,/ VALO-OPPI oppilaitos: ARKADIAN YHTEISL YSEO kurssi FY1 tehnyt Markus Hagmal1 Jätetty syyskuun 28. päivä 1999 Tarkastaja Jari Pyy
LYHENNELMÄ Tutkielma käsittelee optiikkaa eli valo-oppia Lukiessasi tätä tutkieln1aa saat tietää, mitä valo on, miten se käyttäytyy kohdatessaan aineita, mitä yhteisiä piirteitä useimmilla valonlähteillä anja miten se syntyy. Tutkielma kertoo myös, mitä käy valon osuessa eri peileihinja miten valon käy sen osuessa optisesti tiheämpiin tai harvempiin.... aineisiin. 2
Sisällys 1.1 Valon merkitys...4 1.2 Valon kahtalainen luonne...4 1.3 Miten valo syntyy?... 5 1.4 Valo kulkee suoraviivaisesti...5 2.1 Valo ja aine...6 2.2 Erilaisia peilejä...7 2.3 Taittuminen...7 3
VALO 1,1 - Valon merkitys Ilman valoa iluniset ja eläimet eivät pysty näkemään. Valo on myös välttämätön vihreille kasveile, sillä ne ovat kyvyttömiä yhteyttämään, jos valoa ei ole. Näin ollen valo on elämän välttämätön edellytys. Maapallon tärkeion valonlähde on Aurinko. Myös muut tähdet tuottavat valoa. Maapallolla päivä ja yö seuraavat toisiaan. Vuosi jakaantuu vuodenaikoihin. Päivän valoisa aika voi olla varsin lyhyt. Ihminen ei silti voi rajoittaa toimintaansa vain valoisaan aikaan, joten on keksitty erilaisia valonlähteitä avotulesta hehkulamppuihin ja loisteputkiin. Olivat valonlähteet sitten ihmisen kehittämiä tai IUOIIDollisia, useimmilla niistä on yksi yhteinen piirre: suuri lämpötila. Kaikki kappaleet, joiden lämpötila on riittävän suuri, lähettävät näkyvää valoa. Siitä huolimatta, että Aurinko on hyvin kaukana, Maa saa siitä paljon valoa. Sanotaan, että aurinkoisena päivänä on suuri valaistusvoimakkuus. Valaistusvoimakkuus on suure, joka ilmaisee pinnalle tulevan valon määrän. Valaistusvoimakkuuden yksikkö on luksi, Ix. Valaistusvoimakkuus riippuu valonlähteen lähettämästä valosta. Se riippuu myös valonlähteen etäisyydestä. pilvinen sää yö aurinkoinen sää Valaistusvoimakkuuksia luonnossa 3000 Ix 0,2 Ix 100000 Ix leikkaussali 50000 Ix luokkahuone 300 Ix laboratorio 500 Ix Suomen Valoteknisen seuran antamia sisävalaistuksen valai tussuosituksia. 1.2 - Valon kahtalainen luonne Aurinko lähettää maapallolle monenlaista säteilyä, mm. lämpö- eli infrapunasäteilyä, ultraviolettisäteilyä ja valoa. Kaikki nämä ovat sähkömagneettista säteilyä, kuin myös radioaallot, röntgensäteily ja gammasäteily. Sähkömagneettisen säteilyn eri lajit etenevät tyhjiössä samalla nopeudella, 300 000 km/s. Sähkömagneettista säteilyä kuvataan usein poikittaisen aaltoliikkeen mallilla. Tällöin säteilyn eri lajeilla on eri aallonpituus, radioaalloilla suurin ja gammasäteilyllä pienin. 4
Valo on siis säteilyä, joka etenee poikittaisena aaltoliikkeenä. Eri aineissa valo etenee eri nopeuksilla. Aineen optinen tiheys kuvaa nopeutta. Mitä hitaammin valo etenee aineessa, sitä suurempi aineen optinen tiheys on. Se, että valo on poikittaista aaltoliikettä, ei yksin riitä selittämään valon käyttäytymistä. Valo käyttäytyy joissakin tilanteissa kuin se koostuisi pienen pienistä hiukkasista. Näitä valohiukkasia sanotaan fotoneiksi. Valolla sanotaan olevan kahtalainen luonne. Toisaalta se on kuin aalto liikettä, mutta toisaalta se ikään kuin koostuu pienistä hiukkasista. TAULUKOSSA AINEITA JA VALON NOPEUKSIA (KILOMETRIÄ SEKUNNISSA) ilma 300000 jää 229000 vesi 226000 akryyli 201 000 timantti 124000 Valo etenee eri aineissa eri nopeuksilla. 