Zjawiska cienia i półcienia
Dlaczego cienie mają różne kształty i ostrość
W poprzedniej lekcji dowiedzieliśmy się, że światło rozchodzi się prostoliniowo. Konsekwencja? Za każdą przeszkodą powstaje ciemny obszar – cień. Ale dlaczego cienie czasem mają ostre krawędzie, a czasem rozmyte? Odpowiedź kryje się w rozmiarze źródła światła.
Cień i półcień – definicje
Cień (umbra) – obszar za przeszkodą, do którego nie dociera żadne światło ze źródła. Jest całkowicie ciemny.
Półcień (penumbra) – obszar, do którego dociera tylko część promieni – jest jaśniejszy od cienia, ale ciemniejszy od otoczenia. Powstaje przy źródle rozległym.
Promienie świetlne rozchodzą się od źródła we wszystkich kierunkach. Gdy napotkają przeszkodę, nie mogą jej „obejść” – za przeszkodą tworzy się ciemny obszar. Jeśli źródło jest duże, część promieni omija przeszkodę z jednej strony, a część z drugiej – stąd strefa częściowego oświetlenia, czyli półcień.
Źródło punktowe vs. rozległe
Kluczowa różnica: rozmiar źródła decyduje o tym, jak wygląda cień. Źródło punktowe (bardzo małe) daje ostry cień bez półcienia. Źródło rozległe (duże) daje rozmyty cień otoczony półcieniem.
Źródło punktowe
Mały punkt świetlny (np. dioda LED) → ostry cień o wyraźnych krawędziach. Brak półcienia.
Źródło rozległe
Duże źródło (np. Słońce, lampa sufitowa) → wokół cienia pojawia się półcień o rozmytych krawędziach.
Im większe źródło światła, tym szerszy półcień i bardziej rozmyte krawędzie. Im mniejsze (bardziej punktowe) – tym cień ostrzejszy. Dlatego pod lampą jarzeniową (rozległą) cień jest rozmyty, a pod latarką LED (punktową) – ostry.
Rozmiar cienia zależy od odległości
Rozmiar cienia zależy od odległości przeszkody od źródła i od ekranu. Im bliżej źródła znajduje się przeszkoda, tym większy cień rzuca na ekran – bo mocniej „blokuje” wiązkę promieni. Im dalej od źródła (bliżej ekranu) – tym cień jest mniejszy.
W teatrze cieni aktorzy przesuwają figurki bliżej lub dalej od źródła światła, by kontrolować wielkość cienia na ekranie. To ta sama zasada, którą wykorzystujesz, gdy bawisz się w „figury z cieni” z latarką!
Zaćmienie Słońca – cień w kosmosie
Najbardziej spektakularne zjawisko związane z cieniem i półcieniem to zaćmienie Słońca. Gdy Księżyc przechodzi dokładnie między Słońcem a Ziemią, rzuca swój cień na powierzchnię naszej planety.
Ludzie w cieniu (umbra) Księżyca widzą zaćmienie całkowite – niebo ciemnieje na kilka minut, widać koronę słoneczną. To niezwykle rzadkie zjawisko – w danym miejscu na Ziemi występuje średnio raz na 375 lat!
Ludzie w półcieniu (penumbra) widzą zaćmienie częściowe – Słońce jest zasłonięte tylko częściowo.
Zaćmienie Księżyca
Zaćmienie Księżyca działa odwrotnie – to Ziemia rzuca cień na Księżyc. Gdy Księżyc wejdzie w cień Ziemi, obserwujemy zaćmienie. Ciekawe jest to, że Księżyc nie znika całkowicie – nabiera czerwonawego koloru, bo atmosfera Ziemi załamuje długofalowe (czerwone) promienie w stronę Księżyca.
Podczas zaćmienia Księżyca atmosfera Ziemi działa jak pryzmat – przepuszcza głównie czerwone światło, które oświetla Księżyc. Stąd charakterystyczny miedziany / ciemnoczerwony kolor. Zjawisko to widoczne jest z całej nocnej półkuli Ziemi – dużo łatwiej do zaobserwowania niż zaćmienie Słońca!
Zarówno cień, jak i półcień to konsekwencja prostoliniowego rozchodzenia się światła. Gdyby światło mogło „skręcać” za przeszkodę, cienie by nie istniały! (W rzeczywistości przy bardzo wąskich szczelinach zachodzi dyfrakcja – ale to temat na fizykę w liceum.)
Gdzie spotykamy cienie?
- Zaćmienia – cień Księżyca lub Ziemi
- Latarka – ostry cień za ręką
- Teatr cieni – figury na ekranie
- Zegar słoneczny – cień mierzy czas
- Cień budynku – rozmyty (Słońce)
- Aparat otworkowy – obraz z cieni