ΕΙΣΑΓΩΓΙΚΕΣ ΕΝΝΟΙΕΣ ΦΩΤΙΣΜΟΥ

Σκοπός του Κεφαλαίου Όταν θα έχεi ολοκληρωθεί η μελέτη του κεφαλαίου, ο μαθητής θα είναι σε θέση να: Γνωστικοί στόχοι (γνώσεις) ορίζει τι είναι ηλεκτρομαγνητικό κύμα εξηγεί τον νόμο της ανάκλασης και τον τύπο του κατατάσσει σωστά τις κατηγορίες φωτεινών δεσμών (παράλληλη, συγκλίνουσα, αποκλίνουσα) απαριθμεί τουλάχιστον 3 τρόπους δημιουργίας φωτεινής ακτινοβολίας συγκρίνει το φάσμα της υπέρυθρης, ορατής και υπεριώδους ακτινοβολίας, αναφέροντας χαρακτηριστικά για κάθε μία υπολογίζει τον συντελεστή ανάκλασης εξηγεί ποια φαινόμενα ορίζονται ως εκλεκτική ανάκλαση και πώς σχετίζεται με το χρώμα περιγράφει πώς τα φίλτρα αλλάζουν την φασματική σύσταση του φωτός μέσω απορρόφησης διακρίνει τις κατηγορίες των φωτεινών πηγών (αυτόφωτες vs ετερόφωτες, διαφανή/αδιαφανή/ημιδιαφανή) περιγράφει τη σχέση θερμοκρασίας χρώματος – χρωματικής εντύπωσης (warm, cool) Συναισθηματικοί στόχοι (στάσεις) εκφράζει ενδιαφέρον για το μάθημα αναγνωρίζει τη σημασία του φωτισμού στην καθημερινή ζωή, εκφράζει θετική αξιολόγηση για τη μάθηση μέσω πειραμάτων (π.χ. διάχυση, ανάκλαση) Ψυχοκινητικοί στόχοι (δεξιότητες) σχεδιάζει σε χαρτί μια κατοπτρική ανάκλαση με γωνίες πρόσπτωσης και ανάκλασης δημιουργεί μια μικρή πειραματική διάταξη (με φακό, καθρέφτη ή φίλτρο) για να επιδείξει διάχυση ή ανάκλαση υπολογίζει το μήκος κύματος ή τη συχνότητα μέσω τύπων προσομοιώνει τη φασματική κατανομή (π.χ. θερμός vs ψυχρός φωτισμός) χρησιμοποιώντας software ή διαγράμματα, παράγοντας διαφορετικά φάσματα, με ορατές διαφορές

Το φως αποκαλύπτει πάντα την πραγματικότητα; Κεντρικό ερώτημα: Δύο χώροι φωτίζονται και δύο αντικείμενα φαίνονται διαφορετικά. Πώς θα εξηγήσουμε τη διαφορά; Φταίει η φωτεινή πηγή, η επιφάνεια ή ο τρόπος με τον οποίο το φως φτάνει στα μάτια μας; Η σταθερή πορεία κάθε ενότητας είναι: Αρχική υπόθεση --> μελέτη θεωρίας --> εφαρμογή --> αιτιολογημένη αναθεώρηση. Οι δραστηριότητες γίνονται με κείμενα, υποθετικά δεδομένα και σχέδια στο χαρτί. Δεν απαιτούν όργανα, μετρήσεις ή κατασκευή κυκλωμάτων. Αφετηρία: τέσσερις ισχυρισμοί που χρειάζονται έλεγχο Πριν παρουσιαστεί η θεωρία, οι μαθητές χαρακτηρίζουν κάθε πρόταση ως «συμφωνώ», «διαφωνώ» ή «δεν έχω αρκετά στοιχεία»: • «Όσο μεγαλύτερη είναι η θερμοκρασία χρώματος, τόσο περισσότερο θερμαίνεται ο λαμπτήρας». • «Ένα κόκκινο αντικείμενο φαίνεται κόκκινο κάτω από οποιονδήποτε φωτισμό». • «Μια επιφάνεια που ανακλά πολύ φως είναι πάντοτε κατάλληλη για χώρο ανάγνωσης». • «Δύο λαμπτήρες που δίνουν την ίδια απόχρωση λευκού αποδίδουν εξίσου καλά τα χρώματα». Ζήτησε μία σύντομη αιτιολόγηση, χωρίς να δώσεις ακόμη τις απαντήσεις. Στο τέλος οι μαθητές επιστρέφουν στις ίδιες προτάσεις και εξηγούν ποια έννοια τούς έκανε να αλλάξουν ή να διατηρήσουν την άποψή τους. Δημιουργία φωτός: είναι απαραίτητο να πυρακτώνεται μια πηγή; Θεωρητικός πυρήνας: θερμική εκπομπή, διέγερση και αποδιέγερση, ηλεκτροφωταύγεια στους LED. Δώσε τρεις περιγραφές: Άσκηση κριτικής σκέψης Ένας μαθητής υποστηρίζει: «Αφού και οι τρεις πηγές λειτουργούν με ηλεκτρικό ρεύμα, παράγουν φως με τον ίδιο μηχανισμό». • Ποιο μέρος του συλλογισμού του είναι σωστό; • Πού βρίσκεται το λογικό άλμα; • Διατύπωσε μια ακριβέστερη πρόταση. • Το ότι ένας LED θερμαίνεται αποδεικνύει ότι το φως του παράγεται με πυράκτωση; Ενδεικτική κατεύθυνση: κοινή παροχή ενέργειας δεν σημαίνει κοινός μηχανισμός μετατροπής της σε φως. Η ανάπτυξη θερμότητας δεν αρκεί για να χαρακτηρίσουμε μια πηγή ως πηγή πυράκτωσης. Τρόπος δημιουργίας φωτεινής ακτινοβολία Το φως αποτελεί ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία που διαδίδεται στην ατμόσφαιρα όπως η ενέργεια . Συνεπώς δημιουργείται με τους ίδιους τρόπους που δημιουργείται κάθε ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία . Στην ηλεκτρολογία οι τεχνητές φωτεινές πηγές στηρίζουν την κατασκευή τους σε δύο διαφορετικούς τρόπους : α . στην αύξηση της θερμοκρασίας των υλικών Κατά την αύξηση της θερμοκρασίας των σωμάτων πέρα των 525οC