Natuurkunde basisschool en onderbouw · Grades 1–9
28Licht plant zich rechtlijnig voort
Zonnestralen vallen schuin door de ochtendnevel tussen de bomen — stuk voor stuk zo recht als gespannen touwtjes. Een zaklamp op een stoffige zolder werpt een blad licht met scherpe randen. Je kunt een vriend om de hoek horen roepen, maar je kunt hem daar niet zien. Dit alles is één wet in verschillende kleren — de oudste wet van het licht.
28.1 De wet van de rechte lijn
Propositie 28.1 (Licht plant zich rechtlijnig voort)
In lucht (net als in water, glas of lege ruimte) plant licht zich langs rechte lijnen voort. Het buigt niet om hoeken, het dwarrelt niet als rook, het krult niet om jou achter een muur te vinden. Waar een rechte lijn vanaf de bron niet kan komen, komt geen licht van die bron.
Definitie 28.2 (Lichtstraal)
Om licht te tekenen gebruiken natuurkundigen de lichtstraal: een rechte lijn met een pijl, die één draadje licht en zijn looprichting laat zien. Een zaklampbundel tekenen we als een waaier van stralen; een dunne laserbundel als één enkele straal. Net als de krachtpijl is de straal een tekeningetje met een wet erin: de wegen van het licht zijn kaarsrecht.
Voorbeeld 28.3 (Waar de wet zich laat zien)
Zodra je de wet kent, zie je haar overal: de rechte zonnestralen door nevel of jaloezieën; de scherpe rechte rand van een zaklampbundel in stoffige lucht; het kaarsrechte draadje van de laserpen; en elke vuurtoren die rechte bladen licht over de nachtelijke zee zwaait. Gebogen licht zie je nooit — fonteinen en bossen mogen krommen, licht doet dat niet.
28.2 Bewijzen met drie kaarten
Methode 28.4 (De proef met drie kaarten)
- Prik in het midden van drie stevige kaarten een klein gaatje, op dezelfde hoogte;
- zet de kaarten rechtop op een rij, een handspan uit elkaar, met een brandende kaars (of zaklamp) achter de laatste;
- beweeg je hoofd tot je de vlam door alle drie de gaatjes ziet — dat lukt alleen als de drie gaatjes en de vlam op één rechte lijn staan (controle: een strak touwtje door de gaatjes bereikt de vlam);
- schuif nu de middelste kaart een vingerbreedte opzij.
De vlam verdwijnt. Licht dat had kunnen zigzaggen — door gaatje één, een stapje opzij, door het verschoven gaatje en verder naar jouw oog — doet dat eenvoudigweg niet: geen rechte lijn, geen licht.
Voorbeeld 28.5 (Schaduwen definitief verklaard)
Nu geeft de schaduw uit je eerste schooljaar haar geheim prijs. De stralen lopen recht van de lamp weg; de bal houdt de stralen tegen die hem raken; de stralen die net langs zijn rand scheren lopen recht verder. Achter de bal ligt precies de ruimte die geen enkele rechte straal kan bereiken — de schaduw, met zijn scherpe rand getekend door de laatste stralen die erlangs glipten. Rechte stralen, scherpe schaduwen: krom licht zou elke schaduw tot mist uitsmeren.
28.3 Zien is licht ontvangen
Propositie 28.6 (Hoe zien werkt)
Je ziet iets wanneer licht ervan in een rechte lijn je oog binnenkomt — zijn eigen licht als het een bron is, en anders teruggekaatst zonlicht of lamplicht. Er vertrekt niets uit je oog om de wereld te grijpen: zien is ontvangen, stralen vangen zoals een net ballen vangt.
Voorbeeld 28.7 (Om de hoek)
Je vriend roept om de hoek van de school: je hoort hem, maar je kunt hem niet zien. Geluid spreidt zich uit als kringen in een vijver en spoelt om de rand van de hoek heen; licht houdt zijn rechte wegen aan, en geen rechte lijn verbindt het gezicht van je vriend door de baksteen heen met jouw oog. Om de hoek te kunnen kijken moet je de weg vouwen — de straal een hard, glanzend oppervlak geven om vanaf terug te kaatsen. Die truc heet de spiegel, en zij bezit het eerste lichthoofdstuk van volgend jaar.
Opmerking 28.8 (De kampioen hardlopen)
Geluid sjokt, zoals we hebben gemeten, met per seconde. Licht speelt op zijn rechte wegen in een heel andere klasse: het steekt de hele hemel over sneller dan welk tellen ook kan bijhouden — en daarom komt de flits “meteen” aan en ploetert de donder er seconden achteraan. Hoe snel precies? Het getal is zo buitensporig dat we het voor een later jaar bewaren — samen met het verhaal van de slimme trucs die nodig waren om het überhaupt te meten.
