Ενότητα 10: Φως

Η σημαντικότερη από τις αισθήσεις του ανθρώπου είναι η όραση. 
Χάρη σ' αυτήν έχουμε την δυνατότητα να παρατηρούμε το περιβάλλον γύρω μας.
Το βασικό όργανο της όρασης είναι το μάτι.
Όμως, για να δούμε, δε φτάνει να έχουμε τα μάτια μας ανοιχτά, αλλά πρέπει να υπάρχει και φως.
Το φως μεταφέρει διάφορες πληροφορίες. 
Για παράδειγμα:
  • Βλέπουμε ότι το φανάρι είναι κόκκινο και σταματάμε.
  • Βλέπουμε το χρώμα ενός φρούτου και ξέρουμε αν είναι ώριμο.

Ο άνθρωπος είδε διάφορα φαινόμενα σχετικά με το φως στη φύση, τα κατανόησε και τα αξιοποίησε προς όφελός του.
Για παράδειγμα:
  • Είδε διάφορα αντικείμενα να καθρεφτίζονται στην επιφάνεια λιμνών και ποταμών και χρησιμοποιώντας, αρχικά γυαλιστερά μέταλλα και αργότερα το γυαλί, έφτιαξε τους καθρέπτες.

1. Διάθλαση του φωτός

Το φως δε διαδίδεται μόνο στον αέρα αλλά και σε άλλα υλικά, όπως το νερό και το γυαλί.
Όταν μια φωτεινή ακτίνα συναντά τη διαχωριστική επιφάνεια δύο υλικών στα οποία διαδίδεται, τότε ένα μέρος της ανακλάται και ένα μέρος της μπαίνει μέσα στο νέο υλικό, αλλάζοντας όμως διεύθυνση.
Το φαινόμενο της αλλαγής της πορείας του φωτός όταν περνά από ένα διαφανές μέσο σε ένα άλλο, ονομάζεται διάθλαση του φωτός.
Η διάθλαση του φωτός οφείλεται στο γεγονός ότι το φως κινείται με διαφορετική ταχύτητα στα διάφορα υλικιά.
Όταν το φως περνά σε υλικό στο οποίο ταξιδεύει με μικρότερη ταχύτητα, η γωνία διάθλασης είναι μικρότερη από τη γωνία πρόπτωσης.
Στο φαινόμενο της διάθλασης, οφείλονται η φαινομενική ανύψωση των σωμάτων που βρίσκονται μέσα στο νερό και ο αντικατοπτρισμός.(Μερικές φορές όταν κινούμαστε σε αυτοκινητόδρομους στη διάρκεια του καλοκαιριού βλέπουμε από μακριά να καθρεφτίζεται στο δρόμο ο ουρανός ή ένα αντικείμενο, οπότε μας δημιουργείται η εντύπωση ότι στο βάθος του δρόμου υπάρχει νερό. Ωστόσο, όταν φθάνουμε εκεί, διαπιστώνουμε ότι το έδαφος είναι απολύτως στεγνό. Το φαινόμενο αυτό το παρατηρούν συχνά οι ταξιδιώτες της ερήμου. Ο ουρανός που καθρεφτίζεται στην έρημο δημιουργεί την εντύπωση της επιφάνειας μιας λίμνης ή θάλασσας η οποία διαρκώς απομακρύνεται όσο την πλησιάζεις. Το φαινόμενο αυτό ονομάζεται αντικατοπτρισμός.)


Οι ακτίνες μιας φωτεινής δέσμης μπορεί να:
  • Είναι παράλληλες μεταξύ τους. Στην περίπτωση αυτή λέμε ότι έχουμε μία παράλληλη δέσμη φωτεινών ακτίνων.
  • Πλησιάζουν η μία την άλλη. Στην περίπτωση αυτή λέμε ότι έχουμε μία συγκλίνουσα δέσμη φωτεινών ακτίνων.
  • Απομακρύνονται η μία από την άλλη. Στην περίπτωση αυτή λέμε ότι έχουμε μία αποκλίνουσα δέσμη φωτεινών ακτίνων.
Οι φακοί είναι αντικείμενα φτιαγμένα από γυαλί ή από άλλο διαφανές υλικό, με δύο καμπύλες επιφάνειες ή μία καμπύλη και μία επίπεδη επιφάνεια.
Όταν μια φωτεινή δέσμη διέρχεται μέσα από ένα φακό διαθλάται κι αλλάζει μορφή.
Οι φακοί χρησιμοποιούνται σε διάφορα οπτικά όργανα, όπως οι φωτογραφικές μηχανές, τα μικροσκόπια, τα τηλεσκόπια, τα γυαλιά οράσεως κ.α.
Συγκλίνοντες ονομάζονται οι φακοί οι οποίοι μετατρέπουν μία παράλληλη δέσμη φωτεινών ακτίνων σε συγκλίνουσα.
Οι συγκλίνοντες φακοί είναι παχύτεροι στο μέσο και λεπτότεροι στα άκρα.
Οι μεγεθυντικοί φακοί είναι συγκλίνοντες και ονομάζονται έτσι γιατί το είδωλο που σχηματίζουν είναι μεγαλύτερο σε μέγεθος από το ίδιο το αντικείμενο.
Αποκλίνοντες  ονομάζονται οι φακοί οι οποίοι μετατρέπουν μία παράλληλη δέσμη φωτεινών ακτίνων σε αποκλίνουσα.
Οι αποκλίνοντες φακοί είναι λεπτότεροι στο μέσο και παχύτεροι στα άκρα.

