Valo-oppia. Haarto & Karhunen.

Transkriptio

1 Valo-oia Haarto & Karhue

2 Valo sähkömageettisia aaltoia Sähkömageettiste aaltoje teoria erustuu Maxwelli yhtälöihi S S E da 0 B da Q (Gaussi laki) 0 (Gaussi laki magetismissa) dφb E ds dt (Faraday laki) dψ B ds 0I 0 dt (Amere - Maxwelli laki) Nämä luovat myös erusta otiikalle

3 Sähkömageettisessa aallossa sähköketä voimakkuus E ja mageettivuo tiheys B värähtelevät toisiisa ähde kohtisuorassa tasossa Maxwelli yhtälöistä voidaa ratkaista esim. valo oeus tyhjiössä c E B 8 0 0, m/s Valo oeus voidaa esittää valo aalloituude λ ja taajuude f avulla c f

4 Sähkömageettise säteily sektri Erittäi laajoilla taajuude ja aalloituude alueilla Näkyvä valo o vai kaea kaista sektristä

5 Valo luoe Duaalimalli mukaisesti valo voidaa käsittää sekä sähkömageettiseksi säteilyksi että hiukkasiksi, fotoeiksi Aaltoje avulla voidaa selittää useimmat valo omiaisuudet Muutamissa ilmiöissä valo täytyy ajatella fotoeia. Tällöi fotoilla täytyy olla eergiaa. Fotoi eergia riiuu vastaava sähkömageettise aallo värähtely taajuudesta E h hf 6, Js (Placki vakio)

6 Esimerkki Laske uaise valo (λ = 700 m) ja violeti valo (λ = 400 m) fotoi eergia. c, v 8 h 6, m/s m m Js c f f E c hf 4,830, Hz J c f f E v v v c v hf v v 7,4950 4, Hz J

7 Geometrie otiikka Valo eteee suoraviivaisesti homogeeisessä väliaieessa vaihtaa suutaa kohdatessaa toise väliaiee ia vaihtaa suutaa edetessää eähomogeeisessä väliaieessa Valo eteemistä voidaa esittää aaltoritamilla säteillä

8 Fermati eriaate Valo kulkee kahde istee välillä reittiä, joka kulkemisee kuluva aika o lyhi Huygesi eriaate Jokaie aaltoritama iste o uude aaltoliikkee lähde, josta aallot leviävät kaikkii suutii aallo eteemisoeudella

9 Tasoaallo eteemie Palloaallo eteemie

10 Aaltoritama eteemie vedessä kaea rao läi

11 Valo eteemise esittämie säteillä Valo sädettä voidaa kuvata suoralla, joka o kohtisuorassa aaltoritamaa vastaa Aalto liikkuu valo sätee suutaa

12 Heijastumie Valo sätee kohdatessa kahde otise väliaiee rajaia osa rajaitaa tulevasta valosta heijastuu. Rajaitaa tuleva säde ja heijastuut säde muodostavat rajaia ormaali kassa yhtä suuret kulmat heijastumislaki ' tulokulma heijastuskulma '

13 Hajaheijastus iasta muodostuu, ku ita o eätasaie Heijastumie oudattaa jokaisessa ia isteessä heijastuslakia

14 Taittumie Ku valo säde kohtaa kahde läiäkyvä aiee rajaia, ii osa säteestä heijastuu ja osa taittuu toise väliaiee sisää. Tuleva säde, heijastuut säde ja taittuut säde ovat samassa tasossa.

