Valo, valonsäde, väri

Transkriptio

1 Kokeellista fysiikkaa luokanopettajille Ari Hämäläinen kevät 2005 Valo, valonsäde, väri Näkeminen, valonlähteet Pimeässä ei ole valoa, eikä pimeässä näe. Näkeminen perustuu esineiden lähettämään valoon, joka osuu silmään ja saa aikaan näköaistimuksen. Jotta esineen voisi nähdä, sen täytyy lähettää valoa. Jotkut esineet, kuten aurinko, lamput ja kynttilät, tuottavat itse valoa. Tällaiset esineet näkyvät, vaikka muuten olisi pimeää. Useimmat esineet eivät kuitenkaan tuota valoa itse, vaan ne lähettävät edelleen niihin osuvaa valoa. Tällaiset esineet näkyvät vain, jos jostain muualta tuleva valo osuu niihin. Valo voi olla heikkoa tai voimakasta; valolla tai tarkemmin sanottuna valaistuksella on siis voimakkuus. Lampun tai muun vastaavan valonlähteen aikaansaaman valaistuksen voimakkuus riippuu siitä, kuinka kaukana valonlähde on. Laserosoittimen valo on punaista. Liikennevalot näyttävät vuorotellen punaista, keltaista ja vihreää. Tietokoneen kuvaruutu voi lähettää hyvin monen väristä valoa, riippuen siitä mitä ruudulla esitetään. Valolla on siis väri, joka on valon toinen havaittava ominaisuus voimakkuuden lisäksi. Esineilläkin on väri. Kuitenkin esine voi valaistuksen väristä riippuen näyttää eri väriseltä. Vihreä metsä näyttää oranssilta, kun siihen osuu laskevan auringon oranssi valo. Teatterin tai rock-yhtyeen värivaloilla saadaan esimerkiksi ihmiskasvot näyttämään melkein minkä värisiltä tahansa. Esineen todellisena värinä pidetään yleensä sitä, miltä esine näyttää keskipäivän auringonvalossa, tai auringonvaloa muistuttavien lamppujen valossa.

2 Heijastuminen, valon sädemalli Valo heijastuu esimerkiksi sileistä metalli- ja lasipinnoista ja veden pinnasta. Heijastuksessa valo selvästi muuttaa suuntaa. Tätä voidaan tutkia tarkemmin valonlähteellä, josta saadaan yksi tai useampia kapeita "valoviiruja" eli valonsäteitä. Optiikan opetusvälinesarjoihin kuuluu yleensä jonkinlainen "sädelaatikko", jonka säteet saadaan näkyviin pöydän pinnalla. Myös laserosoitinta voi käyttää, mutta sen säde on niin kapea että se ei oikein näy pöydällä. Kokeilemalla heijastusta sileästä peilipinnasta havaitaan, että valonsäteen heijastuskulma on yhtä suuri kuin säteen tulokulma (kuvat 1 ja 2). Jos heijastava pinta on rosoinen, heijastunut valonsäde hajoaa, joten silloin heijastuskulmaa ei voi mitata. kuva 1. kuva 2. Taittuminen Kokeillaan heijastumista läpinäkyvästä muovikappaleesta. Havaitaan että nytkin osa valosta heijastuu, mutta osa valosta menee läpi pinnasta kappaleen sisään (kuva 3). Havaitaan myös että valonsäde muuttaa suuntaansa myös läpäistessään rajapinnan. Tätä ilmiötä sanotaan valon taittumiseksi. Havaitaan myös että valo taittuu uudelleen tullessaan muovista ulos. Kun tulokulmaa muutellaan, havaitaan että valon tullessa ilmasta muoviin taitekulma on aina pienempi kuin tulokulma. Valon tullessa muovista ilmaan, taitekulma on aina suurempi kuin tulokulma. Lasi ja vesi taittavat valoa samalla tavalla kuin muovi. kuva 3. Missä suunnassa esine näkyy? Edellä olevissa kokeissa on havaittu, että ellei valonsäde heijastu tai taitu jossain pinnassa, säde kulkee suoraviivaisesti. Toisaalta näkeminen perustuu valoon; esineestä lähtevät valonsäteet osuvat silmään. Jos valonsäde ei muuta suuntaansa matkallaan esineestä silmään, esine näkyy siinä