παρατηρείται εκπομπή φωτός . Αυτή η ιδιότητα χρησιμοποιείται στους λαμπτήρες πυράκτωσης των οποίων τα μεταλλικά νήματα θερμαίνονται εκπέμποντας φωτεινή ακτινοβολία . β . στον ιονισμό των ατόμων . Τα υλικά αποτελούνται από μόρια και αυτά από άτομα . Τα άτομα με τη σειρά τους αποτελούνται από πρωτόνια , νετρόνια και ηλεκτρόνια . Τα ηλεκτρόνια περιφέρονται γύρω από τους πυρήνες σε προκαθορισμένες τροχιές (στοιβάδες) . Το κάθε ηλεκτρόνιο έχει συγκεκριμένη ενέργεια που του επιτρέπει να βρίσκεται σε συγκεκριμένη στοιβάδα . Όσο πιο απομακρισμένες είναι οι στοιβάδες από τον πυρήνα του ατόμου τόσο μεγαλύτερη ενέργεια έχουν τα ηλεκτρόνια της αντίστοιχης στοιβάδας . Αυτό σημαίνει ότι ένα ηλεκτρόνιο μιας στοιβάδας μπορεί να μεταπηδήσει σε μια στοιβάδα μεγαλύτερης ενέργειακής στάθμης μόνο εάν προσλάβει την απαραίτητη ενέργεια που χρειάζεται για να μεταπηδήσει στην αντίστοιχη στοιβάδα . Το παραπάνω φαινόμενο ονομάζεται διέγερση του ατόμου που διαρκεί ελάχιστο χρονικό διάστημα αφού το ηλεκτρόνιο επιστρέφει στην αρχική του στοιβάδα με αποτέλεσμα το άτομο να αποδιεγείρετε . Για να συμβεί όμως αυτό θα πρέπει το ηλεκτρόνιο να διώξει την παραπανίσια ενέργεια που προσέλαβε κατά την διέγερση η οποία εκπέμπεται , στο περιβάλλον , υπό την μορφή ακτινοβολίας . Διέγερση και ιονισμός: δύο διαφορετικά φαινόμενα Η διέγερση συμβαίνει όταν ένα άτομο απορροφά ενέργεια και ένα ηλεκτρόνιό του μεταβαίνει σε υψηλότερη ενεργειακή στάθμη, παραμένοντας δεσμευμένο στο άτομο. Κατά την επιστροφή σε χαμηλότερη στάθμη μπορεί να εκπέμπεται ενέργεια με τη μορφή φωτονίου. Η ακτινοβολία αυτή δεν είναι υποχρεωτικά ορατή. Ο ιονισμός συμβαίνει όταν ένα άτομο χάνει ή αποκτά ηλεκτρόνια και μετατρέπεται σε ιόν. Επομένως, η μετάβαση ενός ηλεκτρονίου σε υψηλότερη δεσμευμένη ενεργειακή στάθμη δεν είναι ιονισμός. Στους λαμπτήρες εκκένωσης μπορούν να εμφανίζονται και τα δύο φαινόμενα. Η εκπομπή φωτός συνδέεται με ενεργειακές μεταβάσεις των σωματιδίων και δεν πρέπει να περιγράφεται απλώς ως αποτέλεσμα ιονισμού. Στους LED, το φως παράγεται σε ημιαγωγό μέσω ηλεκτροφωταύγειας: η επανασύνδεση ηλεκτρονίων και οπών μπορεί να απελευθερώσει ενέργεια ως φωτόνια. Δεν απαιτείται πυράκτωση ενός νήματος. Ερώτημα διερεύνησης: «Ένα ηλεκτρόνιο μεταβαίνει σε υψηλότερη ενεργειακή στάθμη, αλλά παραμένει στο άτομο. Έχουμε διέγερση ή ιονισμό; Ποιο στοιχείο της περιγραφής τεκμηριώνει την απάντησή σου;» Μορφή φωτεινής ακτινοβολίας Σύμφωνα με την ηλεκτρομαγνητική θεωρία του Maxwell η φωτεινή ακτινοβολία αποτελείται από ηλεκτρομαγνητικά κύματα που ξεκινούν από την φωτεινή πηγή και διαδίδονται προς την κατεύθυνση διαδόσεως του φωτός . Κάθε ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία αποτελείται από δύο κύματα , ένα ηλεκτρικό εντάσεως Ε και ένα μαγνητικό εντάσεως Β , των οποίων τα επίπεδα είναι κάθετα μεταξύ τους και διαδίδονται ταυτόχρονα στον χώρο . Ηλεκτρομαγνητικό κύμα Χαρακτηριστικά ακτινοβολίας: τι αλλάζει και τι παραμένει σταθερό; Παρουσίασε τις σχέσεις: Εδώ λο είναι το μήκος κύματος στο κενό και λ το μήκος κύματος στο υλικό. Κατά τη μετάβαση σε ένα ακίνητο διαφανές μέσο η συχνότητα παραμένει σταθερή, ενώ αλλάζουν η ταχύτητα και το μήκος κύματος. Άσκηση Α — Υπολογισμός και ερμηνεία Δύο ακτινοβολίες έχουν στο κενό μήκη κύματος: • Α: 450 nm • Β: 650 nm • Ποια έχει μεγαλύτερη συχνότητα; Απάντησε πρώτα χωρίς υπολογισμό. • Υπολόγισε τις συχνότητες με c=3 10 8 m/s • Ένας μαθητής ισχυρίζεται ότι η Α διαδίδεται ταχύτερα στο κενό επειδή έχει μεγαλύτερη συχνότητα. Συμφωνείς; • Μπορούμε από το μήκος κύματος και μόνο να αποφασίσουμε ποια πηγή καταναλώνει περισσότερη ηλεκτρική ισχύ; Άσκηση Β — Έλεγχος μιας εξήγησης Ακτινοβολία με λο = 600 nm εισέρχεται σε υλικό με n=1,5. Ένας μαθητής γράφει: «Το μήκος κύματος γίνεται 400 nm, επομένως το φως μετατρέπεται σε ιώδες». Να εντοπίσεις το λάθος. Χαρακτηριστικά γνωρίσματα φωτεινής ακτινοβολίας Τα χαρακτηριστικά της φωτεινής ακτινοβολίας είναι τα ίδια με τα χαρακτηριστικά κάθε ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας . Αυτά είναι : α . περίοδος : ο χρόνος που χρειάζεται ένα κύμα ώστε να πραγματοποιήσει μια πλήρη ταλάντωση . β . συχνότητα : ο αριθμός των ταλαντώσεων που πραγματοποιεί ένα κύμα στη μονάδα του χρόνου (1 sec) γ . μήκος : η απόσταση μιας πλήρης ταλάντωσης δ . πλάτος : η μέγιστη τιμή που μπορεί να έχει το κύμα . Επεξήγηση : Με τον όρο ταλάντωση εννοούμε μια πλήρη περιστροφή ενός κύματος . Ταχύτητα διάδοσης φωτεινής ακτινοβολίας Η ταχύτητα διάδοσης της φωτεινής ακτινοβολίας ορίζεται από την σχέση : όπου : C : η ταχύτητα διάδοσης της ακτινοβολίας (m/sec) λ : το μήκος κύματος της ακτινοβολίας (m) f : η συχνότητα της ακτινοβολίας (Hz) n : ο συντελεστής διάθλασης του υλικού στο οποίο διαδίδεται η ακτινοβολία Σημείωση : το μήκος κύματος της ακτινοβολίας το μετράμε και σε Angstrom (Αο) όπου 1 Α ο = 10 -10 m . Από την παραπάνω σχέση συμπεραίνουμε ότι η ταχύτητα διάδοσης της ακτινοβολίας είναι ανάλογη του μήκους κύματος της ακτινοβολίας , ανάλογη της συχνότητας της ακτινοβολίας και αντιστρόφως ανάλογη του συντελεστής διάθλασης . Εφαρμογή : Κύμα κινείται με ταχύτητα c = 1•108m/sec όταν διαπερνάει υλικό με συντελεστή διάθλασης η . Να βρεθεί η ταχύτητα του ίδιου κύματος όταν διαπερνάει υλικό με συντελεστή διάθλασης 2η . Φάσμα ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας Ανάλογα με το μήκος κύματος , το ηλεκτρομαγνητικό φάσμα διακρίνεται σε διάφορες περιοχές . Η φωτεινή ακτινοβολία αποτελεί μία από τις περιοχές του ηλεκτρομαγνητικού φάσματος . Οι υπόλοιπες περιοχές είναι η κοσμική ακτινοβολία , οι ακτίνες γ , οι ακτίνες Χ , η υπεριώδης ακτινοβολία , οι υπέρυθρες ακτίνες και τα ραδιοκύματα . Οι ορατές ακτινοβολίες έχουν μήκος κύματος από 4000 Α ο – 7500 Α ο γεγονός που έχει ως αποτέλεσμα να διεγείρουν το ανθρώπινο μάτι , γιαυτό ονομάζοντα απλώς φως . Παρατήρηση : έρευνες έχουν αποδείξει ότι το ανθρώπινο μάτι παρουσιάζει την μέγιστη ευαισθησία σε ηλεκτρομαγνητικές ακτινοβολίες με μήκος κύματος 5500 Α ο . Σε αυτό το μήκος κύματος αντιστοιχεί το πρασινοκίτρινο φως γιαυτό το λόγο ο άνθρωπος βλέπει καλύτερα στο κίτρινο φως του λαμπτήρα νατρίου . Κατηγορίες ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας Καταλαβαίνουμε λοιπόν ότι κάθε ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία διαχωρίζεται σύμφωνα με το μήκος κύματος του στις παραπάνω περιοχές . Γενικά κάθε ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία συνίσταται από διάφορα ηλεκτρομαγνητικά κύματα . Εάν αυτά τα ηλεκτρομαγνητικά κύματα έχουν περίπου το ίδιο μήκος κύματος τότε η ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία ονομάζεται μονοχρωματική . Εάν αυτά τα ηλεκτρομαγνητικά κύματα έχουν διαφορετικά μήκη κύματος τότε η ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία ονομάζεται σύνθετη . Χαρακτηριστικό παράδειγμα σύνθετης ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας αποτελεί το λευκό φως που αποτελείται από ηλεκτρομαγνητικά κύματα διαφορετικών μηκών (δηλαδή αποτελείται από διάφορα χρώματα) . Εντός του λευκού φωτός , εκτός από τις ορατές ακτινοβολίες , συνυπάρχουν και αόρατες οι οποίες δεν διεγείρουν το μάτι . Οι αόρατες ακτινοβολίες που έχουν μήκος κύματος μεγαλύτερο του ερυθρού ονομάζονται υπέρυθρες ενώ οι αόρατες ακτινοβολίες που έχουν μήκος κύματος μικρότερο του ιώδους ονομάζονται υπεριώδεις . Κατηγορίες φωτεινής δέσμης Το φως κατά την διάδοση του ακολουθεί ευθεία τροχιά που ονομάζεται φωτεινή ακτίνα . Πολλές φωτεινές ακτίνες συνθέτουν μια φωτεινή δέσμη . Εάν οι φωτεινές ακτίνες είναι παράλληλες μεταξύ τους τότε η φωτεινή δέσμη ονομάζεται παράλληλη . Εάν οι φωτεινές ακτίνες προέρχονται από το ίδιο σημείο και αποκλίνουν μεταξύ τους τότε η φωτεινή δέσμη ονομάζετε αποκλίνουσα . Εάν οι φωτεινές ακτίνες κατευθύνονται προς το ίδιο σημείο τότε η φωτεινή δέσμη ονομάζετε συγκλίνουσα . Παράλληλη δέσμη Αποκλίνουσα δέσμη Συγκλίνουσα δέσμη 4. Πηγές, υλικά και δέσμες: διαφορετικά κριτήρια ταξινόμησης Ζήτησε από τους μαθητές να