Valo, laser ja optiikka -havaintovälineistö
Pakkauksen sisältö 1 punainen laservalorasia, 635 nm, <1 mw 1 vihreä laservalorasia, 532 nm, <1 mw 1 LED-valorasiasarja (punainen, vihreä, sininen) 1 valkoinen LED-valo 1 sarja huurrelasilinssejä (3 kpl) 10 astelevyä 10 hilaa, 500 viivaa/mm 3 peiliä 3 peilinpidikettä 1 pussi nallekarkkeja, punaisia, vihreitä ja värittömiä 1 injektioruisku 1 opaskirja Oppitunnit, kohderyhmä ja kesto OPPITUNNIN NIMI LUOKKA-ASTE KESTO Monokromaattinen valo 5 11 30 minuuttia Kollimoitu valo 5 11 20 30 minuuttia Koherentti valo 5 11 20 30 minuuttia Absorptio ja nallekarkit 10 11 45 60 minuuttia Lasermikroskooppi 2 11 30 minuuttia Heijastuminen ja taittuminen 5 7 45 60 minuuttia Värien erottelu ja sekoittuminen 2 5 45 60 minuuttia Laserin aallonpituuden mittaaminen 10 11 45 60 minuuttia Hiuksen leveyden mittaaminen laserilla 10 11 45 60 minuuttia
1. oppitunti : monokromaattinen valo Tiivistelmä Vertaamalla valkoisen valon spektriä värillisen LED-valon ja laservalon spektreihin oppilaat huomaavat, että laserin lähettämä valo on yksiväristä ja koostuu vain yhdestä valon aallonpituudesta (väristä). Kesto 30 min Luokka-asteet 5 11 Välineet punainen, vihreä ja sininen LEDvalorasia ja rakosuojat yksi punainen ja yksi vihreä laservalorasia erilaisia valkoisen valon lähteitä (LED, taskulamppu, luokkahuoneen valot) 10 hilaa Valmistelut 1. Aseta valorasiat huoneen etuosaan luokkaan päin niin, että oppilaat näkevät valon, kun kytket niihin virran (myöhemmin). 2. Suuntaa laserien valo oppilaista POISPÄIN niin, että se osuu tyhjään seinään, kun kytket niihin virran (myöhemmin). 3. Jaa kullekin oppilaalle hila. Alustus ja tausta Kysy oppilailta: Millä tavoin laservalo eroaa muusta valosta? Mikä tekee laserista laserin? Älä kommentoi tai korjaa vastauksia, vaan kirjoita ne taululle ja jätä näkyviin tunnin ajaksi. Jos tarkoitus on käsitellä asiaa vielä toisella kertaa, kirjaa vastaukset myös paperille. Alusta aihe kertomalla oppilaille, että tällä kertaa tutkitaan yhtä laservalon ominaisuutta. Älä kerro heille, mikä se on. Tarkoitus on selvittää, pystyvätkö oppilaat nimeämään ominaisuuden tutkittuaan ja havainnoituaan asiaa.
Tutkiminen ja havainnointi 1. Muistuta oppilaiden mieliin, että valkoinen valo koostuu kaikista valon aallonpituuksista ihmissilmä näkee valon valkoisena, kun valon eri aallonpituudet sekoittuvat toisiinsa. 2. Esittele oppilaille hila. Selitä, että hila erottelee valon eri aallonpituudet niin, että sen läpi katsomalla näemme spektrin. Näin on mahdollista erottaa tarkastelemamme valon kaikki aallonpituudet. 3. Näytä oppilaille, miten hilaa käytetään: nosta hila toisen silmän eteen ja katso kohti valonlähdettä (ÄLÄ KOSKAAN katso suoraan kohti aurinkoa tai mitään laseria). Katso nyt sivuun, jolloin voit tarkastella spektriä. 4. Pyydä oppilaita harjoittelemaan hilan käyttöä katsomalla luokkahuoneessa olevia valkoisen valon lähteitä: loisteputkia, hehkulamppuja, taskulamppua. 5. Pyydä oppilaita kertomaan, mitä he näkevät: sateenkaaren. Kysy, mitä värejä he näkevät ja missä järjestyksessä. Kysy, ovatko värit aina samassa järjestyksessä siitä riippumatta, mitä valonlähdettä katsotaan, vai vaihteleeko järjestys. Varmista, että kaikki päättelevät violetin olevan aina lähimpänä valon lähdettä. 6. Kerro nyt, että seuraavaksi tarkastellaan eriväristen LED-valojen spektrejä. Kytke LEDvalorasioihin virta ja huomauta oppilaille, että ne lähettävät punaista, vihreää ja sinistä valoa. 7. Pyydä oppilaita ennustamaan, mitä näkyy, kun he katsovat LED-valoa/valorasiaa hilan läpi. Näkyykö spektri? Vai vain yhtä väriä? Onko LED-valossa useita aallonpituuksia kuten valkoisessa valossa vai vain yhtä? Pyydä yhtä oppilasta perustelemaan, miksi hän arvelee näkevänsä spektrin. Pyydä jotakuta toista perustelemaan, miksi hän EI arvele näkevänsä spektriä. 8. Älä kommentoi tai korjaa vastauksia, vaan pyydä kaikkia katsomaan hilan läpi, miltä punaisen, vihreän ja sinisen LED-valorasian valo näyttää. Oppilaiden on ehkä siirryttävä lähemmäksi, jotta he näkisivät kunnolla. 9. Pyydä oppilaita kertomaan, mitä he näkevät. Selitä, että myös punainen, vihreä ja sininen LED-valo sisältävät kukin oman värispektrinsä. 10. Pyydä oppilaita ennustamaan, mitä näkyy, kun he katsovat vihreää ja punaista laservaloa hilan läpi. Pyydä heitä perustelemaan vastauksensa. 11. Kytke lasereihin virta. Pidä huoli, että valo osoittaa oppilaista POISPÄIN kohti tyhjää seinää. 12. Painota, ettei kenenkään tule KOSKAAN eikä missään tilanteessa katsoa suoraan laservaloon. 13. Kerro, että nyt valo ohjataan kulkemaan hilan läpi, jolloin voidaan havainnoida laservalon spektriä. 14. Aseta kummankin laserin eteen hila ja anna oppilaiden todeta, että hila erottelee laservalon, mutta tuloksena on vain yksi väri. 15. Pyydä oppilaita kertomaan, mistä tämä mahdollisesti johtuu. 16. Kysy: Mikä siis on se erityinen laservalon ominaisuus, jota olemme tänään tutkineet? YKSIVÄRINEN, YHTÄ AALLONPITUUTTA eli MONOKROMAATTINEN!
