Lumină, căldură și Sistemul Solar

Căldura este energie transferată din cauza diferenței de temperatură. Transferul se poate face prin conducție, convecție și radiație. Lumina se reflectă la o suprafață; unghiul de reflexie este egal cu unghiul de incidență, măsurate față de normală. La trecerea între medii, refracția schimbă direcția razei, cu excepția incidenței normale. Dispersia separă culorile luminii albe deoarece componentele sunt refractate diferit. O lupă folosește o lentilă convergentă pentru a obține o imagine mărită în condițiile potrivite.

În Sistemul Solar, planetele orbitează Soarele; Luna orbitează Pământul. Succesiunea zi–noapte este efectul rotației Pământului, iar anotimpurile depind de înclinarea axei și de mișcarea de revoluție, nu de o simplă apropiere sezonieră de Soare. Gravitația terestră produce accelerația de cădere liberă, aproximativ $9,8m/{\mathrm{s}}^2$ la suprafață. Un telescop colectează lumină de la obiecte îndepărtate; observarea lor depinde de instrument și de condițiile atmosferei.

Calorimetrie. Căldura primită sau cedată de un corp este $Q=mc\Delta t$. Pentru apă, căldura specifică este $c=4180J/(\mathrm{kg}\cdot \mathrm{K})$. Transferul prin conducție este tipic metalelor, prin convecție lichidelor și gazelor, iar prin radiație este singurul posibil prin vid, ca la lumina Soarelui.

Mișcarea browniană. În 1827 botanistul Robert Brown a observat la microscop că granulele de polen din apă se agită continuu, în zigzag, deoarece moleculele apei, aflate în mișcare haotică, le lovesc din toate părțile, iar loviturile nu se compensează exact. Temperatura măsoară agitația medie a moleculelor: un corp mai cald are molecule mai agitate. Aceeași agitație explică difuzia: o picătură de cerneală se răspândește mai repede în apă caldă decât în apă rece. În conducție, moleculele agitate transmit agitația vecinelor prin ciocniri.

Principiile termodinamicii. Principiul I: $\Delta U=Q-L$, adică variația energiei interne este căldura primită minus lucrul mecanic efectuat de sistem; un gaz care primește $500\mathrm{J}$ și efectuează $200\mathrm{J}$ își mărește energia internă cu $300\mathrm{J}$. Principiul II: căldura nu trece spontan de la un corp rece la unul cald; frigiderul face acest lucru numai consumând energie electrică.

Surse de lumină, umbră și culoare. Sursele primare produc lumină (Soarele, flacăra, becul), iar corpurile luminate o reflectă (Luna, o carte); vedem un obiect când lumina de la el ajunge în ochi. Într-un mediu transparent și omogen lumina se propagă în linie dreaptă, de aceea un obiect opac face umbră. Un băț de $1\mathrm{m}$ cu umbra de $2\mathrm{m}$ și un copac cu umbra de $10\mathrm{m}$, în același moment, dau înălțimea copacului: $10/2=5\mathrm{m}$. Culoarea unui obiect este a luminii pe care o reflectă: frunza reflectă mai ales verde și absoarbe restul. Un filtru colorat lasă să treacă doar culoarea lui, așa că un măr roșu privit printr-un filtru verde pare aproape negru.

Refracția și dispersia. Legea refracției este $n_1\sin i=n_2\sin r$. Indicele de refracție este aproximativ $1$ pentru aer, $1,33$ pentru apă și $1,5$ pentru sticlă. În prismă, lumina roșie este deviată cel mai puțin, iar cea violetă cel mai mult. Curcubeul apare prin refracție, reflexie și dispersie în picăturile de apă.

Sistemul Solar. Cele opt planete sunt Mercur, Venus, Pământ, Marte, Jupiter, Saturn, Uranus și Neptun; între Marte și Jupiter se află centura de asteroizi. Lumina Soarelui ajunge pe Pământ în aproximativ $499\mathrm{s}$, adică aproximativ 8 minute și 19 secunde. Masa unui corp nu depinde de loc, iar greutatea depinde: un corp de $60\mathrm{kg}$ are $588\mathrm{N}$ pe Pământ și aproximativ $97\mathrm{N}$ pe Lună, unde $g\approx 1,62N/kg$.

Instrumente optice. Lentila convergentă are un focar în care se strâng razele paralele cu axa principală. O lupă dă o imagine virtuală, dreaptă și mărită când obiectul este între lentilă și focar. Aparatul de fotografiat și ochiul formează pe un ecran (film, senzor, retină) o imagine reală și răsturnată. Luneta are două lentile: obiectivul, cu distanță focală mare, și ocularul, cu distanță focală mică.

Exemplu lucrat 1. O rază ajunge pe o oglindă plană cu unghi de incidență de $30^{\circ }$ față de normală. Unghiul de reflexie este tot $30^{\circ }$; unghiul dintre raza incidentă și cea reflectată este $60^{\circ }$. Nu măsori unghiurile față de suprafața oglinzii.

Exemplu lucrat 2: căldura necesară. Pentru a încălzi $0,5\mathrm{kg}$ de apă de la $20{}^{\circ }\mathrm{C}$ la $60{}^{\circ }\mathrm{C}$: $Q=0,5\cdot 4180\cdot 40=83600\mathrm{J}$. Aceeași masă de apă, încălzită de la $20$ la $30{}^{\circ }\mathrm{C}$, primește de patru ori mai puțin.

Exemplu lucrat 3: refracția în apă. O rază trece din aer în apă cu unghiul de incidență $45^{\circ }$. Din $1\cdot \sin 45^{\circ }=1,33\cdot \sin r$ rezultă $\sin r=0,7071/1,33\approx 0,532$, deci $r\approx 32^{\circ }$. Raza se apropie de normală, deoarece trece într-un mediu cu indice de refracție mai mare.

Greșeli frecvente

• Greșit: anotimpurile sunt cauzate doar de distanța Pământ–Soare.
  Corect: înclinarea axei schimbă iluminarea emisferelor.
• Greșit: unghiul de reflexie se măsoară față de oglindă.
  Corect: se măsoară față de normală.
• Greșit: căldura este temperatura însăși.
  Corect: este energie transferată între sisteme cu temperaturi diferite.

Înainte și după