3 suunnassa missä esine todellisuudessakin on. Mutta jos valonsäteen suunta muuttuu, esinekin näyttää olevan eri suunnassa kuin todellisuudessa. Peilin avulla voidaan nähdä kulman taakse. Esine näyttää olevan peilin takana (kuva 4). Vinosti veden pinnan läpi katsottaessa vesi näyttää todellista matalammalta, ja veden alla olevat kivet näyttävät olevan lähempänä pintaa kuin ne todellisuudessa ovat (kuva 5). kuva 4. kuva 5. Valon hajottaminen väreihin Aikaisemmin on todettu värin olevan valon yksi havaittava ominaisuus. Tarkastellaan seuraavassa värejä tarkemmin. Jos valkoinen valo, kuten auringon tai hehkulampun valo, johdetaan poikkileikkaukseltaan kolmion muotoisen lasikappleen läpi, valo taittuu sekä mennessään lasiin että tullessaan lasista pois. Paitsi että valonsäteen suunta muuttuu, tapahtuu muutakin: valonsäde muuttuu eriväristen valojen viuhkaksi, eli spektriksi. (Todellisuudessa eri värien rajat eivät ole jyrkkiä kuten kuvassa 6, vaan värit muuttuvat toisikseen liukuvasti.) kuva 6. Kokeillaan, mitä laserosoittimen valolle tapahtuu prismassa. Havaitaan, että tämä valo ei muuta prismassa väriään. Voidaan myös erottaa valkoisesta valosta saadusta spektristä kapea, mahdollisimman yksivärinen osa, ja johtaa se toisen prisman läpi. Havaitaan että tämäkään valo ei muuta enää väriään. Ilmiössä ei siis ilmeisesti ole kyse siitä, että prisma jotenkin värjäisi valoa, koska kaikki valot eivät muuta väriään. Parempi selitys on, että valkoinen valo sisältää kaikki ne värit jotka spektrissä näkyvät, ja taittuminen prismassa erottelee nämä värit toisistaan. Valo, jota ei voida hajottaa väreihin (kuten laservalo) sisältää vain yhtä väriä.

4 Prisman lisäksi on toinenkin laite, hila, joka hajottaa valkoisen valon väreiksi. Hilassa on tiheässä kapeita rakoja, joista valo joko pääsee läpi (läpäisyhila) tai heijastuu (heijastushila). Tavallinen CDlevy toimii heijastushilana; tästä syystä CD-levyn pinnasta heijastuneessa valossa näkyy spektrin värejä. Linssit, peilit ja kuvat Linssin läpi näkyvä kuva Silmälaseissa on linssit, suurennuslasissa on linssi, samoin kamerassa, piirtoheittimessä ja diaprojektorissa. Silmälasien ja suurennuslasin linssien läpi katsellaan, ja on selvää että linssi vaikuttaa siihen miltä ympäristö linssin näyttää linssin läpi katseltuna. Suurennuslasi näyttää lähellä olevat esineet suurennettuna, kaukana olevat esineet taas näkyvät ylösalaisin. Joillain silmän, linssin ja esineen etäisyyksillä suurennuslasin antama kuva on epäterävä. Likinäköisen henkilön silmälasit näyttävät kaiken pienennettynä. Suurennuslasin linssi on keskeltä paksumpi kuin reunoilta. Se on kupera linssi. Likinäköisen silmälasin linssit ovat keskeltä ohuemmat kuin reunalta, tosin tämä voi olla vaikea havaita jos silmälasit eivät ole kovin vahvat. Keskeltä ohuempi linssi on kovera linssi. Linssin kyky suurentaa, pienentää tai kääntää ympäri lävitseen näkyvä kuva on ymmärrettävissä valon taittumisen avulla. Tarkastellaan kuperan linssin "viipaletta" sädelaatikon avulla. Todetaan, että linssi taittaa valonsäteitä reunoilta keskelle päin, ja sitä enemmän mitä kauempaa linssin keskustasta säde kulkee. Kuvan tapauksessa linssiiin tulevat säteet ovat yhdensuuntaisia, linssin läpi kuljettuaan säteet leikkaavat samassa pisteessä. Säteiden taittuminen tällä tavalla on ymmärrettävissä, kun huomataan linssin viipaleen olevan ikään kuin pino prismoja, jotka keskeltä reunolle mentäessä muuttuvat enemmän taittaviksi. Linssin keskipisteen läpi menevä säde ei muuta suuntaansa lainkaan. kuva 1. kuva 2. Tarkastellaan vielä sädelaatikon avulla.koveran linssin "viipaletta". Todetaan, että tämä linssi taittaa valonsäteitä keskeltä reunoille päin. Linssin läpi kulkeneet säteet eivät leikkaa.