εξετάσουν: • αναμμένο LED, • Σελήνη, • καθρέφτη που φωτίζεται, • διαφανές τζάμι, • θαμπό τζάμι. Άσκηση — Μπορούν όλες οι λέξεις να μπουν στον ίδιο πίνακα; • Ποια εκπέμπουν δικό τους φως και ποια φαίνονται επειδή δέχονται φως; • Σε ποια έχει νόημα να εξετάσουμε διαφάνεια ή αδιαφάνεια; • Γιατί οι λέξεις «αυτόφωτο» και «διαφανές» απαντούν σε διαφορετικές ερωτήσεις; • Ένας καθρέφτης δημιουργεί φως όταν εμφανίζει μια πολύ φωτεινή κηλίδα; Ενδεικτική κατεύθυνση: άλλο κριτήριο είναι η παραγωγή φωτός και άλλο η διέλευση του φωτός μέσα από ένα υλικό. Για τις δέσμες, δώσε τρία απλά σχέδια: παράλληλες ακτίνες, ακτίνες που πλησιάζουν σε ένα σημείο και ακτίνες που απομακρύνονται. Ρώτησε: «Μπορούμε από το σχήμα μιας δέσμης να συμπεράνουμε το χρώμα της ή τον τρόπο παραγωγής της;» Η ζητούμενη απάντηση είναι ότι η γεωμετρία της δέσμης δεν παρέχει αυτές τις πληροφορίες. Κατηγορίες φωτεινών πηγών Οι φωτεινές ακτίνες εκπέμπονται από σώματα που ονομάζονται φωτεινές πηγές . Εάν οι φωτεινές πηγές δημιουργούν από μόνες τους τις φωτεινές ακτίνες τότε ονομάζονται αυτόφωτες . Χαρακτηριστικό παράδειγμα αυτόφωτης πηγής αποτελεί ο ήλιος . Εάν οι φωτεινές πηγές δεν δημιουργούν από μόνες τους τις φωτεινές ακτίνες αλλά απλώς ανακλούν τις φωτεινές ακτίνες που δέχονται από άλλες πηγές τότε ονομάζονται ετερόφωτες . Χαρακτηριστικό παράδειγμα ετερόφωτης πηγής αποτελεί το φεγγάρι . Ανάλογα με την ποσότητα της φωτεινής δέσμης που επιτρέπει ένα ετερόφωτο σώμα να διαπεράσει την μάζα του , τα διακρίνουμε σε διαφανή , αδιαφανή και ημιδιαφανή . Παραγωγή φωτός και διέλευση φωτός: διαφορετικά κριτήρια Η διάκριση αυτόφωτο–ετερόφωτο αφορά την προέλευση του φωτός που βλέπουμε: - Αυτόφωτο σώμα: εκπέμπει φως που παράγεται από το ίδιο, όπως ο Ήλιος ή ένας αναμμένος λαμπτήρας. - Ετερόφωτο σώμα: γίνεται ορατό επειδή ανακλά φως άλλης πηγής, όπως η Σελήνη ή μια φωτισμένη σελίδα. Η διάκριση διαφανές–ημιδιαφανές–αδιαφανές αφορά τη συμπεριφορά ενός υλικού απέναντι στο φως που προσπίπτει σε αυτό: - Διαφανές: επιτρέπει τη διέλευση φωτός και τη σαφή παρατήρηση αντικειμένων πίσω του. - Ημιδιαφανές: επιτρέπει τη διέλευση φωτός, αλλά το διασκορπίζει, ώστε τα αντικείμενα πίσω του να μη διακρίνονται καθαρά. - Αδιαφανές: δεν επιτρέπει ουσιαστικά τη διέλευση του εξεταζόμενου φωτός μέσα από το συγκεκριμένο πάχος του. Οι δύο ταξινομήσεις απαντούν σε διαφορετικές ερωτήσεις: «Παράγει το σώμα φως;» και «Επιτρέπει το υλικό να περάσει φως;». Η διαφάνεια εξαρτάται επίσης από το μήκος κύματος και το πάχος του υλικού. Ερώτημα διερεύνησης: «Ένα διαφανές τζάμι φωτίζεται από τον Ήλιο και εμφανίζει μια έντονη αντανάκλαση. Αποκτά δική του παραγωγή φωτός; Μπορεί ταυτόχρονα να μεταδίδει και να ανακλά φως;» Ανάκλαση: περισσότερο ανακλώμενο φως σημαίνει καλύτερη όραση; Θεωρητικός πυρήνας: κατοπτρική και διάχυτη ανάκλαση, νόμος ανάκλασης, συντελεστής ανάκλασης. Οι γωνίες πρόσπτωσης και ανάκλασης μετρώνται από την κάθετη στην επιφάνεια. Η διάχυτη ανάκλαση εξηγεί γιατί βλέπουμε μια ματ σελίδα από πολλές κατευθύνσεις. Άσκηση Α — Εντοπισμός λάθους σε σχέδιο Μια ακτίνα σχηματίζει γωνία 30 ο με την επιφάνεια ενός καθρέφτη. Ένας μαθητής σημειώνει γωνία πρόσπτωσης 30 ο . • Είναι σωστό; • Ποια είναι η γωνία πρόσπτωσης; • Ποια είναι η γωνία ανάκλασης; • Σχεδίασε την κάθετη και διόρθωσε το σχήμα. Άσκηση Β — Επιλογή επιφάνειας με περιορισμένα δεδομένα Σε δύο αδιαφανείς επιφάνειες προσπίπτουν 1.000 lm. • Υπολόγισε τους συντελεστές ανάκλασης. • Ποια ανακλά μεγαλύτερο ποσοστό φωτός; • Ποια θα επέλεγες για επιφάνεια κοντά σε θέση ανάγνωσης; Αιτιολόγησε. • Αρκεί ο συντελεστής ανάκλασης για να προβλέψεις αν θα εμφανιστεί ενοχλητική αντανάκλαση; • Ποια πρόσθετα στοιχεία χρειάζεσαι; Ανάκλαση του φωτός Κατά την πρόσπτωση της φωτεινής δέσμης σε μια επιφάνεια ένα μέρος αυτής θα ανακλαστεί . Εάν οι ανακλώμενες φωτεινές ακτίνες παραμείνουν παράλληλες μεταξύ τους τότε πραγματοποιείται κανονική ανάκλαση . Για να πραγματοποιηθεί κανονική ανάκλαση θα πρέπει η φωτεινή δέσμη να