Licht reist in rechte lijnen: schaduwen

Bij een totale zonsverduistering bedekt het donkere midden van de maanschaduw vaak een strook van minder dan 50 mijl breed. De gedeeltelijke schaduw is daarentegen duizend mijl of meer breed.

Stralen: een eenvoudig model van licht

Zonlicht door een opening in de gordijnen vormt een bundel met rechte randen. Een zaklamp in mist geeft een rechte kegel. In materiaal dat overal hetzelfde is, reist licht in rechte lijnen. De optica tekent licht daarom als stralen: rechte lijnen met pijlen voor de bewegingsrichting. OpenStax noemt dit geometrische optica. Dit model werkt goed zolang de voorwerpen veel groter zijn dan de lichtgolflengte, die bij zichtbaar licht minder dan een micrometer is. Spiegels, lenzen, camera's en schaduwen vallen allemaal binnen dat bereik.

We zien een lamp doordat lichtstralen ervan onze ogen binnenkomen. We zien een boek doordat lamplicht het boek raakt, in alle richtingen wordt teruggekaatst en deels onze ogen bereikt. Onze ogen en hersenen nemen vervolgens aan dat het licht in een rechte lijn kwam en plaatsen het voorwerp terug langs die lijn. Meestal klopt deze aanname. Als zij niet klopt, bijvoorbeeld doordat licht aan het wateroppervlak afbuigt, zien we dingen op een plaats waar ze niet zijn. Daarover gaat een latere les.

Gaatjescamera en omgekeerde beelden

Een doos met een klein gaatje aan één kant en een scherm aan de andere maakt zonder lens een beeld. Een straal van een boomtop kan het scherm alleen via het gaatje bereiken en belandt dus onderaan. Een straal van de boomvoet komt bovenaan. Het beeld staat omgekeerd. Gelijkvormige driehoeken geven: beeldhoogte ÷ voorwerphoogte = doosdiepte ÷ voorwerpsafstand. Een boom van 10 m op 20 m afstand bij een doosdiepte van 10 cm geeft 10 × 0.1 ÷ 20 = 0.05 m, dus 5 cm beeldhoogte. Volgens OpenStax gebruikte onder anderen Kamal al-Din al-Farisi begin jaren 1300 zulke verduisterde kamers, camera obscura's, bij lichtonderzoek.

Scherpe en zachte schaduwen

Een schaduw is het gebied achter een ondoorzichtig voorwerp dat licht niet langs een rechte lijn kan bereiken. Bij een heel kleine lichtbron, een puntbron, is elke plaats volledig verlicht of volledig donker. De schaduwrand is scherp. De grootte volgt opnieuw uit gelijkvormige driehoeken. Een bal van 4 cm op 20 cm van een puntlamp geeft op een scherm op 50 cm een schaduw van 4 × 50 ÷ 20 = 10 cm. Beweeg je de bal naar de lamp toe, dan wordt de schaduw groter. Beweeg je hem naar het scherm toe, dan nadert de schaduw de grootte van de bal.

De meeste echte lampen zijn geen punten. Bij een lamp met enige omvang zien sommige schermplaatsen helemaal niets van de lamp en andere slechts een deel. Het volledig donkere midden heet kernschaduw. Daaromheen ligt de lichtere bijschaduw, waar een deel van de lamp zichtbaar blijft. Rechte lijnen van de lampranden langs de voorwerpranden geven de grenzen. Een grotere lamp en een verder scherm geven meer bijschaduw en minder kernschaduw. Bij een voldoende grote lamp verdwijnt de kernschaduw helemaal en is de hele schaduw zacht.

Verduisteringen: schaduwen in de ruimte

De zon is een grote lichtbron. Daarom werpen zowel de maan als de aarde schaduwen met een kernschaduw en een bijschaduw. Volgens NASA zien waarnemers bij een zonsverduistering in de kleine kernschaduw dat de zon volledig bedekt is: een totale verduistering. In de veel grotere bijschaduw zien ze slechts een deel bedekt. Verder van de maan wordt de kernschaduw smaller. Bij de aarde bedekt zij daardoor maar een klein gebied: NASA noemt een gebruikelijke strook van minder dan 50 mijl breed, tegenover duizend mijl of meer voor de bijschaduw. Bij een maansverduistering gaat de maan juist door de schaduw van de aarde. Een deel van het zonlicht wordt door de aardatmosfeer gebogen en bereikt de maan nog, vooral rood licht. Daardoor krijgt de verduisterde maan haar roodachtige kleur.