2. oppitunti: kollimoitu valo Tiivistelmä Vertaamalla LED-valoa laservaloon oppilaat havaitsevat, että laservalo on kollimoitua (se etenee samansuuntaisina säteinä). Kesto 20 30 min Luokka-asteet 5 11 Välineet vihreä laservalorasia punainen laservalorasia vihreä LED-valorasia, jonka rakosuoja on poistettu punainen LED-valorasia, jonka rakosuoja on poistettu viivoitin tavallista valkoista paperia Alustus ja tausta Kerro oppilaille, että tänään havainnoidaan yhtä laservalon perusominaisuutta, jonka johdosta laser on paljon voimakkaampi ja vaarallisempi kuin heille tutut muut valonlähteet. Asia on näin, vaikka laservalo on hyvin pienitehoista, kuten esimerkiksi havaintovälineinä käytettävät laservalorasiat. Laservalo on kollimoitua eli sen säteet ovat keskenään samansuuntaisia. Tavallinen valo poikkeaa laservalosta sikäli, että sen säteet leviävät eri suuntiin sen edetessä. Oppitunnin aikana selvitetään, miten kollimaatio vaikuttaa. Valmistelut 1. Jaa oppilaat viiteen ryhmään. 2. Anna kullekin ryhmälle yksi valonlähde (joko LED-valorasia tai laservalorasia), viivoitin ja paperiarkki. 3. Sillä aikaa kun oppilaat keräävät tietoa, piirrä liitu-, valko- tai paperitaululle seuraava taulukko.
Tutkiminen ja havainnointi 1. Kerro, että tarkoituksena on mitata, minkä kokoisen valaistun alueen kunkin ryhmän valonlähde saa aikaan kolmelta etäisyydeltä: 2,5 cm:n, 7,5 cm:n ja 15 cm:n. 2. Pyydä oppilaita kertaamaan seuraavien pintaalojen kaavat: a. suorakaide A = kanta x korkeus. b. ympyrä: tai c. ellipsi: A = Pi * A * B 3. Pyydä oppilaita suuntaamaan valonlähteen valo valkoiselle paperille 2,5 cm:n, 7,5 cm:n ja 15 cm:n etäisyydeltä ja laskemaan valaistun alueen pinta-ala kussakin tapauksessa. 4. Pyydä yhtä oppilasta kustakin ryhmästä kirjoittamaan ryhmän tulokset taulukkoon. 5. Kysy: Mitä tästä voi havaita? Millä tavoin laservalo eroaa LED-valosta? Se on kollimoitua!
Oppilaiden tiedonkeruulomake Punainen LED Valonlähde Etäisyys Pinta -ala 2,5 cm Vihreä LED 2,5 cm Sininen LED 2,5 cm Vihreä laser 2,5 cm Punainen laser 2,5 cm Punainen LED 7,5 cm Vihreä LED 7,5 cm Sininen LED 7,5 cm Vihreä laser 7,5 cm Punainen laser 7,5 cm Punainen LED 15 cm Vihreä LED 15 cm Sininen LED 15 cm Punainen laser 15 cm Vihreä LED 15 cm
3. oppitunti: koherentti valo Tiivistelmä Vertaamalla LED-valoa laservaloon oppilaat havaitsevat, että laservalo on koherenttia (samanvaiheista). Kesto 20-30 min Luokka-asteet 5-11 Välineet vihreä laservalorasia punainen laservalorasia vihreä LED-valorasia, jonka rakosuoja on poistettu punainen LED-valorasia, jonka rakosuoja on poistettu tavallista valkoista paperia Valmistelut 1. Jaa oppilaat neljään ryhmään. 2. Anna kullekin ryhmälle yksi valonlähde (joko LED-valorasia tai laservalorasia), viivoitin ja paperiarkki. Alustus ja tausta Laservalo on samanvaiheista eli koherenttia. Toisin sanoen sen aallot etenevät samaa tahtia. Tämä tarkoittaa, että kaikkien valoaaltojen harjat ja pohjat ovat samalla kohtaa. Havainnollista asiaa piirtämällä taululle kaavio.
Tutkiminen ja havainnointi 1. Pyydä ryhmiä asettamaan valonlähde hyvin lähelle paperia pieneen kulmaan ja tarkkailemaan, mitä näkyy. Pyydä ryhmän jäseniä keskustelemaan näkemästään, kunnes he ovat yhtä mieltä, ja kirjoittamaan havaintonsa muistiin. 2. Anna ryhmien vaihtaa valonlähteitä keskenään niin, että kukin saa nyt erilaisen lähteen kuin äsken (LED-valon tai laservalon). Pyydä ryhmiä toistamaan 1. vaihe eri valonlähteellä ja vertaamaan tuloksia. 3. Laservaloa käyttävien ryhmien tulisi havaita täpläkuvio, LED-valoa käyttävien taas ei tulisi havaita sitä. Oppilaat voivat tarvita apua tai heidän on ehkä vaihdeltava erityyppisiä valonlähteitä muutama kerta, ennen kuin eron voi havaita selvästi. 4. Selitä, että valo etenee aaltoina. Kun aallot etenevät samassa vaiheessa (koherentisti), ne vaikuttavat toisiinsa tietyllä tavalla eli interferoivat. Koherentit aallot voivat joko vaimentaa toisiaan (heikentävä interferenssi) tai vahvistaa toisiaan (vahvistava interferenssi). 5. Interferenssin takia koherentti laservalo synnyttää kuvion, jossa on erittäin pieniä valoisia ja tummia läikkiä. LED-valo ei synnytä samanlaista kuviota, koska se ei ole koherenttia.
