Licht, kleur en beeld: Uitleg & Oefenen

Licht is overal om ons heen en maakt het mogelijk dat we de wereld kunnen zien. Hoe werken lichtbronnen en waarom zien we kleuren? In dit artikel leer je hoe het kleurenspectrum werkt, hoe lichtstralen en schaduwen ontstaan en wat de spiegelwet vertelt over spiegelbeelden en reflectie. Ook ontdek je wat infrarood en ultraviolet licht zijn, met hun toepassingen en gevaren. Tot slot bekijken we hoe lenzen en ons oog samenwerken, wat het verschil is tussen bijziend en verziend zijn, en hoe je lichtstralen kunt construeren bij een positieve lens.

Verschillende soorten lichtbronnen

Lichtbronnen zijn overal om ons heen, van de zon tot gloeilampen. Ze kunnen natuurlijk of kunstmatig zijn en hebben elk hun eigen kenmerken.

Natuurlijke lichtbronnen zoals de zon, sterren en vuur produceren licht zonder menselijke tussenkomst. De zon en sterren doen dit door kernfusie: een proces waarbij waterstof wordt omgezet in helium en enorme hoeveelheden energie vrijkomen in de vorm van licht en warmte.

Kunstmatige lichtbronnen zijn door mensen gemaakt en bestaan in veel vormen:

• Gloeilampen werken door een dunne draad te verhitten totdat deze gloeit en licht uitstraalt.
• LED-lampen (Light Emitting Diodes) produceren licht doordat elektronen door een halfgeleider stromen.
• Fluorescerende lampen, vaak gebruikt in kantoren, werken door een elektrische ontlading in een buis met kwikdamp. Dit wekt ultraviolet licht op dat door een fluorescerende coating wordt omgezet in zichtbaar licht.

Niet alle voorwerpen zijn lichtbronnen. Voorwerpen die zelf geen licht uitzenden, maar licht weerkaatsen, noemen we reflectoren. Voorbeelden hiervan zijn de maan en spiegels: zij geven geen eigen licht, maar weerkaatsen het licht van andere bronnen.

Oefenopgave

Geef voor de onderstaande situaties aan of het een natuurlijke lichtbron, een kunstmatige lichtbron of een reflector is.

1. Je docent gebruikt een laserpen tijdens een presentatie om iets aan te wijzen.
2. Het witte zand op het strand licht fel op in de zon.
3. Een gloeiworm licht op in het donker.
4. Een bliksemschicht verlicht de lucht tijdens een onweersbui.

Uitwerking

1. Het licht uit de laser ontstaat door technologie → kunstmatige lichtbron.
2. Het witte zand weerkaatst het licht van de zon → reflector.
3. De gloeiworm geeft uit zichzelf licht → natuurlijke lichtbron.
4. De bliksem ontstaat in de natuur → natuurlijke lichtbron.

Kleurenspectrum en Zichtbaarheid

Het kleurenspectrum is de reeks kleuren die we kunnen zien in het zichtbare licht. Dit loopt van violet (kortste golflengte) tot rood (langste golflengte) en bevat alle kleuren van de regenboog.

Het kleurenspectrum van het zichtbare licht.

Wit licht, zoals zonlicht, bestaat uit alle kleuren van het spectrum samen. Wanneer dit licht door een prisma of regendruppels gaat, valt het uiteen in losse kleuren. Dit verklaart ook hoe een regenboog ontstaat.

Waarom zien we kleuren?

Objecten hebben een kleur omdat ze sommige lichtgolven absorberen en andere weerkaatsen:

• Een rode appel absorbeert alle kleuren behalve rood; dat wordt teruggekaatst naar ons oog.
• Een wit voorwerp weerkaatst alle kleuren.
• Een zwart voorwerp absorbeert bijna al het licht.

Oefenopgave

In een klaslokaal staat een groene plant en een blauwe kast.

1. Geef aan welke kleur of kleuren de plant absorbeert.
2. Geef aan welke kleur of kleuren de kast reflecteert.
3. Waarom voelt een zwart t-shirt warmer aan in de zon dan een wit t-shirt?

Uitwerking

1. De plant is groen, dus het reflecteert groen en absorbeert alle andere kleuren.
2. De kast is blauw, dus het reflecteert blauw en absorbeert alle andere kleuren.
3. Een zwart t-shirt absorbeert bijna al het licht. Hierdoor warmt het op. Een wit t-shirt reflecteert het meeste licht. Het warmt dus minder op.

