Neviditelné světlo

Přečtěte si článek o objevu neviditelného světla a poté odpovězte na následující otázky:

1. Popište uspořádání Herschelova experimentu. K čemu slouží druhý a třetí teploměr?
2. O kolik stupňů se zvýšila teplota na prvním teploměru, když byl umístěn za červenou barvou viditelného spektra? Je z úryvku jasné, v jakých jednotkách byla teplota Herschelem měřena? Dokážete to alespoň odhadnout?
3. Vysvětlete, co vedlo Herschela k názoru, že ve spektru je za viditelným zářením nějaké další neviditelné záření.

Experiments on the Refrangibility of the Invisible Rays of the Sun
(by William Herschel)

I provided a small stand, with four short legs, and covered with white paper. On this I drew five lines, parallel to one end of the stand, at half an inch distance from each other, but so that the first of the lines might only be 1/4 of an inch from the edge. These lines I intersected at right angles with three others; the 2^d and 3^d whereof were, respectively, at 2½ and at 4 inches from the first.

The same thermometers that have before been marked No. 1, 2, and 3, mounted upon their small inclined planes, were then placed so as to have the centres of the shadow of their balls thrown on the intersection of these lines. Now, setting my little stand upon a table, I caused the prismatic spectrum to fall with its extreme colour upon the edge of the paper, so that none might advance beyond the first line. line. In this arrangement, all the spectrum, except the vanishing last quarter of an which served as a direction, passed down by the edge of the stand, and could not interfere with the experiments. I had also now used the precaution of darkening the window in which the prism was placed, by fixing up a thick dark green curtain, to keep out as much light as convenient.

The thermometers being perfectly settled at the temperature of the room, I placed the stand so that part of the red colour, refracted by the prism, fell on the edge of the paper, before the thermometer No. 1, and about half way, or 1¼ inch, towards the second: it consequently did not come before that, or the 3^d thermometer, both which were to be my standards. During the experiment, I kept the last termination of visible red carefully to the first line, as a limit assigned to it, by gently moving the stand when required; and found the thermometers, which were all placed on the second line, affected as follows.

Here the thermometer No. 1 rose 6½ degrees, in 10 minutes, when its centre was placed ½ inch beyond the visible light.

In order to have a confirmation of this fact, I cooled the thermometer No. 1, and placed No. 2 in the room of it: I also put No. 3 in the place of No. 2, and No. 1 in that of No. 3; and, having exposed them as before arranged on the second line, I had following result. […]

Kompozitní fotografie

Dnes využíváme infračerveného záření k astronomickému pozorování. Podívejte se, jak vypadá Galaxie v Andromedě ve viditelném a infračerveném spektru.

Současné technologie nám umožňují informace získané v různých oborech spektra znázornit do jednoho obrázku.

Úkoly:

1. Pomocí vámi používaného fotoeditoru (nebo například online https://pixlr.com/cz/x/#editor) kombinujte předchozí dva obrázky a výsledek porovnejte s obrázkem získaným profesionály.
2. V astronomii dnes vytváříme tzv. kompozitní fotografie vesmírných objektů. Proč jsou tyto kompozitní snímky odlišné od fotografie ve viditelném oboru?

Experimenty s IR kamerou

Jak funguje infračervená kamera? Docela podobně jako digitální fotoaparát. Na čočku dopadá eletromagnetické záření. Zákony optiky jsou stejné jako třeba u skleněné čočky, liší se pouze použitý materiál. Na povrchu čočky je navíc nanesena antireflexivní vrstva, která zabraňuje odrazu infračerveného záření na povrchu čočky. Dochází tak ke zvýšení její propustnosti až na 90 % a více. Čočka z germánia funguje zároveň jako filtr (tj. selektuje jen část elektromagnetického spektra, která je důležitá z hlediska bezdotykového měření teploty) a samozřejmě soustředí dopadající elektromagnetické záření na samotný detektor.

Detektor infračerveného záření převádí dopadající infračervené záření na elektrický signál, který je další elektronikou převeden ve výsledný termogram. To je snímek v nepravých barvách s mnoha datovými údaji, které může uživatel termokamery využít při zpracování obrazu a získání dalších informací.