προσπέσει σε μια λεία επιφάνεια όπως η επιφάνεια ενός τζαμιού . Αυτές οι επιφάνειες ονομάζονται ανακλαστικές επιφάνειες ή κάτοπτρα . Αντίθετα εάν οι ανακλώμενες φωτεινές ακτίνες πάψουν να είναι παράλληλες μεταξύ τους και διασκορπιστούν προς τυχαίες διευθύνσεις τότε πραγματοποιείται διαχέουσα ανάκλαση . Κανονική ανάκλαση Διαχέουσα ανάκλαση Επισήμανση : Λεία επιφάνεια ονομάζεται η επιφάνεια της οποίας οι ανωμαλείες που παρουσιάζει έχουν βάθος από 500 nm περίπου . Συμπέρασμα : Το είδος της ανάκλασης εξαρτάται από την υφή της ανακλώμενης επιφάνειας . Το φαινόμενο της κανονικής ανάκλασης χαρακτηρίζεται από δύο νόμους : 1ος Νόμος : Κατά την πρόσπτωση και ανάκλαση μια ακτίνας σε μια επιφάνεια , η ακτίνα πρόσπτωσης , η ακτίνα ανάκλασης και η νοητή ευθεία που είναι κάθετη στο σημείο πρόσπτωσης δημιουργούν ένα επίπεδο (επίπεδο πρόσπτωσης) το οποίο είναι κάθετο στην επιφάνεια ανάκλασης . 2ος Νόμος : Η γωνία πρόσπτωσης και η γωνία ανάκλασης είναι ίσες . Σημείωση: Με τον όρο ανάκλαση εννοούμε όλες τις περιπτώσεις αλλαγής πορείας μιας φωτεινής δέσμης και όχι μόνο την κανονική ανάκλαση . Εάν θεωρήσουμε ότι σε μια επιφάνεια προσπίπτει φωτεινή ροή Φ και ανακλάται ένα μέρος αυτής με φωτεινή ροή Φα τότε ορίζεται ο συντελεστής ανάκλασης από την σχέση : Υπάρχουν υλικά στα οποία όταν προσπέσει σε αυτά φωτεινή δέσμη δεν αλλάζει η σύνθεση της με αποτέλεσμα η ανακλώμενη δέσμη να αποτελείται από τις ίδιες ακτίνες από τις οποίες αποτελείται και η προσπίπτουσα . Σε αυτά τα υλικά ο συντελεστής ανάκλασης είναι ανεξάρτητος του μήκους κύματος και ανάλογα με τον συντελεστή ανάκλασης που διαθέτουν κατατάσσονται στις ακόλουθες κατηγορίες : Λευκά : διαθέτουν συντελεστή ανάκλασης μεγαλύτερο από 0,75 ή 75% . Όταν πέσει επάνω τους δέσμη λευκού φωτός δίνουν την εντύπωση λευκού χρώματος . Γκρίζα : διαθέτουν συντελεστή ανάκλασης από 0,05 ή 5% εώς 0,75 ή 75% . Όταν πέσει επάνω τους δέσμη λευκού φωτός δίνουν την εντύπωση γκρι χρώματος . Μελανά : διαθέτουν συντελεστή ανάκλασης μικρότερο από 0,05 ή 5% . Όταν πέσει επάνω τους δέσμη λευκού φωτός δίνουν την εντύπωση μαύρου χρώματος . Στα περισσότερα υλικά όμως όταν πέσει επάνω τους το λευκό φως , το οποίο αποτελείται από διάφορες μονοχρωματικές ακτίνες , αποροφούν ή εξασθενούν κάποιες από αυτές και ανακλούν κάποιες άλλες με αποτέλεσμα να αντιλαμβάνόμαστε το υλικό με κάποιο χρώμα . Γιαυτό τον λόγω άλλα υλικά τα αντιλαμβανόμαστε κόκκινα άλλα πράσινα κλπ . Το παραπάνω φαινόμενο ονομάζεται εκλεκτική ανάκλαση και εμφανίζεται στα υλικά των οποίων ο συντελεστής ανάκλασης εξαρτάται από το μήκος κύματος της ακτινοβολίας . Συμπέρασμα : Η σύνθεση της ανακλώμενης δέσμης , δηλαδή οι ακτινοβολίες από τις οποίες αποτελείται , εξαρτάται από το υλικό της ανακλώμενης επιφάνειας . Εφαρμογή : Μια φωτεινή δέσμη προσπίπτει σε μια επιφάνεια . Αν η φωτεινή ροή της προσπίπτουσας δέσμης είναι Φπ=100 lumen και η φωτεινή ροή της ανακλώμενης φωτεινής δέσμης είναι 95 lumen να βρείτε τον συντελεστή ανάκλασης της επιφάνειας . Σύμφωνα με τον πίνακα 1.3 της σελ. 39 του σχολικού βιβλίου να επιλέξετε το υλικό της επιφάνειας . Απορρόφηση και φίλτρα: ένα φίλτρο δημιουργεί χρώμα; • Χρησιμοποίησε ένα σαφώς δηλωμένο ιδανικό μοντέλο: • Το λευκό φως περιέχει κόκκινη, πράσινη και μπλε συνιστώσα. • Το κόκκινο φίλτρο αφήνει να περάσει μόνο η κόκκινη. • Το μπλε φίλτρο αφήνει να περάσει μόνο η μπλε. • Αγνοούμε ανακλάσεις και άλλες απώλειες. Άσκηση — Πρόβλεψη διαδοχικών αλλαγών • Τι περνά από το κόκκινο φίλτρο όταν προσπίπτει λευκό φως; • Τι περνά όταν προσπίπτει μόνο μπλε φως; • Τι φως εξέρχεται αν τοποθετηθούν διαδοχικά κόκκινο και μπλε φίλτρο; • Αλλάζει το αποτέλεσμα αν αντιστραφεί η σειρά; • Γιατί είναι λανθασμένη η πρόταση «το κόκκινο φίλτρο βάφει κάθε φως κόκκινο»; Ενδεικτική απάντηση: το φίλτρο επιλέγει από τις διαθέσιμες ακτινοβολίες. Στο ιδανικό μοντέλο, τα δύο φίλτρα μαζί δεν αφήνουν φως να εξέλθει, ανεξάρτητα από τη σειρά. Στα πραγματικά φίλτρα χρειάζονται οι καμπύλες φασματικής διαπερατότητας