VALAISTUSTA VALOSTA Fysiikan ja kemian pedagogiikan perusteet Kari Sormunen Syksy 2014
OPPILAIDEN KÄSITYKSIÄ VALOSTA Oppilaat kuvittelevat, että valo etenee katsojan silmästä katsottavaan kohteeseen. Todellisuudessa valo tulee esineestä silmään. Oppilaat ajattelevat, että silmä saa aikaan näkemisen. Valo auttaa näkemään paremmin ja selvemmin. Silmä ei saa aikaan näkemistä, vaan näkeminen perustuu silmään tulevaan valoon. Oppilaat päättelevät, että valo koostuu valonsäteistä. Valonsäde on vain eräs tapa kuvata valoa, se on valon malli. Oppilaat ajattelevat, että valon näkee pimeässä huoneessa. Ihminen voi nähdä vain kohteet, joista valo tulee silmään.
MITÄ VALO ON? Valolla tarkoitetaan sitä sähkömagneettisen säteilyn osaa, joka havaitaan ihmissilmällä. Valoa, kuten muutakin sm-säteilyä, voidaan mallintaa poikittaisella aaltoliikkeellä (vrt. oheinen kuvio sekä 2. harj. työ 5). Näkyvän valon aallonpituusalue 400 nm -700 nm (n tarkoittaa nanoa eli 10-9 ), valon väri riippuu sen aallonpituudesta, ks. seuraava dia. Ns. valkoinen valo koostuu eri aallonpituuksista. Valo etenee tyhjiössä nopeudella 300000 km/s. Väliaineessa valonnopeus pienenee. Valo ei siis välttämättä tarvitse väliainetta, mutta etenee myös sopivissa väliaineissa (ilma, vesi, lasi; ts. läpinäkyvissä aineissa). Valolla on havaittu olevan sekä ns. hiukkasluonne: valo koostuu massattomista hiukkasista, fotoneista (ei peruskoulun asiaa) että ns. aaltoluonne: valo on etenevää poikittaista aaltoliikettä (vrt. edellä) Kun valo osuu esineeseen, valo voi heijastua siitä, imeytyä siihen tai mennä sen läpi. Monissa tapauksissa tapahtuu kaikki kolme ilmiötä.
Sähkömagneettisen säteilyn lajeja: gammasäteily, röntgensäteily, ultraviolettisäteily, näkyvä valo, infrapunasäteily, radioaallot (täydennä kuvaan). Säteilyn energia pienenee aallonpituuden kasvaessa. radioaallot Ns. valkoinen valo saadaan hajotettua eri väreiksi esimerkiksi prisman avulla. Prismassa violetti valo taittuu eniten ja punainen vähiten. Aurinko lähettää sähkömagneettista säteilyä kaikilla näkyvän valon aallonpituuksilla (lisäksi ultravioletti- ja infrapunasäteilyä) Kaikki aineet lähettävät (emittoivat) valoa tarpeeksi korkeissa lämpötiloissa (~5000 C) Alkuaineita (tai niiden ioniyhdisteitä) voidaan tunnistaa tämän tiedon avulla Hehkulampussa sähkövirta kuumentaa hehkulangan, joka rupeaa säteilemään valoa (ja lämpöä). Loisteputkessa valo synnytetään ns. fluoresenssi-ilmiön (ei tämän opintojakson sisältöä) avulla, samoin kuin energiansäästölampuissa.
VALON SUORAVIIVAINEN ETENEMINEN Valonlähteen (aurinko, muut tähdet, lamput, kynttilä jne.; joilla siis säteilyyn riittävän korkea lämpötila) lähettämän valon voi nähdä vain jos sen tielle osuu hiukkasia (pölyä, savua, pieniä vesipisaroita). Hiukkasista heijastuvan valon avulla nähdään ns. valokeila. Valokeilan muoto kertoo sen, että valo etenee suoraviivaisesti (valo-opin I perussääntö). Valon suoraviivaista etenemistä kuvaamaan käytetään valosädettä, joka on siis valon suoraviivaisen etenemisen malli. Varjo on valoton alue. Esineen taakse muodostuu varjo, koska valo etenee suoraviivaisesti eikä pääse esineen taakse (vrt. harjoituksissa käsitteet sydänvarjo ja puolivarjo).