5 kuva 3. Alla oleva kuva selittää suurennuslasin toimintaa. Esineen jokainen piste lähettää valoa, joka taittuu linssissä. Linssin läpi katsottaessa säteet näyttävät tulevan esineen kuvasta, joka on suurempi kuin todellinen esine. Peilissä näkyvä kuva kuva 4. Tavallisessa tasopeilissä näkyvä esineen kuva on samoin päin ja saman kokoinen kuin esine.. Keskeltä "kuopalla" olevasta koverasta peilistä esineen kuva on joko suurennettu ja oikein päin, jos esine on lähellä. Kaukana olevan esineen kuva on ylösalaisin. Keskeltä koholla olevasta kuperasta peilistä näkyvä kuva on aina pienennetty ja oikein päin. Peili voi olla yhteen suuntaan suora ja toiseen suuntaan kupera tai kovera. Esimerkiksi kiiltävän metalliputken pinta on sylinteripeili. Jos sylinteripeili on pystyssä, sen näyttämä kuva on pystysuunnassa esineen kokoinen, mutta vaakasuunnassa voimakkaasti pienennetty. Tällainen peili siis näyttää laihduttavan!

6 Varjostimelle syntyvä kuva Pidetään kuperaa linssiä jonkun matkan päässä tasaisesta, vaalesta pinnasta niin, että linssiin lankeaa ikkunasta, lampusta tms. tuleva valo. Kun muutetaan linssin ja varjostimen etäisyyttä. havaitaan että tietyllä etäisyydellä varjostimella näkyy valonlähteen ylösalaisin oleva kuva. Tällä periaatteella toimii myös ihmisen silmä (jossa kuva syntyy valonherkälle verkkokalvolle) ja kamera (jossa kuva syntyy filmille, tai digi- ja videokameroiden tapauksessa kuvakennolle). Kuvan muodostuminen varjostimelle on ymmärrettävissä kuvan 4 pohjalta: kun esine on tarpeeksi kaukana, sen tietystä pisteestä lähtevät valonsäteet taittuvat kaikki yhteen pisteeseen. Jos tämä piste on varjostimella, siinä näkyy tuon esineen pisteen kuva. kuva 5a. kuva 5b. Kokeiltaessa edelleen havaitaan, että erilaisia kuperia linssejä on pidettävä eri etäisyydellä varjostimesta, jotta kuva syntyisi. Tällöin myös saadaan eri kokoisia kuvia. Vielä havaitaan, että lähellä ja kukana eri etäisyyksillä olevista valonlähteistä ei saada yhtä aikaa terävää kuvaa, vaan lähellä olevan valonlähteen kuvaa varten linssiä on siirrettävä kauemmaksi varjostimesta. Tätä säätämista kutsutaan tarkentamiseksi. Ihmisen silmäkään ei näe terävänä yhtä aikaa hyvin lähellä ja kaukana olevia esineitä, vaan silmä tarkentuu kohteen etäisyydelle. Samoin kamera on tarkennettava kuvan ottoa varten, että filmille syntyvä kuva olisi terävä. Monet nykykamerat tekevät tämän automaattisesti (autofokus). Kuperan linssin polttoväli on se linssin ja varjostimen etäisyys, jolla linssi muodostaa terävän kuvan "äärettömän" kaukana olevasta esineestä. Edellisissä esimerkeissä esine on kuvaa kauempana, ja kuva on esinettä pienempi. Mutta yhtä hyvin voi olla toisinpäin: esine on lähempänä linssiä kuin kuva, ja kuva on esinettä suurempi. Näin tapahtuu esimerkiksi diaprojektorissa, jossa diakuva on esine. Kokeillaan, saadaanko koveralla linssillä syntymään kuvaa varjostimelle. Se ei onnistu. Tämä selittyy sillä, että kovera linssi ei kokoa esineen pisteestä lähteneitä, linssin läpi kulkeneita säteitä yhteen pisteeseen, vaan säteet hajoavat.