4. oppitunti: absorptio, läpäisy ja heijastuminen Oppitunnin pohjana on perusprosessia selittävä video: http://www.youtube.com/watch?v=dthukdm_wtk Tiivistelmä Nallekarkit sopivat ehkä hieman yllättäen oivallisesti havainnollistamaan niitä abstrakteja käsitteitä, jotka ilmentävät valon ja aineen keskeisimpiä vuorovaikutuksia: absorptiota, läpäisyä ja heijastumista. Kesto 45-60 min Luokka-asteet 10-11 Tarvikkeet vihreä laservalorasia punainen laservalorasia valkoinen LED-valo 3 punaista nallekarkkia 3 vihreää nallekarkkia 3 väritöntä nallekarkkia 1 arkki tavallista valkoista paperia 1 arkki vahapaperia 1 piirtoheitinkalvo tai kirkas muovipussi Alustus ja tausta Oppilaat luulevat usein erheellisesti, että väri on aineen ominaisuus. Tästä seuraa monenlaista sekaannusta. Esimerkiksi silloin, kun valkoinen valo kulkee vihreän esineen läpi niin, että paperille heittyy vihreä kajastus, oppilaat saattavat ajatella, että esine on lisännyt väriä valoon, joka muutoin on kirkasta ja luonnollista. Vaikka asian selittäisi montakin kertaa, oppilaiden on vaikea käsittää, että heidän silmissään punaiselta näyttävä esine itse asiassa absorboi suurimman osan valkoisen valon sisältämistä aallonpituuksista ja heijastaa ainoastaan sen aallonpituuden, jonka me näemme punaisena. Se, mitä he näkevät, on silmiin tuleva punainen valo.
Laservalo on monokromaattista (siinä on vain yhtä väriä tai aallonpituutta), ja kun se osuu johonkin pintaan, se absorboituu, jolloin valoenergia muuttuu lämmöksi, tai se heijastuu pinnasta tai läpäisee sen. Oppilaat ovat useimmiten nähneet vain valkoista valoa, joka koostuu useista väreistä tai aallonpituuksista. Kun valkoinen valo osuu esineeseen, esine absorboi, heijastaa tai päästää valikoivasti lävitseen tietyt aallonpituudet. Se, miten valo ja esine käyttäytyvät keskenään, riippuu valon aallonpituudesta/-pituuksista ja esineen atomien luonteesta. Aine absorboi ne valon taajuudet, jotka vastaavat aineen atomeissa olevien elektronien värähtelytaajuutta. Koska eri aineiden atomeissa on eri taajuuksilla värähteleviä elektroneja, ne absorboivat eri taajuisia valoja. Kun ymmärtää tämän, käsittää myös, että aineen paksuus ei vaikuta siihen, läpäiseekö valo sen vai ei. Se valo, jota esine ei absorboi, joko heijastuu siitä tai kulkee sen läpi. Värien näkeminen perustuu suurelta osin siihen, miten valo ja materia toimivat keskenään. Siten itse esineessä ei ole väriä. Väriä on vain valossa, joka kohtaa esineen ja sitä kautta heijastuu silmiimme. Seuraava käytännön koe auttaa oppilaita käsittämään tämän ilmiön intuitiivisesti niin, että väärinkäsitys korjaantuu. Demonstraatio 1. Suuntaa valkoinen LED-valo oppilaisiin päin ja muistuta, että valkoinen valo koostuu monista ( kaikista ) valon aallonpituuksista tai taajuuksista. Selitä, että LED on valonlähde ja että he näkevät suoraan LEDin lähettämän valon. 2. Kysy: Mitä tapahtuu, kun valkoinen valo joutuu tekemisiin jonkin kanssa? 3. Suuntaa LED valkoiseen paperiin niin, että oppilaat näkevät sen, ja kysy: Mitä valolle tapahtuu? 4. Toista sama demonstraatio vahapaperin ja piirtoheitinkalvon/muovipussin avulla. 5. Keskustelkaa käsitteistä läpäiseminen, heijastuminen ja absorptio.
