5. Valon taittuminen

Johdanto

2013-07-25T09:24:16+03:00

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.

Tiivistelmä - Valon taittuminen ja kokonaisheijastus

2013-07-31T14:07:29+03:00

Valon kulkusuunta muuttuu, jos se kohtaa vinosti läpinäkyvän kappaleen, esimerkiksi ikkunalasin. Tällöin puhutaan valon taittumisesta. Valon taittuminen tapahtuu kahdella eri tavalla, joko normaalia päin tai normaalista poispäin. Valo taittuu pinnan normaalia kohti, kun valo kulkee aineiden väliseen rajapintaan siten, että valo tulee ilmasta lasiin tai ilmasta veteen. Valo taittuu pinnan normaalista poispäin, kun valon kulkusuunta on edellisiin nähden päinvastainen.

Jälkimmäisen tapahtuman yhteydessä voi myös tapahtua valon kokonaisheijastuminen. Tällöin aineiden välinen rajapinta toimii kuin se olisi valoa heijastava peilipinta. Ehtona on se, että tulokulman on oltava riittävän suuri. Vesi-ilma rajapinnan kokonaisheijastuksen rajakulma on 49 astetta ja lasi-ilma rajapinnalla se on 42 astetta.

Valon taittumisen esimerkki: katkennut lusikka

2013-07-31T14:08:00+03:00

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

2013-08-09T12:19:03+03:00

Valo taittuu, koska vinosti linssiin tulevan valonsäderintaman eri reunat kohtaavat materiaalin eri aikaan. Kuvassa reuna 1 kohtaa lasin ennen reunaa 2. Näin tapahtuu myös suurennuslasin tapauksessa: valonsäteet taittuvat kulkiessaan kaarevapintaisen linssin läpi.

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.

Heijastumista ja taittumista on tarkasteltu edellisessä ja tässä kappaleessa erikseen. Nämä ilmiöt tapahtuvat todellisuudessa yhtä aikaa esimerkiksi tilanteessa, jossa valo kulkee ikkunalasin läpi. Silloin osa valosta heijastuu ja osa taittuu. Ikkunan toimiminen "peilinä" havaitaan parhaiten, kun ikkunalasin toisella puolen on pimeää. Tällöin ikkunasta heijastuva kuva nähdään selkeimmin.

Kokonaisheijastus

2013-08-22T15:42:42+03:00

Kun valonsäde kulkee vedestä ilmaan, säde taittuu normaalista poispäin. Tällaisessa tilanteessa voi tapahtua valon kokonaisheijastuminen, jos tulokulma on riittävän suuri. Kokonaisheijastuksessa taittunut säde on taittunut niin paljon, ettei se enää taitukaan vaan se heijastuu takaisin. Kokonaisheijastuksen rajakulma on vesi-ilma rajapinnan tapauksessa 49 astetta. Lasi-ilma rajapinnan kohdalla rajakulman suuruus on 42 astetta.

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.

Valokuitua odottamassa maahan kaivamista. Kuparilankaa pitkin kulkeneita internetliittymiä korvataan nopeammalla valokuituyhteydellä.

Yläpuolisissa kuvissa 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.

Yhdensuuntaissiirtymä

2013-07-31T14:12:41+03:00

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.

Avainsanat

2013-07-25T10:02:46+03:00

taittuminen normaalin päin: valonsäde taittuu normaaliin päin tilanteessa, jossa valon kulku on esimerkiksi ilmasta veteen tai ilmasta lasiin

taittuminen normaalista poispäin: valonsäde taittuu normaalista poispäin tilanteessa, jossa valon kulku on esimerkiksi vedestä ilmaan tai lasista ilmaan

kokonaisheijastuminen: voi tapahtua vain, kun valon kulkusuunta on esimerkiksi vedestä ilmaan tai lasista ilmaan.

rajapinta: Kahden erilaisen aineen välinen raja, esimerkiksi ilma-vesi tai lasi-ilma rajapinnat.
kokonaisheijastuksen rajakulma: pienen mahdollinen kulma, jossa kokonaisheijastuminen voi tapahtua

valon nopeus: Valon nopeus tyhjiössä on noin 300 000 km/s. Valon nopeus vedessä on noin
225 000 km/s eli vesi hidastaa valon kulkua.

valon taittuminen: Valon kulkusuunta muuttuu eli taittuu tilanteessa, jossa se kulkee vinosti valoa läpäisevään materiaalin, kuten lasiin. Valonsäderintaman eri reunat kohtaavat materiaalin eri aikaan, mistä johtuu säteen taittuminen

tulokulma: tulevan säteen ja pinnan normaalin välinen välinen kulma

taitekulma: taittuneen säteen ja pinnan normaalin välinen kulma.

optinen kuitu: eli valokuitu on rakennettu valoa läpäisevästä materiaalista. Sitä käytetään tietoliikenneyhteyksien rakentamisessa. Valo etenee kuidussa kokonaisheijastuen.

yhdensuuntaissiirtymä: Valo taittuu kaksi kertaa kulkiessaan tasapaksun lasikappaleen läpi. Ensimmäisen kerran taittuminen tapahtuu normaalia ja kohti toisen kerran normaalista poispäin. Koska taittumiskulmien suuruudet ovat tilanteissa yhtä suuria, mutta vastakkaissuuntaisia, valonsäde jatkaa samansuuntaisena kulkuaan kuin ennen lasikappaletta.

Navigointi

2013-07-29T12:40:17+03:00

1. Aaltoliike on säännöllistä liikettä
2. Värähtelijä saa aikaan äänen
3. Valo etenee suoraviivaisesti
4. Peilit heijastavat valoa
5. Valon taittuminen
6. Linssit taittavat valoa

7. Universumin mittasuhteita
8. Aurinkokunta
9. Maa ja Kuu
10. Valoilmiöt
11. Radioaktiivisuus ja säteily