για ακριβή πρόβλεψη. Απορρόφηση του φωτός Το φως όταν περνάει μέσα από ένα υλικό παθαίνει απορρόφηση δηλαδή ένα μέρος του απορροφάται από το υλικό . Το φαινόμενο της απορρόφησης χαρακτηρίζεται από τον συντελεστή απορρόφησης ρ που δηλώνει το ποσοστό της προσπίπτουσας φωτεινής ροής που αποροφάται από το υλικό . Εάν θεωρήσουμε ότι σε μια επιφάνεια προσπίπτει φωτεινή ροή Φ και απορροφάται ένα μέρος αυτής με φωτεινή ροή Φρ τότε ορίζεται ο συντελεστής απορρόφησης από την σχέση : Τα έγχρωμα φίλτρα δεν απορροφούν ομοιόμορφα τις διάφορες φωτεινές ακτίνες μιας σύνθετης ακτινοβολίας με αποτέλεσμα να μεταβάλλουν τη φασματική σύνθεση της φωτεινής ροής που πέφτει σε αυτά . Αυτό έχει ως αποτέλεσμα να αλλάζει το χρώμα της ακτινοβολίας όταν περάσει μέσα από τα φίλτρα . QUIZ: Ανάκλαση, Διάχυση ή Απορρόφηση; Χρώμα αντικειμένων: ιδιότητα του αντικειμένου ή αποτέλεσμα αλληλεπίδρασης; Δώσε ένα δεύτερο ιδανικό μοντέλο: • κόκκινη επιφάνεια: ανακλά μόνο κόκκινο, • μπλε επιφάνεια: ανακλά μόνο μπλε, • λευκή επιφάνεια: ανακλά όλες τις διαθέσιμες ορατές συνιστώσες. Οι μαθητές συμπληρώνουν: Ερωτήματα εμπέδωσης • Γιατί η λευκή επιφάνεια δεν φαίνεται πάντοτε λευκή; • Αν μια επιφάνεια φαίνεται σκοτεινή κάτω από μπλε φωτισμό, αποδεικνύεται ότι είναι μαύρη; • Πώς θα εξηγούσες θεωρητικά ότι δύο διαφορετικά αντικείμενα φαίνονται παρόμοια κάτω από μια πηγή; • Ποιο στοιχείο λείπει από τη φράση «το χρώμα εξαρτάται μόνο από το υλικό»; Ο πίνακας υπηρετεί την κατανόηση του μοντέλου· οι πραγματικές επιφάνειες δεν ανακλούν συνήθως ένα και μοναδικό μήκος κύματος. Χρώμα ενός υλικού Το χρώμα ενός διαφανούς σώματος εξαρτάται από τις ακτινοβολίες που απορροφά το σώμα . Το χρώμα ενός αδιαφανούς σώματος εξαρτάται από τις ακτινοβολίες που ανακλά , διαχέει και απορροφά το σώμα . Γενικά μπορούμε να πούμε ότι μια επιφάνεια αποδίδει σωστά το χρώμα της όταν φωτίζεται από φωτεινή πηγή που περιέχει όλα τα μήκη κύματος σε σωστή αναλογία . Προσοχή : Η εντύπωση του χρώματος διαφέρει από άνθρωπο σε άνθρωπο . Θερμοκρασία χρώματος και CRI: δύο διαφορετικές πληροφορίες Η θερμοκρασία χρώματος περιγράφει την απόχρωση του φωτός και δεν είναι η θερμοκρασία λειτουργίας του λαμπτήρα. Ο CRI αφορά την πιστότητα απόδοσης χρωμάτων σε σχέση με πηγή αναφοράς. Ίδια θερμοκρασία χρώματος δεν εγγυάται ίδιο φάσμα ή ίδια χρωματική απόδοση. Άσκηση Α — Αξιολόγηση μιας διαφήμισης Μια διαφήμιση αναφέρει: «Φωτισμός 6500 K: μεγαλύτερη φωτεινότητα, σωστότερα χρώματα και καλύτερη επιλογή για κάθε χώρο». Οι μαθητές εξετάζουν χωριστά τους τρεις ισχυρισμούς: Ποιος μπορεί να τεκμηριωθεί από την τιμή 6500 K; Ποια πληροφορία χρειάζεται για τη χρωματική απόδοση; Ποια στοιχεία χρειάζονται για τη φωτεινότητα; Γιατί η φράση «για κάθε χώρο» είναι υπερβολική; Ενδεικτική απάντηση: η τιμή πληροφορεί για την απόχρωση του λευκού φωτός. Δεν τεκμηριώνει από μόνη της ποσότητα φωτός, πιστότητα χρωμάτων ή καταλληλότητα για όλες τις χρήσεις. Άσκηση Β — Επιλογή με δύο κριτήρια Δίνονται τρεις υποθετικές πηγές: Θεώρησε ότι οι άλλες συνθήκες φωτισμού είναι ίδιες. • Ποια θα επέλεγες για χώρο όπου προέχει η πιστή απόδοση χρωμάτων; • Ποια δίνει τη θερμότερη χρωματική εντύπωση; • Μπορούμε να χαρακτηρίσουμε τη Γ καλύτερη μόνο επειδή έχει περισσότερα Kelvin; • Αν χρειάζεται ακριβής διάκριση έντονων κόκκινων αποχρώσεων, αρκεί ο γενικός CRI; Ενδεικτική απάντηση: από τα διαθέσιμα στοιχεία η Α προσφέρει την ισχυρότερη ένδειξη υψηλής χρωματικής πιστότητας και τη θερμότερη απόχρωση. Για κορεσμένα κόκκινα χρειάζεται πρόσθετη πληροφορία, όπως ο ειδικός δείκτης R9. Ο γενικός CRI έχει περιορισμούς. Δείκτης χρωματικής απόδοσης R φωτεινής πηγής Ο Δείκτης Χρωματικής Απόδοσης (Color Rendering Index – CRI), που συχνά σημειώνεται ως Ra ή απλώς R, είναι μέτρο του πόσο πιστά μια φωτεινή πηγή αποδίδει τα χρώματα των αντικειμένων σε σύγκριση με μια ιδανική ή αναφοράς πηγή ίδιου χρώματος θερμοκρασίας. Η απόχρωση του φωτός διαφέρει από την απόδοση των χρωμάτων Η θερμοκρασία χρώματος και ο δείκτης