15 Selli laki Taitekulma θ riiuu tulokulmasta θ ja väliaieide taitekertoimista ja, Tulo- ja taitekulmat ovat sätee ja rajaia ormaali välisiä kulmia Selli laki: si si Taitekertoimet riiuvat valo oeudesta väliaieessa c ja v c v

16 Taitekertoimia Aie Taitekerroi Ilma,0003 Vesi,33 Jää,3 Lasi,50,65 Akryyli,49

17 Esimerkki Raalla oleva okija katsoo vedessä (taitekerroi,33) olevaa kalaa. Jos kalasta lähtevä valo sätee tulokulma vede ja ilma rajaitaa o 36, ii kuika suuri o taitekulma ilmassa?,33(vesi),00 (ilma) 36 si si 5 si si

18 Taitekertoimet riiuvat valo oeudesta väliaieessa c ja v Myös aalloituudet riiuvat valo oeudesta väliaieessa v f Sillä eergia E = hf säilyy, jolloi taajuude o säilyttävä c f c v

19 Kokoaisheijastus Valo sätee tullessa otisesti tiheämmästä väliaieesta (suuremi taitekerroi) aieide rajaialle, ii riittävä suurilla tulokulma arvoilla valo heijastuu kokoaa. Pieitä tällaista tulokulmaa kutsutaa kokoaisheijastukse rajakulmaksi θ c sic si 90 si c Valokuidu toimita erustuu kokoaisheijastuksee

20 Esimerkki Valokuitu o lasia, joka taitekerroi o,65, ja heijastuskuori o myös lasia, mutta se taitekerroi o,50. Valokuidu halkaisija o,0 mm. Laske iei kaarevuussäde, joho valokuitu voidaa asetaa.,0 mm,50,65 d 58 si c c 0 mm si d R R d R d R R c

21 Disersio tarkoittaa valkoise valo hajottamista sektri väreihi, violetista uaisee Disersio taahtuu, koska taitekerroi o valo aalloituude fuktio

22 Taitekerroi o suuremi lyhyemmillä aalloituuksilla Sateekaari muodostuu disersio avulla vesiisaroissa

23 Absortio Valo kulkiessa väliaieessa osa siitä absorboituu siihe Absorboituva valo osuus riiuu väliaieesta ja siiä kuljetusta matkasta I o valo itesiteetti, joka yksikkö o W/m α o aiee absortiokerroi, joka yksikkö o /m x x I I I I x I I x I I e d d d d 0 0 0

24 Esimerkki Ku lasi aksuus o,0 mm, ii se absorboi 3,0 % se lääisevä valo itesiteetistä. Samasta lasimateriaalista valmistetaa ikkua, joka absorboi 8 % se lääisevä valo itesiteetistä. Kuika aksu lasi o? I I x 0,97I 0 0,9I 0 0,000 m I 0,97I 0,97 e l(0,97) l(0,97) x 0 x x I 0 e x 5,3 m - I l(0,9) 0,9I 0,9 e x 0 x I x 0 x l(0,9) 0,0055 m e

25 Valo olarisaatio muuttumie rajaiassa Valo olarisaatio tarkoittaa valoaallo sähköketä värähtelyä tietyssä suuassa. Valo sätee tullessa rajaitaa siitä osa heijastuu ja osa taittuu (tai absorboituu) Heijastuut ja taittuut osuus riiuu Tulokulmasta Taitekertoimista Tuleva valo olarisaatiosta

26 Valoaaltoje sähköketät eri olarisaatiotasoille heijastumise ja taittumise jälkee s st s sr t r E E E E E E E E cos cos cos cos cos cos cos cos cos cos cos cos cos cos

27 Brewsteri laki Heijastuut valo säde o täydellisesti olarisoituut tietyllä tulokulmalla, olarisaatiokulmalla θ Tällöi cos cos E r E 0 cos cos cos si si si cos si cos si cos 0 80 si cos 0 cos (tai 0 )

28 Heijastuut valo säde o täydellisesti olarisoituut, ku 90 Tällöi Brewsteri laki si si(90 ) ta cos

29 I eglish Reflect Refract Idex of refractio Agle of refractio Agle of icidece Poit of itersectio Short face suomeksi heijastua taittua taitekerroi taitekulma tulokulma leikkausiste lyhyt sivu