρασκιά. Εν τέλει, αν η πηγή γίνει ένα σημείο η παρασκιά θα πάψει να υπάρχει. Άρα:

Οι σημειακές πηγές δεν δίνουν παρασκιές.

Μια τρίτη περίπτωση εμφανίζεται στο παραπάνω σχήμα στο οποίο η πηγή έχει απομακρυνθεί από το αντικείμενο ΑΒ. Πάλι παρατηρούμε ότι οι δύο περιοχές της παρασκιάς έχουν μικρύνει, κάτι που μοιάζει με την προηγούμενη περίπτωση, δηλαδή, η πηγή συμπεριφέρεται ως σημειακή, Αρα:

Οι απομακρυσμένες πηγές σε σχέση με το μέγεθος των αντικειμένων δεν δίνουν παρασκιές.

Δύο χαρακτηριστικά παραδείγματα δημιουργίας σκιάς και παρασκιάς είναι οι εκλίψεις Ηλίου και Σελήνης όπως φαίνεται πιό κάτω.

Εφαρμογή:

Να απαντήσετε στα τέσσερα ερωτήματα της άσκησης,