Infračervené kamery máme k dispozici nejen pro astronomická pozorování, ale pomáhají nám i v běžném životě. V následující galerii snímků z IR kamery se můžete podívat na několik zajímavých měření.

Snímky v infračerveném oboru

Otázky:

1. Jaká je teplota ocasu kočky? Jakou teplotu má její hlava?
2. Jaké oblasti obličeje člověka vysílají nejvíce infračerveného záření? Které naopak nejméně?
3. Je otisk ruky vidět také ve viditelné oblasti spektra?
4. Co lze z obrázku usoudit o vlastnostech černé igelitové fólie?
5. Jak bychom mohli nějakou oblast před infračerveným zářením zakrýt? Vyzkoušejte prakticky.

Dobré sluneční brýle

Pojem ultrafialové neboli UV záření jste jistě už někdy slyšeli. Jde o formu elektromagnetického záření s kratší vlnovou délkou než má námi viditelné světlo. Zaujímá spektrální oblast vlnových délek 10–400 nm. Ultrafialové záření je pro člověka neviditelné, na rozdíl od hmyzu, některých savců a ptáků. Rozlišujeme celkem tři druhy UV záření.

UVA záření: dlouhovlnné, vlnové délky v rozmezí 315 až 400 nm, nejbezpečnější, ale může za dlouhodobé poškození kůže (stárnutí) či poškození sítnice.

UVB záření: středněvlnné, vlnové délky 280 až 315 nm, poměrně nebezpečné, kromě poškození oka nebo jeho sítnice např. spálení kůže, přímé poškození DNA a rakovina kůže.

UVC záření: krátkovlnné, vlnové délky mezi 100 až 280 nm, pro živé organismy je velmi nebezpečné, protože ničí buněčné nukleové kyseliny. Pro tyto účinky je využíváno ke sterilizaci nástrojů nebo potravin a vody.

Extrémní UV záření: vlnové délky mezi 10 a 100 nm, šíří se pouze ve vakuu. Před nebezpečnými a nežádoucími účinky UV záření nás chrání atmosféra planety Země. Konkrétně ozonová vrstva (výskyt ve stratosféře 25–35 km nad povrchem), která dokáže velkou část dopadajícího ultrafialového záření pohltit. Na povrch planety Země pak dopadá zhruba 90–99 % paprsků UVA záření, 1–10 % paprsků UVB záření a žádné záření UVC.

Experiment – zkouška kvality UV filtru slunečních brýlí

Abychom zabránili poškození oční čočky a sítníce ultrafialovým zářením, používáme sluneční brýle. Ty jednak sníží množství světla dopadajícího do oka a takřka vždy jsou vybaveny kvalitním UV filtrem, který zabrání pronikání UV záření. Kvalitu UV filtru ve vašich brýlích si můžete snadno otestovat.

1. Sestavte obvod s arduinem a UV senzorem podle následujícího schématu. Senzor je napájen napětím 3,3 V.

   

2. Nahrajte do arduina následující program:

   // Tento program vam bude vracet hodnoty v mW/cm^2
   // Arduino senzor UVA a UVB záření
   // nastavení čísel propojovacích pinů senzoru
   #define pinOut A0
   #define pinRef3V3 A1
   
   void
   setup(void)
   {
       // zahájení komunikace po sériové lince rychlostí 9600 baud
       Serial.begin(9600);
   
       // nastavení propojovacích pinů jako vstupních
       pinMode(pinOut, INPUT);
       pinMode(pinRef3V3, INPUT);
   }
   
   void
   loop(void)
   {
       // načtení analogové hodnoty z obou vstupů,
       // pro načtení volaný podprogram, který vrátí
       // průměr za 8 měření
       int hodnotaUV = prumerAnalogRead(pinOut);
       int hodnotaRef3V3 = prumerAnalogRead(pinRef3V3);
   
       // přepočet načteného napětí z UV senzoru a napětí
       // z 3,3 V Arduina pro přesnou hodnotu z UV senzoru
       float napetiOutUV = 3.3/hodnotaRef3V3 * hodnotaUV;
   
       // přepočet napětí z UV senzoru na intenzitu UV záření
       float intenzitaUV = prevodNapetiIntenzita(napetiOutUV, 0.96, 2.8, 0.0, 15.0);
   