VALAISTUSVOIMAKKUUS Jos suuntaat taskulampun valon lähellä olevaan seinään, huomaat valaistun alueen olevan pieni ja kirkas, mutta kauempana olevalla seinällä se olisi suuri ja himmeä. Valaistusvoimakkuus pienenee, kun etäisyys valonlähteestä kasvaa. Valoa ei häviä matkalla, mutta koska valaistava alue kasvaa, valo jakaantuu suuremmalle alueelle. Valaistusvoimakkuus on suure, jonka yksikkö on luksi (lx). Sitä voidaan mitata valaistusmittarilla (vrt. 4 harjoitukset, työ 5). Erilaisia valaistusolosuhteita Talvinen täysikuutamo: 0,2 lx Katujen yleisvalaistus: 30 lx Opetustilat: suositus 300 lx Opiskelutilat (lukeminen, kirjoittaminen): suositus 500 lx Poikkeuksellista tarkkuutta vaativa työ: suositus 5000 lx Tavallinen pilvinen päivä: 10 000 lx Auringonvalo kirkkaimmillaan, leikkaussalin leikkausvalaistus: 100 000 lx
VALO ON NÄKEMISEN EDELLYTYS: Esineen voi nähdä vain, jos se itse lähettää valoa (on siis valonlähde) tai jos se heijastaa valoa. VALON HEIJASTUMINEN Kun valo heijastuu, valon heijastuskulma on yhtä suuri kuin tulokulma (valo-opin II pääsääntö; ks. kuvio). Tavallinen seinäpeli on tasopeili, ts. sen pinta on suora. Keskenään yhdensuuntaiset valonsäteet heijastuvat siitä yhdensuuntaisina; siksi tasopeilissä näkyvä kuva on samanlainen kuin itse esine. Kovera peili saa lähellä olevan esineen näyttämään suuremmalta. Esim. Kuperan peilin avulla suuri alue näkyy pienennettynä. Esim.
VALON TAITTUU AINEIDEN RAJAPINNASSA Kun valo tulee optisesti harvemmasta aineesta optisesti tiheämpään aineeseen, se taittuu pinnan normaaliin päin. Kun valo tulee optisesti tiheämmästä aineesta optisesti harvempaan aineeseen, se taittuu pinnan normaalista poispäin (valoopin III pääsääntö). ilma lasi ilma
LINSSIT SAAVAT VALON KOHDISTUMAAN TAI HAJAANTUMAAN Kupera linssi on (keskeltä paksumpi) on valoa kokoava linssi. Kovera linssi (keskeltä ohuempi) on valoa hajottava linssi.
ENNAKKOKÄSITYSTESTIN VALO-OPIN VÄITTEET 1. Näet kirjan pöydällä. Mihin seuraavista kirjan näkeminen perustuu? a) Kirja lähettää valoa silmään b) Kirja nähdään lampusta silmään tulleen valon avulla c) Lampusta lähtenyt valo heijastuu kirjasta silmään Kirja sen enempää kuin silmäkään ei ole valonlähde! Kokeile vaikka pimeässä! 2. Mistä ihmisen väriaistimus riippuu? a) Esineen materiaalista b) Tilan valaistuksesta c) Valaistuksen voimakkuudesta Kaikki em. seikat vaikuttavat väriaistimukseemme. Materiaalit voivat olla itsessään erivärisiä, tarpeeksi hämärässä kaikki kissat ovat harmaita. 3. Kuinka valo heijastuu tyynen veden pinnasta? a) Takaisin tulosuuntaansa b) Heijastuskulma on yhtä suuri kuin tulokulma c) Vesi ei heijasta valoa Ratkaisuna valo-opin II pääsääntö eli heijastumislaki.