7 Neulanreikäkamera Monelle kurssilaiselle lienee koulussa opetettu menetelmä, jolla linssin tai peilin muodostaman kuvan paikka, suurennus ja laatu (todellinen varjostimella syntyvä kuva, vai pelkästään silmällä näkyvä valekuva) voidaan selvittää piirtämällä, kun tunnetaan esineen etäisyys ja polttoväli. Esineeksi piirretään nuoli, jonka pyrstö on pääakselililla. Piirretään vähintään kaksi kolmesta nuolen kärjestä lähtevästä säteestä, jotka esimerkiksi kuperan linssin tapauksessa ovat: - pääakselin suuntainen säde, joka taittuu linssin takana olevan polttopisteen kautta - linssin keskipisteen läpi kulkeva säde, joka ei muuta suuntaansa - linssin edessä olevan polttopisteen kautta kulkeva säde, joka taittuu pääakselin suuntaiseksi kuva 6. Jos todelliset säteet linssin/peilin kautta kuljettuaan leikkaavat jossain pisteessä, siihen pisteeseen tulee todellinen kuva, jonka saa varjostimelle. Jos taas säteet linssin/peilin kautta kuljettuaan hajaantuvat, ja vain niiden jatkeet leikkaavat, tuossa leikkauspisteessä on valekuva, jota voi katsoa silmällä mutta jota ei saa varjostimelle. Menetelmä on kovin kaavamainen, eikä sellaisenaan edistä kvalitatatiivista ymmärrystä siitä miten kuvanmuodostus todella tapahtuu. Mutta jos ymmärrys on olemassa, silloin menetelmää tietysti voidaan käyttää. Sen soveltamiseen on olemassa mainio javakielellä toteutettu simulaatio. Neulanreikäkamera voidaan valmistaa mistä tahansa valontiiviistä purkista, jonka toiseen päähän tehdään pieni pyöreä reikä, ja toinen pää varustetaan läpinäkyvällä varjostimella (muovikassin kalvoa, leivinpaperia...). Huoneessa, jossa on yksi voimakas valonlähde, nähdään valonlähteen kuva varjostimella. Kuva 7 selittää neulanreikäkameran toiminnan: tietyn esineen pisteen säteilemästä valosta pääsee purkin sisään vain se säde, joka kulkee reiän kautta. Varjostimella näkyvä kuva on sangen himmeä, koska valoa pääsee reiän läpi hyvin vähän. Jos reikää suurennetaan, kuva kirkastuu, mutta muuttuu samalla epäterävämmäksi.

8 kuva 7. Teleskooppi Katsotaan peräkkäin kahdesta kuperasta linssistä. Silmää lähellä olevan linssin eli okulaarin pitää olla lyhytpolttovälinen, kauempana olevan linssin eli objektiivin pitää olla pitkäpolttovälinen. Linssien välimatkan täytyy olla hieman pitempi kuin niiden polttovälien summa. Tällöin linssien läpi nähdään kohteen ylösalaisin oleva kuva. Se on sitä suurempi, mitä suurempi on objektiivin polttovälin suhde okulaarin polttoväliin. Objektiivi muodostaa kohteesta kuvan okulaarin eteen, joka toimii kuin suurennuslasi. kuva 8.