ÖĞRENME ALANI : FİZİKSEL OLAYLAR ÜNİTE 5 : IŞIK A IŞIĞIN SOĞURULMASI (4 SAAT) 1 Işık ve Işık Kaynağı 2 Işığın Yayılması 3 Işığın Maddelerle Etkileşimi 4 Işığın Yansıması 5 Cisimlerin Görülmesi 6 Isı Enerjisinin Işık Tarafından Taşınması 7 Işığın Soğurulması 8 Işığın Soğurulmanın Maddenin Rengine ve Parlaklığına Bağlılığı 9 Işığın Soğurulmasının Maddeler Üzerindeki Etkisi 10 Güneş Işığının Soğurulmasının Işık Işınlarının Yoğunluğuna Bağlılığı 11 Güneş Işığının Soğurulmasının Günlük Hayattaki Kullanım Alanları 1
ÜNİTE 5 : IŞIK A IŞIĞIN SOĞURULMASI : 1 Işık ve Işık Kaynağı : Işık olaylarını inceleyen fizik dalına optik denir. Yüksek derecede ısıtılan veya çeşitli şekillerde uyarılan cisimlerin yaydığı, gözle görülen ışımaya ışık denir. Işık, çevremizdeki cisimleri görmemizi sağlayan enerjinin özel bir şeklidir yani bir enerji türüdür ve ışık kaynağı tarafından yayılır. Etrafını aydınlatan ve ışık yayan cisimlere ışık kaynağı denir. Güneş, diğer yıldızlar ve ateş böceği gibi kendiliğinden ışık veren cisimlere doğal ışık kaynağı denir. Mum, elektrik ampulü, kandil ve ateş gibi yakıldığında ışık veren kaynaklara yapay ışık kaynağı denir. Işık kaynakları yapılarına göre sıcak (akkor) ışık kaynağı ve soğuk (akkor olmayan) ışık kaynağı olarak iki çeşittir. Sıcak ışık kaynakları ısı yoluyla ışık yayan kaynaklardır. Güneş, mum alevi, ampul, kızgın metaller sıcak ışık kaynaklarıdır. Soğuk ışık kaynakları elektrik ve manyetik etkilerle ışık yayan kaynaklardır. Flüoresan lamba, ateş böceği soğuk ışık kaynaklarıdır. 2 Işığın Yayılması : Işık, kaynağından çıktığı ortamda doğrusal olarak yayılır. Işığın yayılması sırasında ışık kaynağından çıkan ve ışığın yolunu belirleyen en ince ışık demetine ışık ışını denir. Işığın yayılabilmesi için maddeye ihtiyaç yoktur. Işık boşlukta ve saydam ortamlarda yayılabilir. Işık, her maddede sabit hızla yayılır ve ışığın hızı bulunduğu ortama göre değişir. Işık boşlukta en hızlı yayılır, diğer maddelerde ise ışık hızı düşer. Işık hızı boşlukta ; V (c) = 3.10 8 m/sn dir. (299.792.458 m/sn) Işık hızı havada ; V hava = 3.10 8 m/sn dir. (299.702.547 m/sn) Işık hızı suda ; V su = 2,25.10 8 m/sn dir. Işık hızı camda ; V cam = 2.10 8 m/sn dir. Işığın boşlukta bir yılda aldığı uzaklığa ışık yılı denir. 1 Işık Yılı = 9,46.10 12 km. (1 Işık Yılı = 3.10 8.60.60.24.365 m) 3 Işığın Maddelerle Etkileşimi : Işık bir enerji türüdür ve maddelerle çeşitli şekillerde etkileşir. Işık, bir enerji türü olduğu için diğer enerji türlerinde olduğu gibi maddelerde sıcaklık artışı yanında farklı değişmelere yol açar. Maddelerin görülmesinin nedeni ışık madde etkileşimidir. Işık madde etkileşimi bütün maddelerde aynı şekilde gerçekleşmez. Işık kaynağından çıkan ışık ışınları bir maddeye çarptığında maddenin ışık geçirme özelliğine göre maddelerle üç yolla etkileşebilir. Işık ışınlarının büyük bir kısmı maddeden geçebilir. Işık ışınlarının bir kısmı maddeye çarpınca yansıyabilir, bir kısmı da geçebilir. Işık ışınlarının büyük bir kısmı maddeden geçemez. Maddeler, üzerine düşen ışığı geçirip geçirmemesine göre; saydam madde, yarı saydam madde, saydam olmayan madde olarak üç kısımda incelenir. Üzerine düşen ışığın büyük bir kısmını geçiren, çok az kısmını da yansıtan maddelere saydam madde denir. Cam, su, hava, sıvılar (asit, yağ, sirke, alkol, gaz yağı, kolonya) saydam maddelerdir. Üzerine düşen ışığın bir kısmını geçiren, bir kısmını yansıtan, çok az kısmını da tutan maddelere yarı saydam madde denir. Buzlu cam, mika, yağlı kâğıt yarı saydam maddelerdir. 2