2. Φως και χρώματα

Το ηλιακό φως, καθώς και το φως από άλλες φωτεινές πηγές, αν και φαίνεται λευκό, αποτελείται από 7 διαφορετικά χρώματα. Τα χρώματα αυτά είναι το κόκκινο, το πορτοκαλί, το κίτρινο, το πράσινο, το γαλάζιο (κυανό), το βαθύ γαλάζιο (βαθύ κυανό) και το μενεξεδί (ιώδες). Μπορούμε να δούμε τα χρώματα από τα οποία αποτελείται το ηλιακό φως, αν αυτό περάσει μέσα από ένα τριγωνικό γυάλινο πρίσμα.
Η διαδικασία αυτή ονομάζεται ανάλυση του φωτός. Την ανάλυση του φωτός στη φύση μπορούμε να την παρατηρήσουμε στο ουράνιο τόξο. Η εμφάνισή του οφείλεται στη διάθλαση και την ανάκλαση του ηλιακού φωτός από τις σταγόνες της βροχής.
Αν συνδυάσουμε τα 7 χρώματα από τα οποία αποτελείται το ηλιακό φως, τότε εμφανίζεται το λευκό χρώμα. Ο πρώτος που κατάφερε να αναλύσει το ηλιακό φως, αλλά και να δημιουργήσει λευκό φως συνθέτοντας τα 7 χρώματα, ήταν ο Ισαάκ Νεύτων.
Ο δίσκος του Νεύτωνα







Πώς φτιάχνουμε τον Δίσκο του Νεύτωνα

3. Μια απλή φωτογραφική μηχανή

Η φωτογραφική μηχανή είναι ένα διαδεδομένο και σχετικά απλό οπτικό όργανο. Τα βασικά τμήματα μιας φωτογραφικής μηχανής είναι:
  • Ένα αδιαφανές κουτί
  • Ένας συγκλίνων φακός ή ένα σύστημα φακών
  • Ένας φωτοφράκτης (διάφραγμα)
  • Ένα φωτοευαίσθητο φιλμ (φωτογραφικό φιλμ)

Όταν πατάμε το κουμπί της φωτογραφικής μηχανής, για να βγάλουμε φωτογραφία, ανοίγει το διάφραγμα και φωτεινές ακτίνες από το αντικείμενο που θέλουμε να φωτογραφίσουμε περνούν μέσα από τον συγκλίνοντα φακό, διαθλώνται και συγκεντρώνονται πάνω στο φωτογραφικό φιλμ. Αυτό έχει σαν αποτέλεσμα το είδωλο του αντικειμένου να σχηματίζεται πάνω στο φιλμ. Το είδωλο σχηματίζεται ανεστραμμένο, δηλαδή ανάποδα.
Ο χρόνος για τον οποίο μένει ανοιχτό το διάφραγμα, εξαρτάται από το πόσο φωτεινό είναι το περιβάλλον στο οποίο φωτογραφίζουμε: όσο φωτεινότερο είναι το περιβάλλον, τόσο μικρότερος είναι ο χρόνος που πρέπει να μένει ανοιχτό το διάφραγμα.
Οι ψηφιακές φωτογραφικές μηχανές διαφέρουν από τις απλές στο ότι δε χρησιμοποιούν φιλμ αλλά μια επιφάνεια η οποία καταγράφει τις πληροφορίες της εικόνας με ψηφιακό τρόπο, αποθηκεύονται στη μνήμη της μηχανής και μπορούν να αναπαραχθούν σε Η/Υ ή τηλεόραση ή να εκτυπωθούν.