       // vytištění informací po sériové lince
       Serial.print("ML8511 napeti: ");
       Serial.print(napetiOutUV);
       Serial.print("V, UV Intenzita (mW/cm^2): ");
       Serial.println(intenzitaUV);
   
       // volitelná pauza 1 sekunda před novým měřením
       delay(1000);
   }
   
   // podprogram pro provedení 8 měření a vrácení průměrné hodnoty
   int
   prumerAnalogRead(int pinToRead)
   {
       byte numberOfReadings = 8;
       unsigned int runningValue = 0;
       for (int x = 0; x < numberOfReadings; x++)
           runningValue += analogRead(pinToRead);
       runningValue /= numberOfReadings;
       return runningValue;
   }
   
   // podprogram pro převod naměřené hodnoty
   // z desetinného čísla na UV intenzitu
   float
   prevodNapetiIntenzita(float x,
                         float in_min, float in_max,
                         float out_min, float out_max)
   {
       return (x – in_min) * (out_max – out_min)/(in_max – in_min) + out_min;
   }
   

3. Jako zdroj UV záření lze použít sluneční světlo (ne filtrované sklem) nebo například UV diodu. Brýle umístěte mezi zdroj záření a senzor. V sériovém monitoru zjistíte, kolik záření brýle propustí nebo naopak kolik absorbují.

Poznámky pro učitele

• pokud máte ve své sbírce senzor záření UV A nebo UV B od firmy Vernier, můžete toto měření provést i bez použití arduina
• podle výsledků doposud provedených měření jsou i levné sluneční brýle vybaveny kvalitními UV filtry

Měření rychlosti světla

Rychlost světla ve vakuu v inerciální soustavě je základní fyzikální konstantou. Poměrně dlouho trvalo, než jsme dokázali přesně změřit její hodnotu (připomeňme graf na obrázku 2.16). Dnes umíme rychlost světla měřit velmi přesně a využíváme ji také k definici některých základních jednotek mezinárodní soustavy (SI).

V této aktivitě si můžete zkusit rychlost světla jednoduše změřit. Přesněji řečeno budete měřit rychlost mikrovlnného záření, protože k experimentu použijeme mikrovlnnou troubu.

Jaký je princip měření? Mikrovlny vytvářené magnetronem na frekvenci 2 450 MHz se v kovovém obalu mikrovlnné trouby odrážejí a navzájem interferují. Uvnitř trouby tak vzniká stojaté elektromagnetické vlnění s kmitnami a uzly. V místech kmiten dochází k rozkmitávání molekul vody a ohřívání jídla. Protože je v ní umístěn i otočný talíř, jídlo, které jsme do ní vložili, se postupně ohřeje v celém objemu.

Když zajistíme, aby se talíř v mikrovlnce neotáčel, jídlo se prohřeje pouze v místě kmiten, které jsou od sebe vzdáleny o polovinu vlnové délky. Můžeme tedy posypat talíř nastrouhanou čokoládou (vložit toustový chléb nebo vyskládat bonbóny marshmallow), vložit do mikrovlnky a zapnout ji na přibližně 20 s (záleží na nastaveném výkonu trouby). Pak již stačí pouze změřit vzdálenost mezi rozpečenými místy čokolády (vzdálenost mezi kmitnami) a vypočítat přibližnou hodnotu rychlosti šíření elektromagnetického vlnění, tedy i světla.

A co potom? Nezbývá než výsledek porovnat s tabulkovou hodnotou a čokoládu sníst!

Měření rychlosti světla v mikrovlnné troubě

Vyznáte se ve zdrojích světla?

Úkol:

1. Vyberte si podle předchozího obrázku tři nebo čtyři zdroje, které doma používáte nebo se o nich chcete něco dozvědět.

2. Vyhledejte si o vybraných zdrojích základní informace. Které to jsou? Snažte se zjistit například:

   • barevnou teplotu
   • světelný tok
   • roční spotřebu energie
   • cenu
   • životnost

   Co nám jednotlivé parametry říkají o zdroji světla?

3. Jaké mají vámi vybrané světelné zdroje použití a proč?