Het menselijk oog kan ongeveer 10 miljoen verschillende kleuren onderscheiden. Sommige dieren, zoals bijen, zien zelfs kleuren die wij niet kunnen zien, zoals ultraviolet licht. Dit helpt hen om nectar in bloemen te vinden.

Lichtstralen en reflectie

Licht beweegt altijd in rechte lijnen, maar kan van richting veranderen door reflectie of breking. Dit verklaart veel verschijnselen die we dagelijks zien, zoals spiegelbeelden en schaduwen.

Lichtstralen

Met lichtstralen kun je de richting van licht weergeven:

• Convergerend licht → stralen komen samen in één punt (bijvoorbeeld door een bolle lens).
• Divergerend licht → stralen gaan uit elkaar (bijvoorbeeld bij een puntbron of holle lens).

Oefenopgave

Wanneer je een vergrootglas in de zon houdt, dan zie je een fel puntje verschijnen.

Werkt een vergrootglas convergerend of divergerend?

Uitwerking

Het licht van de zon wordt door het vergrootglas samengebracht naar één punt. 
Het vergrootglas werkt dus convergerend.

Schaduwen

Schaduwen ontstaan wanneer een voorwerp het licht tegenhoudt. De vorm en grootte van de schaduw hangen af van de lichtbron en de positie van het object.

• Kernschaduw: het donkere deel waar geen licht komt.
• Halfschaduw: het lichtere deel waar het licht slechts gedeeltelijk doordringt.

Bij de kernschaduw komt geen licht. Bij de halfschaduw schijnt een van de lampen nog wel op deze plek. De schaduw is hierdoor minder sterk.

Een kleine lichtbron geeft een scherpe schaduw, terwijl een grote lichtbron zachte, vage schaduwen maakt. Soms hebben schaduwen zelfs een kleur, bijvoorbeeld bij meerdere gekleurde lichtbronnen.

Oefenopgave

Een leerling zet een voorwerp dichter bij een lamp.

1. Wat gebeurt er met de grootte van de schaduw?
2. Wat gebeurt er met de scherpte van de schaduw?

Uitwerking

1. De schaduw wordt groter, want een groter deel van het voorwerp blokkeert het licht van de lamp.
2. De schaduw wordt minder scherp, want er is meer halfschaduw.

Soorten reflectie

Reflectie is het terugkaatsen van licht. Er zijn twee soorten reflectie:

• Spiegelende reflectie: licht weerkaatst netjes in één richting, zoals bij een spiegel.
• Diffuse reflectie: licht wordt in veel richtingen verstrooid, zoals bij een muur of papier. Hierdoor zie je jezelf ook niet in een reflectie op de muur. Het licht wordt niet terug gereflecteerd in je oog.

Oefenopgave

Een leerling schijnt met een zaklamp op een metalen lepel en daarna op een bladzijde uit een boek.

1. Welke soort reflectie treedt op bij de lepel?
2. Welke soort reflectie treedt op bij de bladzijde uit het boek?

Uitwerking

1. Een metalen lepel heeft een glad oppervlak, waardoor er spiegelende reflectie optreedt.
2. Een bladzijde uit een boek heeft een ruw oppervlak, waardoor het licht in verschillende richtingen wordt verstrooid; dit is diffuse reflectie.

De Spiegelwet

De spiegelwet beschrijft hoe licht wordt teruggekaatst door een glad oppervlak, zoals een spiegel. De regel is eenvoudig: de hoek van inval is gelijk aan de hoek van terugkaatsing. Daarbij liggen de invalstraal, normaal (de loodlijn op het spiegeloppervlak) en teruggekaatste straal altijd in hetzelfde vlak.

Een stoomtrein gezien door een warmtecamera.
Bron: Wikimedia Commons

Oefenopgave

Waarom kan een warmtecamera mensen zichtbaar maken in het donker?

Uitwerking

• Mensen zenden infraroodstraling uit doordat hun lichaam warm is.
• Een warmtecamera detecteert deze infrarode straling en zet die om in een zichtbaar beeld, ook zonder zichtbaar licht.