χρωματικής απόδοσης περιγράφουν διαφορετικά χαρακτηριστικά: Μέγεθος Ερώτηση στην οποία απαντά Θερμοκρασία χρώματος / CCT Πόσο θερμή ή ψυχρή φαίνεται η απόχρωση του λευκού φωτός; Δείκτης χρωματικής απόδοσης / CRI, συνήθως Ra Πόσο πιστά αποδίδονται ορισμένα χρώματα σε σύγκριση με κατάλληλη πηγή αναφοράς; Δύο πηγές με ίδια θερμοκρασία χρώματος μπορούν να έχουν διαφορετική φασματική κατανομή και διαφορετική χρωματική απόδοση. Επομένως: - Περισσότερα Kelvin δεν σημαίνουν πιστότερα χρώματα. - Ίδια Kelvin δεν σημαίνουν ίδιο CRI. - Υψηλός CRI δεν εγγυάται από μόνος του επαρκή φωτισμό ή απουσία θάμβωσης. - Ο γενικός δείκτης Ra δεν περιγράφει εξίσου καλά όλα τα χρώματα. Για ειδικές απαιτήσεις μπορεί να χρειάζονται πρόσθετοι δείκτες, όπως ο R9 για το κορεσμένο κόκκινο. Ερώτημα διερεύνησης: «Δύο λαμπτήρες έχουν 4000 K, αλλά ο πρώτος έχει Ra 80 και ο δεύτερος Ra 95. Σε ποιο χαρακτηριστικό μοιάζουν και σε ποιο διαφέρουν; Ποιον θα επέλεγες αν προέχει η πιστή απόδοση χρωμάτων και γιατί;» Βασική ιδέα Αν δύο αντικείμενα έχουν ίδια χρώματα αλλά φωτίζονται από διαφορετικές πηγές, το πώς φαίνονται εξαρτάται από το φάσμα της κάθε πηγής. Ο CRI δείχνει σε κλίμακα 0–100 πόσο κοντά στο φυσικό ή ιδανικό φως είναι η χρωματική απόδοση. CRI = 100 --> Τέλεια απόδοση χρώματος (π.χ. ήλιος, πυρακτώσεως λάμπα). CRI < 80 --> Αρχίζουν να φαίνονται αποκλίσεις και χρωματικές αλλοιώσεις. Πώς μετριέται Η πηγή αναφοράς είναι: Μέλανο σώμα για CCT ≤ 5000 K. Πρότυπο φως ημέρας (D-series) για CCT > 5000 K. Επιλέγονται 8 τυπικά δείγματα χρώματος (R1–R8) και μετρώνται οι χρωματικές διαφορές μεταξύ της υπό εξέταση πηγής και της αναφοράς. Ο μέσος όρος των 8 αποτελεσμάτων δίνει τον Ra. Για πιο εξειδικευμένες εφαρμογές υπολογίζονται και επιπλέον δείκτες R9–R15, όπου π.χ. ο R9 αφορά καθαρά κόκκινα, σημαντικά σε ιατρικό ή φωτογραφικό φωτισμό. Τυπικές τιμές CRI Σχέση με την ποιότητα φωτισμού Υψηλό CRI --> τα χρώματα φαίνονται φυσικά, χωρίς έντονες αλλοιώσεις. Χαμηλό CRI --> ορισμένα χρώματα “σβήνουν” ή αλλοιώνονται (π.χ. κόκκινα να φαίνονται καφέ). Σχέση μεταξύ θερμοκρασίας και χρώματος Κάθε φωτεινή πηγή εκπέμπει ακτινοβολίες που περιλαμβάνουν κάποια μήκη κύματος . Ανάλογα με τα μήκη κύματος η φωτεινή πηγή μας δημιουργεί κάποια εντύπωση . Για παράδειγμα εάν η φωτεινή πηγή εκπέμπει φάσμα πλούσιο σε ερυθρές ακτινοβολίες τότε η φωτεινή πηγή δίνει θερμή εντύπωση . Αντίθετα εάν η φωτεινή πηγή εκπέμπει φάσμα πλούσιο σε κυανές ακτινοβολίες τότε η φωτεινή πηγή δίνει ψυχρή εντύπωση . Έχει παρατηρηθεί ότι ανάλογα με την θερμοκρασία της , η φωτεινής πηγής εκπέμπει και διαφορετικά φάσματα ακτινοβολιών . Συμπέρασμα : Υπάρχει σχέση μεταξύ της θερμοκρασίας και της χρωματικής εντύπωσης μιας φωτεινής πηγής . Για τον λόγο αυτό έχουν μελετηθεί οι ιδιότητες του μελανός σώματος το οποίο εκπέμπει ακτινοβολία υπό την μορφή θερμότητας . Άρα όταν λέμε ότι μια φωτεινή πηγή έχει θερμοκρασία χρώματος Tc εννοούμε ότι η φασματική κατανομή που εκπέμπει μοιάζει με της φασματική κατανομή της ακτινοβολίας που εκπέμπει το μέλαν σώμα όταν βρίσκεται σε θερμοκρασία Tc . Προσοχή : Η θερμοκρασία χρώματος μετράται σε βαθμούς Kelvin ( ο Κ ) . Η επιλογή φωτισμού χρειάζεται συνδυασμό κριτηρίων Οι προτάσεις θερμοκρασίας χρώματος για κατοικίες, γραφεία ή εργαστήρια είναι ενδεικτικές επιλογές, όχι καθολικοί κανόνες. Η καταλληλότητα του φωτισμού εξαρτάται από: • την εργασία που εκτελείται, • την ποσότητα και την ομοιομορφία του φωτισμού, • τη χρωματική απόδοση, • τη θάμβωση και τις αντανακλάσεις, • την παρουσία φυσικού φωτός, • τις επιφάνειες και τις ανάγκες των χρηστών. Η τιμή 5000 K, για παράδειγμα, δεν δηλώνει την ένταση του ηλιακού φωτός ούτε εγγυάται μεγαλύτερη ευκρίνεια. Περιγράφει χρωματική εντύπωση. Η επάρκεια φωτισμού στην επιφάνεια εργασίας εξετάζεται με διαφορετικό μέγεθος, τον φωτισμό σε lux. Άσκηση εμπέδωσης: «Για ένα εργαστήριο προτείνονται δύο πηγές: Α με 4000 K και Ra 95 και Β με 6500 K και Ra 70. Ο υπεύθυνος επιλέγει τη Β επειδή “περισσότερα