Üzerine düşen ışığı geçirmeyen, üzerine düşen ışığın tamamına yakınını bazen yansıtan, bazen de tutan maddelere saydam olmayan madde denir. Üzerine düşen ışığın büyük kısmını tutan, çok az kısmını da yansıtan maddelere saydam olmayan opak (mat) maddeler denir. Bakır, kitap, duvar, tahta, kâğıt, taş, cıva, süt, fuel oil saydam olmayan opak (mat) maddelerdir. Üzerine düşen ışığın büyük kısmını yansıtan, çok az kısmını da tutan maddelere saydam olmayan parlak maddeler denir. CD, ayna, metal kaşık, alüminyum folyo, cilalı yüzeyler saydam olmayan parlak yüzeyli maddelerdir. 4 Işığın Yansıması : Işık kaynağından çıkan ışık ışınlarının saydam ortamlarda hareket ederek herhangi bir yüzeye çarpıp geldiği ortama geri dönmesine yansıma denir. Yansıma olayında ışığın hiçbir özelliği değişmez. Sadece hareket yönü değişir. Işık kaynağından çıkan veya parlak bir yüzeyden yansıyan ışık, ışık ışını denilen düz bir çizgiyle gösterilir. Işığın yayılma ve ilerleme yönü gösterilirken de düz çizgi üzerine ok işareti konur. Periskop, mikrodalga fırın, teleskop, ışıldak, deniz feneri, otomobil farı, uydu yayınlarını alan çanak antenler ve dikiz aynaları, yansıma olayından yararlanarak yapılmaktadır. Düzgün ve parlak yüzeylere gelen paralel ışık ışınlarının çarptığı yüzeyden paralel yansımasına düzgün yansıma denir. Pürüzlü yüzeylere paralel gelen ışık ışınlarının çarptığı yüzeyden birbirine paralel olarak yansımamasına dağınık yansıma denir. 5 Cisimlerin Görülmesi : Herhangi bir cismin görülebilmesi için o cismin ya ışık kaynağı olması ya da ışık kaynağı tarafından aydınlatılmış olması ve cisimden çıkan ya da yansıyan ışınların göze gelmesi gerekir. Işık kaynağı olan cisimler ürettiği ışığı doğrudan etrafına yayarlar. Cisimden çıkan ışınlar doğrudan göze geliyorsa cismin kendisi görülür ve görülen bu cisim ışık kaynağıdır. Işık kaynağı olmayan cisimler üzerine düşen ışık ışınlarını yansıtırlar. Işık kaynağı olmayan cisimlerin görülebilmesi için, ışık kaynağından o cisim üzerine ışık ışınlarının düşmesi ve ışık ışınlarının cisimde düzgün veya dağınık yansımaya uğradıktan sonra göze gelmesi gerekir. Işık kaynağından çıkan ışık ışınlarını alarak yansıtan ve görünür hale geçen cisimlere aydınlatılmış cisim denir. Işık kaynağı olmayan cisimlerin görülmesinin nedeni farklı yüzeylerde gerçekleşen düzgün ve dağınık yansıma olaylarıdır. Düzgün ve dağınık yansıma olayları nedeniyle cisimler daha parlak veya daha mat görünürler. Cisimlerin daha parlak veya mat görünmesinin nedeni, ışığı yansıtma özelliklerinden kaynaklanır. Üzerine düşen ışığı fazla yansıtan cisimler parlak, az yansıtan cisimler mat görünürler. 