Valmistelut Jaa oppilaat kolmeen ryhmään ja anna kullekin ryhmälle yksi tiedonkeruulomake. Järjestä luokkaan kolme työpistettä. Kussakin on valonlähde (vihreä tai punainen laservalorasia tai valkoinen LED), valkoinen paperiarkki ja kolme nallekarkkia (vihreä, punainen ja väritön). Tutkiminen ja havainnointi 1. Kertaa oppilaiden kanssa laserin turvallisuussäännöt. 2. Kerro, että tehtävänä on havainnoida, miten erilaiset valonlähteet toimivat eri materiaalien eli kolmen erivärisen nallekarkin kanssa, ja kirjoittaa havainnot muistiin. 3. Pyydä oppilaita suuntaamaan kunkin valonlähteen valo kuhunkin nallekarkkiin ja kirjaamaan havaintonsa muistiin. Erityisesti heidän tulee tarkkailla, läpäiseekö valo nallekarkin, heijastuuko se siitä vai absorboituuko se siihen ja millä tavoin. 4. Kun kaikki ryhmät ovat kiertäneet kaikissa työpisteissä, pyydä ryhmiä käymään läpi havaintonsa ja datansa ja muotoilemaan yksi tai useampia päätelmiä siitä, miten valo käyttäytyy. Pyydä heitä kirjoittamaan päätelmät tiedonkeruulomakkeeseen. Päätelmät ja keskustelu Pyydä oppilaita vastaamaan seuraaviin kysymyksiin: Käyttäytyivätkö kaikki valonlähteet samoin? Milloin havaitsitte absorptiota, läpäisyä tai heijastumista? Miksi vihreä laservalo ei kulkenut punaisen nallekarkin läpi? Entä miksi punainen laservalo ei kulkenut vihreän nallekarkin läpi? Miksi valkoinen LED-valo muuttui punaiseksi kulkiessaan punaisen nallekarkin läpi ja vihreäksi kulkiessaan vihreän nallekarkin läpi? Oppilaat saattavat sanoa, että nallekarkki värjää valkoisen valon samoin kuin on mahdollista värittää valkoinen paperi. Muistuta oppilaille, että valkoinen valo koostuu kaikista näkyvistä valon aallonpituuksista. Ohjaa heitä oivaltamaan, että itse asiassa punainen nallekarkki päästää lävitseen tai heijastaa vain valon punaiset aallonpituudet. Kaikki muut aallonpituudet (värit) imeytyvät eli absorboituvat (ja absorboitunutta valoa ei voi nähdä). Siten nallekarkin läpi kulkee ainoastaan punainen valo. (Oppilaat saattavat myös oivaltaa, että juuri tästä syystä punainen nallekarkki näyttää punaiselta. Kun valkoinen valo kohtaa karkin, vain punaiset aallonpituudet saavuttavat meidän silmämme, kun taas kaikki muut absorboituvat.) Sama pätee myös vihreään nallekarkkiin mutta se päästää läpi vain vihreät aallonpituudet. Oppilaat huomaavat, että punaisen laservalorasian valo kulkee punaisen nallekarkin läpi, mutta ei vihreän! Muistuta heille, että vihreä nallekarkki päästää läpi vain vihreän valon ja pysäyttää muut aallonpituudet siten punainen laservalo ei kulje vihreän nallekarkin läpi.
5. oppitunti: lasermikroskooppi Mukailtu Gorazd Planinsicin artikkelista, Water-Drop Projector http://www.fmf.uni-lj.si/~planinsic/articles/planin2.pdf Tiivistelmä Yksinkertaisella järjestelyllä tippa järvi- tai jokivettä muuttuu pallomaiseksi linssiksi, jolloin siihen kätkeytyvä elämä tulee näkyviin. Vaikutus on hätkähdyttävä ja toimii hauskana esittelynä linssien ja geometrisen optiikan käsittelylle. Kesto 20-45 min Luokka-asteet 2-11 (käsiteltävän matematiikka-aineiston mukaan) Välineet vihreä laservalorasia injektioruisku statiivi teippiä tyhjä seinä käsittelemätöntä luonnonvettä joesta, järvestä, merestä tai lätäköstä vakaa käsi ja hieman malttia Pikku tippa luonnonvettä ja lasersäde muodostavat pallomaisen, voimakkaasti suurentavan linssin.
Valmistelut Tämä yksinkertainen, mutta erittäin kiinnostava demonstraatio aloitetaan täyttämällä injektioruisku lampi- tai jokivedellä. Merivesi käy myös hyvin, jos sitä on saatavilla. Jos muuta vesistöä ei ole lähellä, voit käyttää mitä tahansa seisovaa vettä (lätäköstä tai ojasta), jossa todennäköisesti elää pikkuruisia eliöitä (0,2 0,5 mm). Täytä ruisku vedellä. Kiinnitä ruisku telineeseen niin, että sen kärjestä riippuu vesipisara. Aseta teline niin, että vihreän laservalorasian säde kulkee vesipisaran keskikohdan läpi kohtisuorassa seinään nähden. Aseta teline noin kahden metrin päähän valkokankaasta tai tyhjästä valkoisesta seinästä. Taustaan ilmestyy kirkkaan vihreä läikkä, jossa vilisee jännittävä kokoelma yksisoluisia, toukkia ja kirppuja. Yleensä tämä on niin kiinnostavaa, että oppilaat innostuvat tutkimaan lähemmin demonstraation taustalla vaikuttavia optiikan periaatteita. Alustus ja tausta Oikealla näkyvä kaavio osoittaa, miten valo kulkee linssiin ja siitä ulos. Tässä tapauksessa linssinä on ruiskun kärjestä riippuva vesipisara. Pisaran keskikohdan kautta kulkeva säde ei muuta suuntaansa. Kaikki muut säteet taipuvat kohti normaalia siirtyessään ilmasta (taitekerroin n1) veteen (taitekerroin n2). Kun kyseessä on pieni kulma, kuten tässä, käytetään ns. Snellin lakia: yhtälöstä n 1 sin 1 = n 2 sin 2 saadaan n1 1 = n2 2. Siten yhden rajapinnan aiheuttama säteen taittuminen kohti normaalia lasketaan kaavalla: Tämä on yleinen yhtälö, jota käytetään kulmien ollessa hyvin pieniä. Sen avulla voidaan laskea säteiden eteneminen mutkikkaissa järjestelmissä ja sama yhtälö pätee myös meidän yksikertaisessa koejärjestelyssämme. Tässä esimerkissä säteen taittuminen sen edetessä ilmasta vesipisaraan (ensimmäinen pinta) lasketaan näin:
Pisaran takapinnalla säde on akselia lähempänä määrällä, joka on 2r kertaa tulo- ja taitekulman välinen erotus joten se kohtaa takapinnan etäisyydellä h. Säteen kulkusuunnassa tapahtuva poikkeama ("delta") on yhtä suuri kummallakin rajapinnalla eli säteen kulkiessa ilmasta pisaraan ja pisarasta ilmaan. Tällöin: On myös mahdollista tarkastella sitä, miten yleisen tason ilmiöstä eli siitä, että valo kulkee pallomaisen linssin läpi, itse asiassa seuraa seinälle heijastuva upea ilmiö. Tämä voi kuitenkin olla liian vaativa asia lukio-oppilaille. Seuraavassa on yksinkertainen tilannetta havainnollistava kaavio. Jos innostut tutkimaan kokeen taustalla olevia matematiikan lakeja, voit tutustua Gorazd Planinsicin erinomaiseen artikkeliin, joka löytyy oppitunnin alussa ja lopussa mainitusta verkkoosoitteesta. Mukailtu Gorazd Planinsicin artikkelista Water-Drop Projector http://www.fmf.unilj.si/~planinsic/articles/planin2.pdf
6. oppitunti: heijastuminen ja taittuminen Tiivistelmä Heijastuminen ja taittuminen ovat keskeisimpiä valoon liittyviä ilmiöitä. Pienet kokeilut valon ja linssien kanssa auttavat oppilaita ymmärtämään käsitteet, ennen kuin he siirtyvät mutkikkaampien ilmiöiden pariin. Kesto 45-60 min Luokka-asteet 2-11 (käsiteltävän matematiikkaaineiston mukaan) Välineet 3 LED-valorasiaa, joiden rakosuojat ovat paikoillaan punainen ja vihreä laservalorasia (vanhemmille oppilaille) astelevyjä lasilinssisarja 3 peiliä ja peilipidikettä 3 arkkia alumiinifoliota Heijastuminen Valmistelut Jaa oppilaat kolmen hengen ryhmiin ja anna kullekin ryhmälle LED-valorasia, astelevy, peili ja alumiinifoliota. Jos oppilaat ovat riittävän vanhoja, käytä myös laservalorasiaa. Muistuta oppilaita siitä, että lasersäteen suuntaamisessa on oltava varovainen!