28.4 Oefeningen
Oefening 28.1 ★
Formuleer de wet van dit hoofdstuk. Noem twee plekken buiten waar je haar kunt zien.
Oefening 28.2 ★
Wat is een lichtstraal, en welke twee dingen laat de tekening ervan zien?
Oefening 28.3 ★
Wanneer kun je bij de proef met drie kaarten de vlam precies zien? Welke ene beweging laat haar verdwijnen, en waarom?
Oefening 28.4 ★
Hoe verklaart de wet van de rechte lijn de scherpe rand van een schaduw?
Oplossing
Oplossing van Oefening 28.4.
De stralen lopen recht van de lamp weg; wat het licht tegenhoudt stopt er een deel van, en de stralen die net langs de rand scheren lopen recht verder. De grens tussen bereikte en onbereikte grond wordt door rechte lijnen getekend — vandaar de scherpe rand.
Oefening 28.5 ★
Je ziet dit boek op dit moment. Vertel de reis van het licht dat dat mogelijk maakt, van een lamp tot in je oog.
Oplossing
Oplossing van Oefening 28.5.
Het licht verlaat de lamp, loopt recht naar de bladzijde, kaatst van het papier terug en loopt recht van de bladzijde je oog in — dat het ontvangt. Twee rechte trajecten met één kaatsing ertussen.
Oefening 28.6 ★
Waarom kun je een vriend om de hoek wel horen maar niet zien? Wat doet elke reiziger — geluid en licht — bij de hoek?
Oplossing
Oplossing van Oefening 28.6.
Geluid spreidt zich uit als kringen in een vijver en spoelt om de rand van de hoek heen tot in je oor. Licht houdt zich aan rechte wegen, en geen rechte lijn verbindt het gezicht van de vriend door baksteen heen met jouw oog — dus komt de stem wel aan en het beeld niet.
Oefening 28.7 ★
Een sleutelgat, een verlichte kamer erachter, en jouw oog: vanaf welke plek in de donkere gang kun je de lamp door het sleutelgat zien? Antwoord met een rechte lijn.
Oplossing
Oplossing van Oefening 28.7.
Alleen vanaf de plekken waar een rechte lijn door het sleutelgat de lamp bereikt — oog, sleutelgat en lamp op één lijn. Stap opzij en de lijn breekt op de deur.
Oefening 28.8 ★
Wat komt bij een ver vuurwerk het eerst aan, de knal of de flits? Welke wet en welke meting van dit jaar verklaren het gat ertussen?
Oefening 28.9 ★
“Als ik naar een ster kijk, schiet er iets uit mijn oog om haar aan te raken.” Verbeter dit oude geloof met Propositie 28.6 — wat reist er, en welke kant op?
Oefening 28.10 ★★
Ontwerp, met een tekening van stralen, een manier om vanuit je kamer de gang te bekijken met de spiegeltruc die in Voorbeeld 28.7 is aangekondigd: waar moet het glanzende oppervlak in de deuropening staan, en wat doet het met de weg van de straal? (Onderzeeërs gebruiken precies dit, twee keer boven elkaar, om boven de golven te kijken.)
Oplossing
Oplossing van Oefening 28.10.
Zet het glanzende oppervlak in de deuropening, schuin (onder een halve rechte hoek) ten opzichte van de gang. Een straal die langs de gang loopt raakt de schuine spiegel en zijn weg vouwt: hij gaat de hoek om en loopt recht door de deuropening de kamer in tot in jouw oog. Twee van zulke vouwen, de een boven de ander, maken de periscoop van de onderzeeër.
Oefening 28.11 ★★
Op een nevelige ochtend waaieren zonnestralen tussen de bomen in zichtbaar rechte lijnen uit — en toch zegt je vriend: “We zien de bundels, dus licht moet zichtbare stof zijn die in de lucht hangt.” Wat zien jullie eigenlijk allebei als er een “bundel” in nevel of stof verschijnt, en hoe zou de bundel er in volmaakt schone lucht uitzien?
Oplossing
Oplossing van Oefening 28.11.
Je ziet het licht niet onderweg — je ziet de ontelbare piepkleine druppeltjes en stofjes die de bundel onderweg raakt, en die elk een beetje licht naar je oog kaatsen. In volmaakt schone lucht is er niets om te raken, en is de bundel van opzij onzichtbaar: alleen de heldere plek waar hij landt verraadt hem.