1.3 - Miten valo syntyy? Hehkulamppu valaisee, samoin liekki ja tähdet. Kuuman kappaleen lähettämä valo on lämpö säteilyä. Se on peräisin aineen rakennehiukkasten, kuten atomien, molekyylien ja ionien värähtelemisestä. Aine lähettää sitä enemmän valona näkyvää lämpö säteilyä, mitä suurempi aineen lämpötila on. Kun säteilijän lämpötila on pieni, se lähettää punaisena näkyvää lämpösäteilyä. Kun lämpötila suurenee, säteily muuttuu vähitellen valkoiseksi. Valoa voi syntyä myös atomin elektronipilvessä. Näin käy, jos aineeseen tuotu energia saa yhden tai useamman elektronin siirtymään kauemmaksi ytimestä. Sanotaan, että energia saa atomin virittymään. Kun elektroni palaa alkuperäiselle radalleen, se lähettää energiaa, joka voidaan nähdä valona. Esimerkiksi mainosvalojen, loisteputkien ja revontulien valo syntyy tällä tavalla. Vapautuva energia määrää valon värin atomin viritystilan purkautuessa. Tämä energia ja samalla siis valon väri riippuu aineesta, jonka atomit virittyvät. Esimerkiksi mainosvalon punaisen värin aiheuttaa neonkaasu, vihreän kryptonkaasu ja keltaisen heliumkaasu. Loisteputken valo taas syntyy kahden peräkkäisen virityksen tuloksena. Ensin virittyvät putkessa olevan kaasun atomit. Niiden viritystilojen purkautuessa vapautuu energiaa, joka puolestaan virittää putken sisäpintaan sivellyn loisteaineen atomit. Valon eri värisävyt saadaan aikaan käyttämällä erilaisia loisteaineita. 1.4 - Valo kulkee suoraviivaisesti Valo etenee tyhjiössä suoraan eteenpäin, samoin kaikissa läpinäkyvissä aineissa, joiden tiheys on vakio. Jos valo kohtaa esteen, jonka läpi se ei pääse, se imeytyy esteeseen tai heijastuu siitä. Koska valo kulkee suoraan, valoa ei pääse esteen taakse. Sinne muodostuu varjo. Varjot ovat näin ollen valon suoraviivaisen kulun seurausta. 5
Valo kohtaa aineen 2.1 - Valo ja aine Lasi läpäisee valoa, metalli heijastaa sitä. Musta multa ja tumma asfaltti taasen imevät valoa. Kohdatessaan aineen valo siis voi mennä sen läpi, heijastua sen pinnasta tai imeytyä siihen. Lisäksi valo voi sirota aineesta. Käytännössä lähes aina nämä neljä ilmiötä tapahtuvat samanaikaisesti. Usein yksi niistä on muita huomattavampi ja siksi puhutaan vain tästä yhdestä ilmiöstä. Esimerkiksi, kun valo kohtaa ikkunalasin, sanotaan, että valo menee sen läpi, vaikak osa valosta siroaa, osa heijastuu ja osa imeytyy. Imeytyminen ja sironta Riippuu aineen ominaisuuksista, kuinka paljon se imee valoa ja minkä väristä valoa se imee. Yleensä valosta imeytyy aineeseen vain osa ja osa siroaa siitä. Mitä tummempaa aine on, sitä enemmän se imee valoa ja sitä vähemmän valo siroaa. Valon siroutumisella tarkoitetaan seuraavaa: kun valo kohtaa aineen, aineessa olevat hiukkaset saavat energiaa ja alkavat värähdellä. Kukin värähtelevä hiukkanen lähettää kaikkiin suuntiin energiaa, joka voidaan nähdä valona. Yleensä esineet näkyvät juuri siksi, että ne sirottavat valoa. Jotkut esineet voidaan taas nähdä, koska ne heijastavat valoa. Tällaisia ovat mm. metallista tehdyt esineet. Valonlähteet, kuten Aurinko, näkyvät, koska ne lähettävät