Tutkiminen ja havainnointi Pyydä oppilaita suuntaamaan valorasian valo peiliin ja havainnoimaan, minne valo heijastuu. Pyydä heitä vaihtelemaan valonsäteen ja peilin välistä kulmaa ja kysy: Mitä huomaatte valon heijastumisesta? - Ennustettava, suora linja, joka siirtyy, kun valonlähde siirtyy. - Pidä huoli, että oppilaat huomaavat heijastuksen muuttuvan valonlähteen ja peilin välisen kulman, ei niiden etäisyyden, mukaan. Edistyneemmät oppilaat voivat mitata kulmia. Pyydä oppilaita asettamaan peilin pidike astelevyn keskelle niin, että peili on yhdensuuntainen astelevyn 90 asteen akselin kanssa. Opasta oppilaat suuntaamaan valonsäde 30 asteen kulmassa (pystysuunnassa) suoraan peilin keskelle ja mittaamaan heijastuvan säteen kulma pystysuunnassa. Pyydä oppilaita kirjaamaan tulos muistiin ja toistamaan mittaus kahdesta eri tulokulmasta, jotka he voivat itse valita. Keskustelkaa yhdessä ryhmien havainnoista. Oppilaiden pitäisi havaita, että tulokulma on yhtä suuri kuin heijastuskulma. Pyydä oppilaita nyt taittelemaan alumiinifolio tasaiseksi, kiiltäväksi pinnaksi. Toistakaa äskeinen koe peilin sijasta foliolla. Oppilaat huomaavat, että folio vuorovaikuttaa valon kanssa jokseenkin samoin kuin peilikin. Pyydä oppilaita nyt rutistamaan folio kokoon ja toistamaan koe. He huomaavat pian, että valo hajoaa ja leviää joka suuntaan. Selitä, että epätasaisilta pinnoilta, jollainen rutistettu folio on, valo heijastuu aivan samojen lakien mukaan kuin tasaisiltakin: suorassa linjassa niin, että tulokulma ja heijastuskulma ovat yhtä suuret. Nyt kuitenkin monta sädettä osuu moneen eri pintaan, jolloin ne myös heijastuvat kaikki eri suuntaan. Tämän jälkeen voit selittää, että valo heijastuu kaikesta, mitä ihminen näkee. Se heijastuu aina suorassa linjassa. Kaikki se, mitä näemme, on valoa joka heijastuu silmiimme eri pinnoilta.
Taittuminen alustus ja taustaa Selitä oppilaille, että yleensä valo etenee aina suoraviivaisesti. Kun se siirtyy yhdestä väliaineesta (ilmasta) toiseen (veteen), se kuitenkin taittuu. Nuoremmille oppilaille riittää taittumisen havainnointi käytännössä. Edistyneemmille voidaan kertoa, että taittuminen noudattaa ns. Snellin lakia eli taittumislakia: n 1 sin 1 = n 2 sin 2 jossa n = sen väliaineen taitekerroin, jonka läpi valo kulkee ja 1 on pinnan normaalin ja saapuvan säteen välinen kulma; ja 2 on taittuneen säteen ja normaalin välinen kulma. Aine n ilma 1,00029 vesi 1,33 lasi 1,50 bensiini 1,31 muovi 1,47 1,6 timantti 2,5 Taitekertoimeen (n) vaikuttaa myös valon aallonpituus. Valo taittuu, koska sen nopeus hidastuu sen edetessä ilmasta muuhun väliaineeseen (veteen, lasiin jne.). Nopeuden muutoksen takia valo muuttaa suuntaansa. Tutkiminen ja havainnointi - aloittelijat 1. Pane kolmeen LED-valorasiaan rakosuojat niin, että valonsäde on kapea. 2. Aseta suorakulmainen linssi noin 5 cm:n päähän yhden valorasian eteen niin, että säde kulkee linssin läpi. 3. Huomauta, että valo taittuu, kun se osuu linssiin, ja taittuu uudelleen, kun se tulee ulos linssistä. Tätä taipumista kutsutaan taittumiseksi. 4. Selitä, että valo muuttaa suuntaansa, koska sen nopeus muuttuu, kun se siirtyy yhdestä väliaineesta (ilmasta) toiseen (lasiin).