6 Isı Enerjisinin Işık Tarafından Taşınması : Isı bir enerji türüdür ve ısı enerjisi iletim, konveksiyon (taşıma = sıvı ve hava akımı) ve ışıma (radyasyon) yolu ile yayılır. Isı enerjisinin tanecik olmadan ışık ışınları sayesinde yayılmasına, taşınmasına ışıma (radyasyon) denir. Işıma yoluyla ısının yayılmasında temas yoktur ve ışıma ile ısının yayılması boşlukta ve saydam ortamlarda gerçekleşir. Işıma olayında, ısı kaynağından çıkan ısı enerjisi etrafa enerji dalgaları şeklinde yayılır. Isı, ışık gibi davranır yani boşlukta veya saydam ortamlarda da yayılır. Isının iletim ve konveksiyon yoluyla yayılması için bir maddeye ihtiyaç olduğu halde ışıma yoluyla yayılması için bir maddeye ihtiyaç yoktur. Bütün maddeler ışıma yoluyla etrafına az ya da fazla ısıyayarlar ve ışıma her yönde olur. Koyu renkli maddeler açık renkli maddelere göre, mat yüzeyli maddeler de parlak yüzeyli maddelere göre daha fazla ışıma yaparlar yani ısı yayarlar. 3
7 Işığın Soğurulması : Maddelerin, üzerine düşen ışık ışınlarını tutmasına soğurma (ışın yutma = ışın emme = ışın tutma = absorbe etme) denir. Işığın maddeler tarafından soğrulması, maddenin rengine ve parlaklığına göre değişir. Farklı renkteki ve parlaklıktaki maddeler üzerine düşen ışık ışınlarını farklı miktarlarda soğururlar. 8 Işığın Soğurulmasının Maddenin Rengine ve Parlaklığına Bağlılığı : Farklı renkteki maddelerde yansıyan ve soğurulan ışık miktarı aynı değildir ve maddenin rengine ve parlaklığına göre değişir. Maddelerin rengi koyulaştıkça soğurulan ışık miktarı artar, yansıyan ışık miktarı azalır. Koyu renkli maddeler üzerine düşen ışık ışınlarının çoğunu soğururken çok az kısmını yansıtırlar. Açık renkli maddeler ise üzerine düşen ışık ışınlarının çoğunu yansıtırken çok az kısmını soğururlar. Mat yüzeyli maddeler üzerine düşen ışık ışınlarının çoğunu soğururken çok az kısmını yansıtırlar. Parlak yüzeyli maddeler ise üzerine düşen ışık ışınlarını yansıtırlar. 9 Işığın Soğurulmasının Maddeler Üzerindeki Etkisi : Işık bir enerji türüdür ve üzerine düştüğü bazı maddelerde farklı değişmelere neden olur. Bu değişimlerden biri de maddelerin sıcaklığını arttırmasıdır. Bir maddede ışık etkisiyle meydana gelen sıcaklık artışını etkileyen temel neden, maddenin rengidir. Maddenin rengi koyulaştıkça daha fazla ışık soğurur ve sıcaklığı da artar. Koyu renkli maddeler, açık renkli maddelere göre daha fazla ışık ışını soğurduğu için daha fazla ısınırlar. Mat yüzeyli maddeler, parlak yüzeyli maddelere göre daha fazla ışık ışını soğurduğu için daha fazla ısınırlar. Siyah renkteki maddeler ışığı yansıtmaz ve diğer renklere göre daha fazla soğurur. Daha fazla ışık soğurduğu için de daha fazla ısınır. Beyaz renkteki maddeler ışığı diğer renkteki maddelere göre daha fazla yansıtır. Daha fazla ışık yansıttığı için de daha az ısınır. Parlak ve yansıtıcı yüzeyli maddeler, üzerine düşen ışınları yansıttığı için ısınmazlar. Bu nedenle parlak ve yansıtıcı yüzeyli maddeler, ısı yalıtımı gerektiren yüzeylerin kaplanmasında kullanılır. Güneş ışığını doğrudan alan bütün cisimlerde az veya fazla sıcaklık artışı olur. Işık etkisiyle cisimlerin sıcaklıklarının artması ışığın bir enerji türü olduğunu gösterir. 