Luce
Usiamo la luce per vedere!
La luce visibile è la parte dello spettro elettromagnetico che i nostri occhi possono vedere:
È solo una piccola parte dello spettro completo, non è vero?
Spettro visibile
Luce visibile: le lunghezze d’onda visibili alla maggior parte degli occhi umani.
I colori principali, in ordine, vanno “Roy G Bv”: Rosso Arancio Giallo Verde Blu Viola
Come vediamo su questo bellissimo arcobaleno:
La luce ha lunghezze d’onda di circa 380 nm a 750 nm
nm significa nanometro, un miliardesimo di metro.
Esempio: la luce rossa ha una lunghezza d’onda di circa 700 miliardesimi di metro. Piccolo!
Le definizioni variano, ma ecco una guida approssimativa:
| Color | Wavelength Range (nm) |
|---|---|
| Red | 620–750 |
| Orange | 590–620 |
| Yellow | 570–590 |
| Green | 495–570 |
| Blue | 450–495 |
| Violet | 380–450 |
The frequency of red light is about 400 THz (and for violet is about 800 THz)
THz means teraHertz, a trillion cycles per secondo
Quindi la luce rossa vibra a circa 400 milioni di milioni di cicli al secondo. Veloce!
frequenza più alta (con lunghezza d’onda più corta) ha più energia:
- luce Rossa ha una minore frequenza, lunghezza d’onda più lunga e meno energia
- luce Blu ha una maggiore frequenza, lunghezza d’onda più corta e più energia
Velocità della Luce
la Luce viaggia a quasi pari a 300.000.000 metri al secondo (per l’esattezza: 299,792,458 metri al secondo) nel vuoto.
Cioè 300 milioni di metri al secondo, o:
- 3 × 108 m/s
- 300.000 km/s
- 186,000 miglia al secondo
A che velocità viaggia la luce:
| Distanza | Tempo | |
|---|---|---|
| 1 metro | a | 3.3 ns (3.3 miliardesimi di secondo) |
| Circa l’equatore della Terra | a | 134 ms (134 millesimi di secondo) |
| Dalla Terra alla Luna | a | 1.3 s |
| Superficie del Sole sulla Terra | a | circa 8 minuti) |
Non è così veloce, ma ancora dura circa 8 minuti dalla superficie del Sole sulla Terra.
Il simbolo di questa velocità è c:
c = 300.000.000 m/s
La luce può viaggiare più lentamente
Non dovremmo davvero chiamarla velocità della luce, in primo luogo perché si applica all’intero spettro elettromagnetico, alle onde gravitazionali e altro ancora! (Forse potremmo chiamarlo “Velocità massima”!)
Ma anche perché la luce viaggia solo quella velocità nel vuoto! Può viaggiare più lentamente …
| Medie | Velocità milioni di m/s |
|---|---|
| Vuoto | 299.8 |
| Aria | 299.7 |
| Ice | 228 |
| Acqua | 225 |
| Etanolo | 220 |
| Vetro | 205 |
| olio | 204 |
| Diamante | 123 |
lunghezza d’Onda e Frequenza sono Collegati
La lunghezza d’Onda e Frequenza sono relative:
Frequenza = VelocityWavelength
lunghezza d’Onda = VelocityFrequency
Supponendo che la luce nel vuoto, la velocità è la velocità della luce:3 × 108 m/s
proviamo con un esempio semplice (in questo caso non è una lunghezza d’onda della luce):
Immaginate una lunga lunghezza d’onda di 75.000 km
Frequenza = 300.000 km/s75,000 km
= 4 /s
= 4 Hz
Possiamo fit 4 di quelle lunghezze d’onda in 300.000 km, quindi vibra 4 volte in 1 secondo.
Quindi la frequenza è 4 Hz (4 al secondo)
O, viceversa, se sappiamo che vibra 4 volte al secondo possiamo calcolare la sua lunghezza d’onda:
lunghezza d’Onda = 300.000 km/s4 /s
= 75.000 km
Esempio: la luce Blu ha una lunghezza d’onda di circa 480 nm (480 × 10-9 m)
in questo Modo la frequenza è:
Frequenza = 3 × 108 m/s480 × 10-9 m
= 6.25 × 1014 /s
= 6.25 × 1014 Hz
Che è 625 TeraHertz
la Luce Viaggia in linea Retta
la Luce viaggia in linea retta fino a quando colpisce qualcosa, o suo percorso è cambiato da diverse densità, o dalla forza di gravità.