5. Aseta nyt LED-valorasiat niin, että kakkien kolmen valonsäteet kulkevat samansuuntaisesti. 6. Aseta kupera linssi noin 5 cm:n päähän kolmesta valorasiasta ja huomauta, että linssi kokoaa valon yhteen pisteeseen. 7. Toista koe hajottavalla eli koveralla linssillä. Lisätietoa linsseistä Valon taittumiseen liittyvää tietoa voidaan soveltaa käytäntöön linssien avulla. Oppilaat voivat tutkia, miten valo kulkee koveran ja kuperan linssin läpi ja miten se voidaan keskittää polttopisteeseen. Yleensä ajatellaan, että polttopiste on se piste, jossa kuva muodostuu. Kuvien tarkentamiseen käytetään monenlaisia linssejä. Niistä ovat esimerkkejä omat silmämme, kamera, mikroskooppi ja teleskooppi. Linssien ansiosta valoa voidaan käyttää avuksi monissa yhteyksissä. Linssin polttoväli määräytyy neljän tekijän perusteella: 1. linssin taitekerroin n linssi 2. linssiä ympäröivän väliaineen taitekerroin n ymp 3. linssin etupinnan kaarevuussäde r 1 4. linssin takapinnan kaarevuussäde r 2 Ilmassa olevan linssin polttoväli voidaan laskea seuraavasti: LINSSINTEKIJÄN YHTÄLÖ 1/f =(nlinssi/nympäristö) 1/r1 1r2) Huomaa, että kuperan linssin polttoväli on positiivinen, koveran linssin taas negatiivinen.
Tutkiminen ja havainnointi - keskitaso 1. Pane kahteen laservalorasiaan kokoavat linssit niin, että saat kaksi samansuuntaista valonsädettä. 2. Aseta kokoava linssi astelevyn keskelle kuvan mukaan niin, että linssin normaali on 0-akselin suunnassa. 3. Merkitse polttopiste, jossa säteet yhtyvät. 4. Mittaa linssin keskikohdan ja polttopisteen välinen etäisyys tämä on polttoväli eli f (linssintekijän yhtälössä). 5. Ratkaise r sijoittamalla yhtälöön saamasi arvo ja lasin n-arvo, jonka saat taitekerrointaulukosta. Huomaa, että molempien pintojen kaarevuussäde on sama, eli r1 = r2
Mietipä tätä... Jos haluat keihästää kalan lasersäteellä, pitääkö säde suunnata suoraan kalaan vai sen ylä- tai alapuolelle, jotta onnistut?
7. oppitunti: värit Tiivistelmä Alakouluikäiset tutustuvat valon ja värin peruskäsitteisiin kahden helpon tehtävän avulla. Tutkitaan, miten valkoinen valo koostuu monista väreistä ja miten joukko värejä yhdessä muodostaa valkoisen valon. Kesto 30-45 min Luokka-asteet 3-6 Välineet valkoinen LED-valo 3 LED-valorasiaa, joiden rakosuojat ovat paikoillaan 10 hilaa luokkahuoneen valot auringonvalo valkoista paperia väriliituja tai tusseja Valmistelut 1. Jaa oppilaat viiteen ryhmään ja anna kullekin ryhmälle kaksi hilaa yhteiseen käyttöön. 2. Kytke luokkahuoneen edessä virta valkoiseen LED-valoon ja suuntaa se oppilaita kohti. Tutkiminen ja havainnointi 1. Pyydä oppilaita vuoron perään katsomaan LED-valoa hilan läpi. Kysy: Mitä näet? Ohjaa heitä huomaamaan hilan reunoille muodostuvat sateenkaaret. 2. Pyydä oppilaita etsimään luokasta muita valonlähteitä. Painota, ettei heidän tule koskaan katsoa suoraan aurinkoon tämän tehtävän tai muidenkaan tehtävien aikana. 3. Kysy oppilailta, missä järjestyksessä värit ovat. Mikä väri on lähinnä valonlähdettä? Mikä on kauimpana? Ovatko värit aina samassa järjestyksessä valonlähteestä riippumatta vai vaihtuuko niiden järjestys?
4. Pyydä oppilaita piirtämään kuva näkemistään valoista ja sateenkaaresta/-kaarista niin, että värit ovat oikeassa järjestyksessä. 5. Aseta nyt luokkahuoneen eteen LED-valorasiat, joiden rakosuojat ovat paikoillaan 6. Kytke virta punaiseen, vihreään ja siniseen LED-valorasiaan ja pyydä oppilaita toistamaan äskeinen tehtävä erikseen kullakin rasialla. Heidän tulee siis katsoa valoa hilan läpi ja kertoa, mitä näkyy. 7. Selitä, että värillisissä LED-valoissa on vain muutama väri ei koko spektriä. Heidän pitäisi siis nähdä sateenkaaria, joissa on vain tiettyjä värejä. Alustus ja siirtymä seuraavaan tehtävään Kysy: Mistä sateenkaaren värit tulevat? Selitä, että värit ovat valossa jo valmiiksi, mutta ne ovat osa valkoista valoa, ja hila erotteli värit toisistaan. Sadepisarat voivat myös erotella auringonvalon eri väreiksi, jolloin näemme sateenkaaren. Värit ovat aina mukana valkoisessa valossa, jonka näemme koko ajan, mutta emme näe niitä erikseen, koska ne ovat tavallisesti aina sekoittuneet toisiinsa. Valkoisen valon tekeminen 1. Poista LED-valorasioiden rakosuojat niin, että ne lähettävät leveää, värillistä valoa. 2. Aseta valorasiat esimerkiksi pöydälle valkokankaan tai valkoisen seinän eteen niin, että oppilaat näkevät niistä tulevan valon. 3. Kytke virta siniseen ja punaiseen valoon ja pyydä oppilaita arvioimaan, mikä väri näkyy, kun ne yhdistetään. 4. Sekoita punaisen ja sinisen rasian valo, jolloin syntyy vaaleanpunaista eli magentaa. 5. Kytke virta siniseen ja vihreään valoon ja pyydä oppilaita arvioimaan, mikä väri näkyy, kun ne yhdistetään. 6. Sekoita sininen ja vihreä valo, jolloin syntyy vaaleansinistä tai syaania. 7. Kytke virta vihreään ja punaiseen valoon ja pyydä oppilaita arvioimaan, mikä väri näkyy, kun ne yhdistetään. 8. Sekoita punaisen ja vihreän rasian valo, jolloin syntyy keltaista. 9. Kytke virta kaikkiin kolmeen rasiaa ja pyydä oppilaita arvioimaan, mikä väri näkyy, kun ne yhdistetään. 10. Sekoita kaikki valot, jolloin syntyy valkoista valoa.