10 Güneş Işığının Soğurulmasının Işık Işınlarının Yoğunluğuna Bağlılığı : Belli bir noktaya düşen ışık ışınlarının yoğunluğunun yani birim yüzeye düşen ışık ışınlarının sayısının artması o yüzeyde meydana gelecek soğurulma ve yansıma olaylarını arttırır. Aynı ortamda bulunan maddelerin sıcaklıkları genelde birbirlerine eşittir. Güneş ışığını doğrudan alan bölge ile gölge alan birbirinden farklı ortamlar olduğu için sıcaklıkları birbirine eşit olmaz. Bunun nedeni, güneş ışığını alan bölgedeki ışık ışınlarının yoğunluğunun, gölge alandaki ışık ışınlarının yoğunluğundan fazla olmasıdır. Güneş ışığı alan bölgedeki ışık ışınlarının yoğunluğu arttığı için daha fazla ışın soğurulur ve sıcaklık daha fazla artar. Gölge alandaki ışık ışınlarının yoğunluğu azaldığı için daha az ışın soğurulur ve sıcaklık daha az artar. Gölge alandaki ışık ışınlarının yoğunluğunun azalmasının nedeni, gölgeyi oluşturan mat cisim ve mat yüzeyler tarafından ışık ışınlarının büyük bir kısmının soğurulup, çok az kısmının yansıtılmasıdır. Güneş ışığını alan sıcaklığı yüksek olan ortam ile sıcaklığı düşük olan gölge ortamı birbirine temas ettiği için bu bölgeler arasında ısı alışverişi olur. Sıcaklığı yüksek olan güneşli ortamdan, sıcaklığı düşük olan gölge ortamına doğru sürekli bir ısı akışı olmasına rağmen güneş batmadığı veya bulutların arkasında kalmadığı sürece buraların sıcaklıkları birbirine eşit olmaz. Serinlemek için sığınılan alanlar genelde ışığı geçirmeyen ve mat yüzeylere sahip bina ve ağaç gölgeleridir. 4
Mat yüzeyler üzerine düşen ışığın tamamını yansıtmaz. Bu nedenle de gölge alana düşen ışık miktarı azalır. Işık miktarının azalması, yazın güneşli günlerde gölgedeki sıcaklığın, güneş ışığını doğrudan alan yerlerdeki sıcaklıktan farklı hissedilmesini sağlar. 11 Güneş Işığının Soğurulmasının Günlük Hayattaki Kullanım Alanları ve Etkileri : 1 Güneş ışığının soğurulması sonucu maddelerde sıcaklık artışı meydana gelir. 2 Uzun süre güneş ışığı altında bırakılan kumaşın rengi solar. 3 Bir süre ışık alan bazı besinlerin tatları değişir. 4 Güneş ışığı alan ilaçlar bozulur. 5 Yeşil bitkilerin fotosentez olayı ile kendi besinlerini üretmeleri için güneş ışığını soğurmaları gerekir. 6 Evlerin ısıtılmasında, seracılıkta, içme suyu elde edilmesinde, sıcak su elde edilmesinde, deniz suyunun tatlı suya dönüştürülmesinde, güneş ocaklarında yemek pişirilmesinde, gıda, kimya, seramik, kağıt, tekstil ve deri sanayinde, elektrik enerjisi üretilmesi için güneş pillerinin kullanılmasında güneş ışığının soğurulması sayesinde elde edilen enerji kullanılır. NOT : 1 Kışları koyu renkli kıyafetler giyilmesinin nedeni, ışınları daha fazla soğurabilmesi içindir. Yazları açık renkli kıyafetler giyilmesinin nedeni, ışınları daha az soğurması, büyük bir kısmını yansıtmasıdır. 2 Güneş ışığını hareket enerjisine dönüştüren araçlara radyometre (ışık değirmeni) denir. Radyometre güneş ışığını doğrudan alan bir yere bırakılırsa ışığın yapraklara çarpmasının etkisiyle radyometre çarkı döner. 5