valoa. Heij astuminen Kun valo osuu sileään pintaan, suurin osa valosta heijastuu. Peili heijastaa valon lähes täydellisesti. Kun valo tulee peiliin kohtisuorasti, se myös heijastuu siitä kohtisuorasti. Siispä valo palaa saama tietä takaisin. Jos valo osuu peiliin viistosti, se heijastuu siitä yhtä viistosti. heijastunut valonsäde I I I pinnan normaali tuleva valonsäde Valon kulkua havainnollistetaan usein piirroksilla. Tällöin käytetään mallia, jossa valon ajatellaan koostuvan valonsäteistä. Piirroksissa valonsäde kuvataan suoralla viivalla. Heijastumista kuvattaessa käytetään apuna peilipinnan normaalia. Normaali on kuviteltu suora, joka on kohtisuorassa peiliä vastaan. Pinnan normaalin ja tulevan valonsäteen väliin jäävää kulmaa sanotaan tulokulmaksi. Pinnan normaalin ja heijastuneen valonsäteen väliin 6
jäävää kulmaa sanoatan heijastuskulmaksi. Valo heijastuu siten, että heijastuskulma on yhtä suuri kuin tulokuima. 2.2 - Erilaisia peilejä Tasopeili antaa kohteesta kuvan, joka on oikein päin ja yhtä suuri kuin kohde. Monissa laitteissa, kuten kameroissa, piirtoheittimissä ja periskoopeissa, tasopeiliä käytetään valon kulkusuunnan muuttamiseen. Peilin pinta voi olla kupera tai kovera. Kuperalla peilillä näkee yhdellä kerralla suuremman alueen kuin tasopeilillä. Tästä syystä kuperia peilejä käytetään autojen peruutuspeileinä, liikkeissä valvontapeileinä ja risteyksissä liikennepeileinä. Kuperan peilin muodostama kuva kohteesta on oikein päin ja pienempi kuin kohde. Kovera peili muodostaa kaukana olevasta kohteesta kuvan, joka on kohdetta pienempi ja ylösalaisin. Jos kohde on riittävän lähellä koveraa peiliä, peilissä nähdään oikein päin ja kohdetta suurempi oleva kuva. Tästä syystä esim. hammaslääkärin peili on kovera peili. 2.3 - Taitturninen Osittain vedessä oleva airo näyttää taittuneelta. Syynä on se, että airosta tulevan valon suunta muuttuu, kun valo tulee viistosti vedestä ilmaan. Katsoja ei kykene havaitsemaan valon suunnan muuttumista. Siksi airo näyttää olevan veden alla eri paikassa kuin se todellisuudessa on. Aina, kun valo läpäisee viistosti kahden optiselta tiheydeltään erilaisen aineen rajapinnan, sen suunta muuttuu, valo taittuu. Kun valo tulee rajapintaan kohtisuoraan, se menee taittumatta pinnan läpi. Jos valo tulee viistosti optisesti harvemmasta aineesta tiheämpään, se taittuu rajapinnan normaaliin päin. Normaalin ja taittuneen valonsäteen väliin jäävää kulmaa sanotaan taitekulmaksi. Taitekulma on pienempi kuin tulokuima tässä tapauksessa. Jos valo tulee viistosti optisesti tiheämmästä aineesta harvempaan, se taittuu pinnan normaalista poispäin: taitekulma on suurempi kuin tulokuima. YHTEENVETO -Valo on elämän edellytys. -Valaistusvoin1akkuuden yksikkö on Iuksi, Ix. 7
-Valo on sähkömagneettista säteilyä. Sillä on kahtalainen luonne. Toisaalta voidaan sanoa, että valo on poikittaista aaltoliikettä. Toisaalta taas valoa voidaan pitää pienistä hiukkasista, fotoneista koostuvana säteilynä. -Monilla valonlähteillä on yksi yhteinen piirre: korkea lämpötila. -Kun valo kohtaa aineen, osa valosta imeytyy siihen, osa menee läpi, osa siroaa ja osa heijastuu. 9LÄHDE Levävaara - Kuusjärvi - Pohjola ja Voutilainen; Fysiikan ydin 9 8