La luce del sole scorre dall’altra parte della strada.
Le ombre mostrano anche che la luce viaggia in linee rette.
Questa luce si diffonde un po ‘ ed è sparsa dall’atmosfera.
Raggi laser che fanno linee rette.
Onda
La luce si comporta come un’onda, quindi può:
- riflettere (rimbalzare),
- scatter (rimbalzare in tutte le direzioni),
- rifrangono (cambiare velocità e direzione)
- diffrangere (distribuiti passato un’apertura)
- trasmissione (passaggio diretto)
- o assorbiti
Fotoni
la Luce si comporta anche come pacchetti di energia chiamati Fotoni.
- Possiamo misurare la posizione e la quantità di moto di un fotone.
- I fotoni non hanno massa, ma ogni fotone ha una quantità di energia basata sulla sua frequenza (numero di vibrazioni al secondo)
- Ogni fotone ha una lunghezza d’onda
Quindi è come una particella e anche come un’onda. Questo è chiamato “dualità onda-particella”.
Einstein ha scritto:
“Sembra che dobbiamo usare a volte una teoria e a volte l’altra, mentre a volte possiamo usare entrambe.”
Intensità
Intensità di potenza per zona, di solito in Watt per metro quadrato:
Intensità = W/m2
Esempio: Sole su una piccola di 100 mq casa
Circa 150 a 300 watt di energia ricevuta dal Sole per metro quadrato.
Scegliamo il numero più piccolo:
Intensità = 150 W/m2
Quanta potenza è che su tutto il tetto?
Power = 150 W / m2 × 100 m2
Power = 15.000 W
Quindi una piccola casa ottiene circa 15 kilowatt sul suo tetto,che è molte volte più di un uso domestico.
Ma questo è solo mentre il sole splende, e solo circa il 20% può essere catturato dai tipici pannelli solari
Ma è ancora molta energia dal Sole.
Quadrato inverso
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Quadrato inverso: quando un valore diminuisce come il quadrato dell’altro valore. |
Esempio: luce e distanza
Più siamo lontani da una luce, meno è luminosa.
La luminosità diminuisce come il quadrato della distanza. Perché la luce si sta diffondendo in tutte le direzioni:
- l’energia due volte più lontano si sviluppa su 4 volte l’area
- l’energia 3 volte più lontano si sviluppa su 9 volte l’area
- ecc
Polarizzazione
la Luce è libera di vibrare in qualsiasi direzione perpendicolare al suo percorso.
Ma la luce polarizzata vibra su un solo piano:
La luce viene parzialmente polarizzata quando rimbalza su superfici come acqua o vetro.
Le lenti polarizzanti possono bloccare la luce da quel piano, per ridurre la luce riflessa e rendere più facile la visione in acqua:
Senza e con una lente polarizzante
Fibre ottiche
La luce e gli infrarossi possono essere inviati lungo cavi in fibra ottica, trasportando informazioni codificate nella lunghezza d’onda.
Cavi in fibra ottica
La luce rimane all’interno a causa di una speciale proprietà di rifrazione: quando l’indice di rifrazione è inferiore all’esterno, e l’angolo non troppo ripida, il fascio di luce ha di riflessione interna totale all’interno:
la Luce rimbalza contro le pareti all’interno del cavo
cavi in Fibra ottica sono molto meglio di cavi elettrici:
- Fili di ottenere di più “rumore” (altri segnali che distorcono o interferire con l’originale) da linee di alimentazione, la TV, la radio, illuminazione ecc.
- I fotoni non hanno massa, quindi possono passare rapidamente da 0 a 1. Gli elettroni hanno massa e sono lenti in confronto
- Il vetro ha molta meno resistenza alla luce rispetto al rame ai segnali elettrici, quindi può andare molto oltre senza bisogno di una spinta