Kelvin σημαίνουν καλύτερο φωτισμό”. Να αξιολογήσεις τον συλλογισμό του και να αναφέρεις τρία επιπλέον στοιχεία που χρειάζεσαι πριν πάρεις τελική απόφαση.» Κριτήριο σωστής απάντησης: ο μαθητής διακρίνει την απόχρωση από τη χρωματική απόδοση και αναγνωρίζει ότι τα διαθέσιμα δεδομένα δεν αρκούν για συνολική αξιολόγηση του φωτισμού. Σύμφωνα με τα παραπάνω διακρίνουμε τις φωτεινές πηγές σε τρεις βασικές κατηγορίες : • Φωτεινές πηγές που η φασματική κατανομή της ακτινοβολίας που εκπέμπουν αντιστοιχεί σε θερμοκρασίες χρώματος μικρότερες των 3300 ο Κ και ονομάζονται θερμές διότι το φάσμα τους είναι πλούσιο σε ερυθρές ακτινοβολίες . • Φωτεινές πηγές που η φασματική κατανομή της ακτινοβολίας που εκπέμπουν αντιστοιχεί σε θερμοκρασίες χρώματος μεταξύ των 3300ο Κ και 5000 ο Κ και ονομάζονται ουδέτερες διότι το φάσμα τους είναι πλούσιο σε λευκές ακτινοβολίες . • Φωτεινές πηγές που η φασματική κατανομή της ακτινοβολίας που εκπέμπουν αντιστοιχεί σε θερμοκρασίες χρώματος μεγαλύτερες των 5000 ο Κ και ονομάζονται ψυχρές διότι το φάσμα τους είναι πλούσιο σε κυανές ακτινοβολίες Φωτισμός τονισμού με διαφορετικές θερμοκρασίες χρώματος QUIZ: Επιλογή Κατάλληλης Θερμοκρασίας Χρώματος Θερμοκρασία χρώματος και θερμοκρασία λειτουργίας Η θερμοκρασία χρώματος περιγράφει τη χρωματική εντύπωση του φωτός μιας πηγής. Εκφράζεται σε kelvin, με σύμβολο K, χωρίς το σύμβολο της μοίρας. Για πηγές όπως οι λευκοί LED χρησιμοποιούμε συνήθως τη συσχετισμένη θερμοκρασία χρώματος — CCT. Η τιμή αυτή συνδέει την απόχρωση του φωτός τους με την απόχρωση ενός μελανού σώματος σε αντίστοιχη θερμοκρασία. Δεν σημαίνει ότι ο LED έχει αυτήν την πραγματική θερμοκρασία ούτε ότι εκπέμπει το ίδιο φάσμα με το μέλαν σώμα. Ενδεικτικά: Οι ονομασίες και τα όριά τους μπορεί να διαφέρουν. Οι όροι «θερμό» και «ψυχρό» περιγράφουν την οπτική εντύπωση, όχι τη θερμότητα που εκπέμπει η συσκευή. Επιπλέον, το λευκό φως αποτελεί συνδυασμό ακτινοβολιών· δεν υπάρχει ξεχωριστή «λευκή ακτινοβολία» με ένα συγκεκριμένο μήκος κύματος. Ερώτημα διερεύνησης: «Ένας LED αναγράφει 6500 K και ένας άλλος 2700 K. Μπορούμε να συμπεράνουμε ποιος έχει μεγαλύτερη θερμοκρασία στο περίβλημά του; Αιτιολόγησε.» Αναμενόμενο συμπέρασμα: όχι· χρειάζονται στοιχεία για την πραγματική θερμοκρασία λειτουργίας τους. Τελική θεωρητική πρόκληση — «Συντάξτε πόρισμα φωτισμού» Σε έναν υποθετικό χώρο μελέτης: • Η λάμπα αντικαταστάθηκε από 3000 K σε 6500 K. • Οι χρήστες αναφέρουν ότι κάποια χρώματα βιβλίων φαίνονται διαφορετικά. • Σε ορισμένες θέσεις εμφανίζονται φωτεινές αντανακλάσεις πάνω στις στιλπνές σελίδες. • Ο υπεύθυνος προτείνει να αυξηθεί η ισχύς της λάμπας, επειδή «το περισσότερο φως διορθώνει όλα τα προβλήματα». Κάθε ομάδα συντάσσει πόρισμα 150–200 λέξεων που απαντά: • Ποια διαφορετικά προβλήματα περιγράφονται; • Με ποιες θεωρητικές έννοιες συνδέεται το καθένα; • Ποια συμπεράσματα επιτρέπουν τα δεδομένα; • Ποια συμπεράσματα δεν επιτρέπουν; • Ποιες πρόσθετες πληροφορίες θα ζητούσατε; • Ποια πρόταση του υπευθύνου χρειάζεται αναθεώρηση και γιατί; Ενδεικτική κατεύθυνση για τον εκπαιδευτικό: οι μαθητές πρέπει να ξεχωρίσουν την απόχρωση της πηγής, τη χρωματική απόδοση και την κατοπτρική ανάκλαση. Η αλλαγή χρωμάτων δεν μπορεί να αποδοθεί αποκλειστικά στα Kelvin χωρίς στοιχεία για το φάσμα ή τη χρωματική απόδοση. Η αύξηση ισχύος δεν αποτελεί γενική λύση και μπορεί να ενισχύσει τις ενοχλητικές αντανακλάσεις. 10. Σύντομη δοκιμασία εξόδου Ζήτησε από κάθε μαθητή να απαντήσει ατομικά σε τρία ερωτήματα: • Διόρθωσε: «Μια φωτεινή επιφάνεια είναι οπωσδήποτε αυτόφωτη». • Εξήγησε: «Δύο πηγές έχουν 4000 K. Γιατί δεν γνωρίζουμε αν αποδίδουν εξίσου καλά τα χρώματα;» • Αξιολόγησε: «Μια επιφάνεια ανακλά το 90% του φωτός. Αρκεί αυτό για να την επιλέξουμε για γραφείο;» Για την αξιολόγηση, χρησιμοποίησε τέσσερα ισότιμα κριτήρια: Κριτήριο Βαθμοί Επιστημονική ορθότητα 0–2 Σύνδεση θεωρίας και δεδομένων 0–2 Σαφής αιτιολόγηση 0–2 Αναγνώριση ελλιπών στοιχείων και ορίων του συμπεράσματος 0–2