8. oppitunti: laserin aallonpituuden mittaaminen Tiivistelmä Oppilaat määrittävät laservalorasian aallonpituuden tekemällä kuusi mittausta. Kesto 60-90 min Luokka-asteet 9-12 Välineet punainen laservalorasia vihreä laservalorasia 10 hilaa tyhjä seinä tai valkokangas viivoitin Alustus ja tausta Diffraktion käsitteellä kuvataan sitä, miten valo taipuu kulkiessaan hyvin kapeasta raosta tai hyvin pienen esteen (esimerkiksi hiuksen) ympäri. Oikealla oleva kuva esittää, miten aallot taipuvat (diffraktoituvat) kulman ympäri. Valo etenee aaltoina. Kun se ohittaa hyvin pienen esteen (kuten hiuksen), syntyy kaksi erillistä aaltokuviota. Aallot sekaantuvat toisiinsa, jolloin aaltokuvio joko voimistuu (vahvistava interferenssi) tai vaimenee (heikentävä interferenssi).
Tutkiminen ja havainnointi 1. Jaa oppilaille hilat ja pyydä heitä tarkastelemaan eri valonlähteiden tuottamia spektrejä niiden avulla. 2. Selitä, että hilassa on lukuisia (pian nähdään, miten monia) pikku naarmuja, joiden ohi kulkiessaan valo taipuu niiden ympäri. Kun valkoinen valo taipuu, siihen sisältyvät aallonpituuden taipuvat ja vaikuttavat toisiinsa ja jakaantuvat spektriksi. 3. Mitä tapahtuu, kun monokromaattinen (yhdestä aallonpituudesta koostuva) valo kulkee hilan kapeiden rakojen läpi? Mitä arvelet tapahtuvan, kun yksi aallonpituus kohtaa interferenssiä? Näkyviin ei tule spektriä, koska monokromaattinen valo ei koostu monista aallonpituuksista. 4. Aseta punainen laservalorasia tukevalle alustalle ja ohjaa sen säde hilan läpi valkoiseen seinään. Teippaa hila laservalorasian eteen, jotta se ei liiku. 5. Tee samoin vihreälle laservalorasialle; ohjaa valo eri seinään. 6. Selitä, että oppilaiden näkemä kuvio johtuu siitä, miten valonsäde taipuu kulkiessaan hilan rakojen läpi. 7. Esittele oppilaille tätä ilmiötä kuvaava laskukaava. λ = (X) (d)/ L ; jossa d = rakojen välinen etäisyys (cm/viiva), L = hilan ja valkokankaan/seinän välinen etäisyys ja X = intensiteettimaksimien välinen etäisyys. 8. Jaa oppilaat kahteen ryhmään, joista toinen tutkii punaista laservalorasiaa, toinen vihreää. 9. Anna kummallekin ryhmälle tiedonkeruulomake. 10. Pyydä ryhmiä kirjaamaan, montako viivaa on millimetrillä, ja muuntamaan luku senttimetreiksi, jolloin voidaan määrittää raon leveys. 11. Tämän jälkeen oppilaat mittaavat ja kirjaavat hilan ja valkokankaan välisen etäisyyden (L) 12. Seuraavaksi he mittaavat yhden intensiteettimaksimin etäisyyden viereisestä maksimista (X). 13. Pyydä, että oppilaat tekevät nämä mittaukset kolmelta eri etäisyydeltä seinästä/valkokankaasta ja kirjaavat tulokset. 14. Verratkaa oppilaiden mittaamia tuloksia laservalorasioiden todelliseen aallonpituuteen: punainen 635 nm ja vihreä 532 nm.
Oppilaiden tiedonkeruulomake LASERIN VÄRI: Hila Viivaa/mm Raon leveys (d) cm/viiva Hilan ja valkokankaan etäisyys (L) cm Maksimien välinen etäisyys (X) Suorita mittaukset kolmelta eri etäisyydeltä (valkokankaan/seinän ja hilan etäisyys). Laserin aallonpituuden määrittäminen Sijoita edellisestä taulukosta X:n, d:n ja L:n arvot seuraavaan kaavaan: λ = (X) (d)/ L jolloin voit laskea laserin aallonpituuden. Laske kolmen laskennallisen arvon keskiarvo ja määritä aallonpituuden lopullinen keskiarvo. λ = (X) (d)/ L λ = (X) (d)/ L λ = (X) (d)/ L Aallonpituuden keskiarvo Kirjoita sijoittamasi arvot näkyviin Lopullinen arvo Lopullinen arvo (mikronia)
9. oppitunti: hiuksen leveyden mittaaminen laserin diffraktion avulla Tiivistelmä Oppilaat määrittävät hiuksen leveyden diffraktion ja aallonpituudeltaan tunnetun laservalorasian avulla. Kesto 45 min Luokka-asteet 9-12 Välineet punainen laservalorasia vihreä laservalorasia teippiä tyhjä seinä tai valkokangas viivoitin hiuksia Alustus ja tausta Diffraktio on esitelty edellisen oppitunnin yhteydessä. Laserin diffraktion avulla voidaan mitata pieniä etäisyyksiä / kohteita esimerkiksi hiusten leveyttä. Yleensä diffraktio yhdistetään valon kulkemiseen hyvin kapeista raoista, mutta sitä aiheuttavat myös hyvin pienet esineet.