Ultraviolet (UV) licht heeft kortere golflengten dan violet en bevat meer energie. Het wordt gebruikt in zonnebanken, bij desinfectie in ziekenhuizen, waterzuivering en forensisch onderzoek. Ook wordt UV-licht gebruikt om speciale lijmen en kunststoffen hard te maken. In de natuur speelt UV een rol voor bijen (die zo nectar vinden) en bij mensen stimuleert het de aanmaak van vitamine D. Maar langdurige blootstelling kan schadelijk zijn: UV-straling kan leiden tot huidkanker en oogschade. Daarom is bescherming met zonnebrandcrème en een zonnebril belangrijk.

Oefenopgave

Waarom is het belangrijk om je huid te beschermen tegen UV-straling, zelfs als je de zon niet fel ziet schijnen?

Uitwerking

• UV-straling is onzichtbaar, maar kan wel door wolken heen komen.
• Ook zonder fel zonlicht kan UV-straling de huid beschadigen, waardoor bescherming met zonnebrandcrème nodig blijft.

Lenzen en het Oog: Bijziend en Verziend

Lenzen zijn optische instrumenten die lichtstralen buigen om beelden te vormen of te vergroten. Ze worden gebruikt in brillen, microscopen, camera’s en telescopen, en spelen ook in het menselijk oog een belangrijke rol.

Het menselijk oog werkt eigenlijk net als een camera. Het bevat een natuurlijke lens die licht bundelt en op het netvlies projecteert, zodat wij een scherp beeld zien.

• Een positieve lens (bolle lens) bundelt lichtstralen.
• Een negatieve lens (holle lens) spreidt lichtstralen.

Oogafwijkingen

Soms gaat dit proces mis, waardoor je wazig ziet. Twee veelvoorkomende oogafwijkingen zijn bijziendheid en verziendheid.

• Bijziendheid (myopie): je ziet dichtbij scherp, maar veraf wazig. Dit gebeurt wanneer het oog te lang is of de lens te sterk buigt, waardoor het beeld vóór het netvlies valt. Een negatieve lens (holle lens) corrigeert dit door het licht te spreiden.
• Verziendheid (hypermetropie): je ziet veraf scherp, maar dichtbij wazig. Dit komt doordat het oog te kort is of de lens te zwak is. Het beeld zou achter het netvlies vallen. Een positieve lens (bolle lens) corrigeert dit door het licht extra te bundelen.

Een oog met bijziendheid. Door een bril met een negatieve lens worden de lichtstralen genoeg afgebogen dat ze hierdoor uiteindelijk toch scherp op het netvlies vallen. Bron: Wikimedia Commons

Oefenopgave

Waarom ziet iemand met bijziendheid voorwerpen veraf wazig?

Uitwerking

• Bij bijziendheid wordt het licht te sterk gebundeld.
• Hierdoor valt het beeld vóór het netvlies in plaats van erop, waardoor verre voorwerpen onscherp worden gezien.

Construeren van lichtstralen

Bij een positieve lens kun je beeldvorming tekenen met drie hoofdstralen:

1. Een straal door het midden van de lens gaat recht door.
2. Een straal evenwijdig aan de hoofdas gaat na de lens door het brandpunt.
3. Een straal door het brandpunt vóór de lens gaat na de lens evenwijdig aan de hoofdas.

Het snijpunt van deze stralen geeft de plaats van het beeld. Dat beeld kan reëel zijn (zichtbaar op een scherm) of virtueel (alleen zichtbaar door de lens, zoals bij een vergrootglas).

In deze afbeelding zie je met drie lichtstralen hoe het beeld van de persoon is geconstrueerd volgens de bovengenoemde stappen.

Toepassingen

Het begrijpen van lenzen is erg belangrijk, niet alleen voor de natuurkunde, maar ook in ons dagelijks leven en in de techniek. Dankzij deze kennis kunnen we brillen en contactlenzen maken om oogafwijkingen te corrigeren. Ook wordt het toegepast in laseroogchirurgie, waarmee de vorm van het hoornvlies wordt aangepast om beter te zien.

Daarnaast maken we gebruik van lenzen in apparaten zoals camera’s, microscopen en telescopen. In een camera werkt de lens bijna hetzelfde als in het oog: door de lens te verplaatsen kan de camera scherpstellen op voorwerpen dichtbij of ver weg. Bij telescopen en microscopen zorgen lenzen er juist voor dat we dingen kunnen zien die normaal te klein of te ver weg zijn.

Kortom: zonder lenzen zouden we niet alleen slecht zicht kunnen corrigeren, maar ook veel minder van de wereld — en zelfs het heelal — kunnen ontdekken.