4. Το μάτι μας

Ένα από τα αισθητήρια όργανα εναι το μάτι. Το σχήμα του ματιού είναι σφαιρικό και τα κυριότερα μέρη του είναι:
  • ο κερατοειδής χιτώνας: Είναι διάφανος και βρίσκεται στο μπροστινό μέρος του ματιού.
  • η ίριδα: Είναι ένα κυκλικό διάφραγμα που βρίσκεται πίσω από τον κερατοειδή χιτώνα και αποτελεί το χρωματιστό μέρος του ματιού.
  • η κόρη: Είναι μια οπή μεταβαλλόμενης διαμέτρου μέσα από την οποία μπαίνει το φως στο μάτι και βρίσκεται στο κέντρο της ίριδας.
  • ο κρυσταλλοειδής φακός: Είναι ένας συγκλίνων φακός και βρίσκεται πίσω από την ίριδα.
  • ο αμφιβληστροειδής χιτώνας: Βρίσκεται στο πίσω μέρος του ματιού και επάνω του σχηματίζεται το είδωλο των αντικειμένων.
  • το οπτικό νεύρο: Ξεκινά από τον αμφιβληστροειδή χιτώνα και καταλήγει στον εγκέφαλο.
Τα φρύδια βρίσκονται πάνω από το μάτι και το προστατεύουν από τον ιδρώτα.
Τα βλέφαρα βρίσκονται μπροστά από το μάτι και ανοιγοκλείνουν από μόνα τους, για να το προστατεύσουν από υπερβολικό φως και ξένα σώματα (π.χ. σκόνη, σκουπίδια).
Τα δάκρυα είναι απαραίτητα, γιατί διατηρούν τα μάτια υγρά.
Το γεγονός ότι έχουμε δυο μάτια μας βοηθά να υπολογίζουμε καλύτερα τις αποστάσεις των αντικειμένων που βρίσκονται γύρω μας και αυξάνει το οπτικό μας πεδίο, δηλ. το μέρος του χώρου που βλέπουμε.

5. Πώς βλέπουμε;

Για να δούμε ένα αντικείμενο πρέπει φωτεινές ακτίνες από αυτό να πέσουν στο μάτι μας.
Αυτές οι φωτεινές ακτίνες περνούν μέσα από την κόρη του ματιού και στη συνέχεια συναντούν τον κρυσταλλοειδή φακό, όπου και διαθλώνται με αποτέλεσμα να συγκλίνουν. 
Αυτό έχει σαν αποτέλεσμα το είδωλο του αντικειμένου να σχηματίζεται ανάποδα, επάνω στον αμφιβληστροειδή χιτώνα.
Η εικόνα του ειδώλου μεταφέρεται στον εγκέφαλο από το οπτικό νεύρο.
Οι κυριότερες ομοιότητες του ματιού με μια φωτογραφική μηχανή.
Η οπή της φωτογραφικής μηχανής αντιστοιχεί με την κόρη του ματιού μας, ο φακός που διαθέτει μια φωτογραφική μηχανή αντιστοιχεί με τον κρυσταλλοειδή φακό του ματιού και το φωτογραφικό φιλμ με τον αμφιβληστροειδή χιτώνα.
Απλά το φωτογραφικό φιλμ είναι επίπεδο ενώ ο αμφιβληστροειδής χιτώνας καμπύλος. Και όπως σχηματίζονται ανεστραμμένα τα είδωλα στο φιλμ έτσι σχηματίζονται και στον αμφιβληστροειδή χιτώνα.
Οι κυριότερες παθήσεις στην όρασή μας είναι:
  • α. Μυωπία:

Ο βολβός έχει μεγαλύτερο βάθος από το κανονικό, με αποτέλεσμα το είδωλο να σχηματίζεται πριν από τον αμφιβληστροειδή χιτώνα. Το πρόβλημα της μυωπίας διορθώνεται με τη χρήση αποκλίνοντων φακών.
  • β. Πρεσβυωπία:

Ο φακός χάνει την ελαστικότητά του με αποτέλεσμα το είδωλο των αντικειμένων που βρίσκονται κοντά να σχηματίζεται πίσω από τον  αμφιβληστροειδή χιτώνα. Το πρόβλημα της πρεσβυωπίας διορθώνεται με τη χρήση συγκλίνοντων φακών.
  • γ. Υπερμετρωπία:

Ο βολβός έχει μικρότερο βάθος από το κανονικό, με αποτέλεσμα το είδωλο να σχηματίζεται πίσω από τον αμφιβληστροειδή χιτώνα. Το πρόβλημα της υπερμετρωπίας διορθώνεται με τη χρήση συγκλίνοντων φακών.