Tutkiminen ja havainnointi 1. Jaa oppilaat kahteen ryhmään. 2. Anna kummallekin ryhmälle laservalorasia, viivoitin, valkoinen paperiarkki ja teippiä. 3. Pyydä, että joku ryhmän jäsen antaa muutaman hiuksen mitattavaksi. Hiusten tulee olla vähintään 25 cm pitkiä. 4. Esittele oppilaille kaava hiuksen leveys = (aallonpituus) (etäisyys seinästä) / ensimmäisten mustien pisteiden välinen etäisyys 5. Teippaa hius laservalorasiaan niin, että se kulkee aukon poikki (ks. kuvaa). 6. Aseta laservalorasia esimerkiksi pöydälle noin metrin päähän seinästä tai valkokankaasta. 7. Näytä, miten mitataan ensimmäisten kahden mustan pisteen välinen etäisyys. Tämä tarkoittaa kahta ensimmäistä vaimentavan interferenssin aluetta keskellä olevan intensiteettimaksimin molemmin puolin. 8. Pyydä oppilaita tekemään mittaukset ja kirjaamaan tulokset tiedonkeruulomakkeelle sekä laskemaan ainakin viiden eri hiuksen leveys. 9. Pyydä oppilaita laskemaan hiuksen keskimääräinen leveys. Pyydä heitä sen jälkeen etsimään internetistä, mikä on yleisesti hyväksytty hiuksen keskimääräinen leveys, ja vertaamaan omaa keskiarvoaan yleisesti hyväksyttyyn arvoon.
Oppilaiden tiedonkeruulomake Mittauksen nro 1 2 3 4 5 6 7 8 Laservalorasian aallonpituus Etäisyys seinästä (L) Ensimmäisten 2 mustan pisteen etäisyys (X) Merkitse yllä olevaan taulukkoon ainakin viiden eri mittauksen tulokset; laske kunkin mittauksen perusteella hiuksen leveys ja merkitse tulokset alla olevaan taulukkoon. Mittauksen nro Hiuksen leveys = (aallonpituus) (L) / X 1 2 3 4 5 6 7 8 Laske hiuksen keskimääräinen leveys ja merkitse se muistiin. Vertaa ryhmänne laskemaa keskiarvoa hiusten leveyden yleisesti hyväksyttyyn arvoon.
EPICin Adoptoi luokka -välineistö Välineistön hankintahinnan 195 euroa maksavat hanketta tukevat yritykset, ja sitä toimitetaan asiasta kiinnostuneille opettajille. Kussakin maassa toimivat tutkimusorganisaatiot ja fotoniikkaklusterit huolehtivat EPICin kanssa välineistön käyttöohjeiden kääntämisestä maan kielille ja etsivät opettajia, jotka haluavat käyttää välineistöä omassa opetuksessaan ja näin innostaa lapsia luonnontieteiden ja erityisesti fotoniikan pariin. Opettajille välineistö on ilmainen. Sen sijaan heidän odotetaan käyttävän sitä aktiivisesti, ja kerran vuodessa heidän odotetaan raportoivan EPICille, moniko lapsi on käyttänyt välineistöä, lähettävän kuvia ja oppilasryhmän oman kertomuksen välineistön hyödyistä. Hanketta tukevat organisaatiot Tampereen LUMATE-keskuksen (LUonnontieteet MAtematiikka TEknologia) tavoitteena on innostaa lapsia ja nuoria luonnontieteiden, matematiikan ja teknologian oppimiseen ja harrastamiseen. Tavoitteen saavuttamiseksi keskus toimii yhteistyössä koulujen, yliopistojen ja yritysten kanssa. LUMATE-keskuksen tärkeitä tehtäviä ovat myös koulujen opettajien tukeminen, tieteellisyyden välittäminen kouluihin ja sen integrointi opetukseen sekä opettajien täydennyskoulutuksen järjestäminen. http://www.lumate.fi/ Photonics Finland (PF) on kansallinen teknologia-alusta. Teknologia-alustan, verkoston, muodostavat fotoniikka-alan tutkimuslaitokset, teollisuuden komponentti-, laite- ja sovelluskehittäjät sekä integraattorit. PF on yritysvetoinen avoin yhteisö, joka tuottaa palveluita partnereilleen sekä tunnistaa, kokoaa ja raportoi fotoniikkaan linkittyviä kehitystarpeita tutkimusrahoittajille, teollisuudelle sekä tutkimuskonsortioille. Se toimii osana eurooppalaista fotoniikkaklustereiden verkostoa, jonka yhtenä keskeisenä tehtävänä on tukea EU-komissiota teollisuuden kehittämistoimenpiteiden valmistelussa, suunnittelussa ja toteutuksessa. http://www.photonics.fi/ EPIC eli European Photonics Industry Consortium on jäsenistönsä johtama voittoa tuottamaton teollisuusyritysten yhdistys, joka tukee fotoniikka-alalla toimivien organisaatioiden kestävää kehitystä. Jäsenistössämme ovat edustettuina kaikki arvoketjun osat: LED-valaistus, PVaurinkoenergia, silikonifotoniikka, optiset komponentit, laserit, anturit, näytöt, projektorit, optiset kuidut ja muu fotoniikkaan liittyvä teknologia. Pidämme yllä tehokasta verkostoa ja edistämme eri tavoin teknistä ja kaupallista kehitystä ja tuemme näin kattavasti fotoniikka-alan toimintaa. EPIC toimii läheisessä yhteistyössä alan yritysten, yliopistojen ja viranomaisten kanssa. Sen päämäärä on parantaa fotoniikkateollisuuden kilpailukykyä niin, että se kykenee kasvamaan sekä taloudellisesti että teknisesti erittäin tiukasti kilpaillulla maailmanlaajuisilla markkinoilla.