7. Valon taittuminen
Johdanto
Teet kuvataiteen tunnilla asetelman maalausta varten. Laitat juomalasin taakse kaksi kynää ristiin. Kuitenkin kun katsot kyniä lasin läpi, näet useamman kynän ja kynät näyttävät taittuneilta.
Kun valo kulkee juomalasin läpi, sen kulkusuunta muuttuu. Sen seurauksena kynä näyttää taittuneelta. Kuvassa näkyy useampi kynä tai taittuneita kyniä, mutta todellisuudessa siinä on kaksi suoraa kynää.
Kokonaisheijastus
Kokonaisheijastuksessa kaikki valo heijastuu takaisin veteen samassa kulmassa heijastuslain mukaisesti.
Kokonaisheijastusta käytetään hyödyksi esimerkiksi optisessa kuidussa eli valokuidussa. Valokuitua käytetään tietoliikenneyhteyksien rakentamisessa. Kuitua pitkin saadaan siirrettyä paljon tietoa suurella nopeudella. Tällainen yhteys on nopeampi kuin kuparilankoja pitkin kulkeva yhteys.
Yläpuolesessa kuvassa näkyy valokuidun oikea rakenne. Alapuoleisessa on selitetty sen toiminta.
Prismojen käyttö valon ohjaamisessa perustuu kokonaisheijastukseen. Esimerkiksi monissa kiikareissa valoa ohjataan prismojen avulla. Kovan, muovisen heijastimen toiminta perustuu kokonaisheijastukseen. Auton valo kokonaisheijastuu heijastimen sisäpinnasta, joka on muodoltaan kuin prisma. Perinteisessä heijastimessa valo kokonaisheijastuu takaisin. Luonnossa havaittavia kokonaisheijastumiseen perustuvia ilmiöitä ovat esimerkiksi sateenkaari ja kangastus.
Heijastimeen (kuvassa poikkileikkaus heijastimesta) saapuva auton valo kokonaisheijastuu heijastimen pinnasta takaisin kohti autoilijaan. Siten autoilija havaitsee pimeässä kulkevan henkilön.
Kuva on otettu veden alta. Kokonaisheijastuksen takia vain ympyrän muotoinen osa veden pinnan yläpuolisesta näkymästä on havaittavissa. Kuvassa näkyy osa ympyrän alasta. Rajan ulkopuolella (kuvan alaosa) veden pinta heijastaa kuten peilit.
Valon taittumisen esimerkki: katkennut lusikka
Valo taittuu, kun se kulkee lasiin. Kun valonsäderintama kohtaa vinosti aineiden rajapinnan, sen reunojen etenemisnopeudet muuttuvat eriaikaisesti. Valon nopeus on pienempi lasissa kuin ilmassa. Toinen rintaman reuna kohtaa materiaalin ennen toista, jolloin tapahtuu valonsäteen taittuminen. Tapahtumaa voisi mallintaa tilanteella, jossa rantaveteen juostaan vinosti. Tällöin toinen jaloista kohtaa veden jarruttavan vaikutuksen aikaisemmin kuin toinen jalka, jolloin kyseisen jalan liike hidastuu. Seurauksena on, että juoksija kääntyy hitaammin etenevän jalan suuntaan.
Vasemmanpuoleisen kuvan lasissa on lusikka. Oikeanpuoleisessa kuvassa lasiin on lisätty vettä. Kuvasta nähdään, miten vesi taittaa valoa eri tavalla kuin pelkkä tyhjä lasi. Vasemmanpuoleisesta kuvasta nähdään kuitenkin se, että pelkkä lasikin taittaa valoa.
Valon taittumisen periaatteet
Seuraavassa kuvassa valonsäde kulkee ilmasta veteen, jolloin säde taittuu normaaliin päin>
Valo taittuu joko normaaliin päin (yläpuolella oleva kuva) tai normaalista poispäin (alapuolella oleva kuva) riippuen siitä, mikä on valon kulkusuunta. Jos valo kulkee ilmasta veteen tai ilmasta lasiin, se taittuu normaaliin päin. Tällöin tulokulma α on suurempi kuin taitekulma β. Jos kulkusuunta on päinvastainen, taittuminen tapahtuu normaalista poispäin, jolloin tulokulma α on pienempi kuin taitekulma β.
Voit tarkastella lisää valon taittumista interaktiivisten työkalujen avulla ilma-vesi- sekä lasi-ilma-rajapinnoissa.
Yhdensuuntaissiirtymä
Kun valo kulkee vinosti ikkunalasin läpi, valolle tapahtuu yhdensuuntaissiirtymä. Se voidaan havaita tilanteessa, kun tuuletusikkunaa avataan ja samalla katsotaan vinosti johonkin lasin toisella puolella olevaan kohteeseen. Kun ikkunalasia ei ole enää välissä, on kohde hieman siirtynyt sivuttain. Kuvassa katkoviivan ja taittuneen säteen välistä eroa sanotaan yhdensuuntaissiirtymäksi.
Yhdensuuntaissiirtymä johtuu valon taittumisesta molemmilla lasin rajapinnoilla. Kuvassa on näytetty katkoviivalla, miten valo kulkisi, jos se ei taittuisi. Valon kulku kuitenkin muuttuu, kun se kohtaa aineiden välisen rajapinnan. Tästä seurauksena on valon taittuminen. Koska valo kulkee ilmasta lasin kautta takaisin ilmaan, sen etenemissuunta säilyy samana kuin ennen lasia.