Oppimispäiväkirja 8lk

Valon kulkusuunta

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: kokonaisheijastuminen voi tapahtua vain, kun valon kulkusuunta on esimerkiksi vedestä ilmaan tai lasista ilmaan ja tulokulma on vähintään kokonaisheijastuksen rajakulman suuruinen.

Rajapinta: kahden erilaisen aineen välinen raja, esimerkiksi ilma–vesi- tai lasi–ilma-rajapinnat.

Kokonaisheijastuksen rajakulma: kokonaisheijastuksen rajakulma on pienin 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: tulokulma on tulevan säteen ja pinnan normaalin välinen kulma.

Taitekulma: taitekulma on taittuneen säteen ja pinnan normaalin välinen kulma.

Optinen kuitu: 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 kohti ja toisen kerran normaalista poispäin. Koska taittumiskulmien suuruudet ovat tilanteissa yhtä suuria, mutta vastakkaissuuntaisia, valonsäde jatkaa samansuuntaisena kulkuaan kuin ennen lasikappaletta.

Peilit

Valo heijastuu peilistä. Siksi näet oman kuvasi. Valon kulkua peilissä voidaan havainnollistaa valonsädemallin avulla. Mallissa valo esitetään säteiden avulla. Heijastuminen tapahtuu aina heijastuslain mukaisesti: valon tulokulma on yhtä suuri kuin heijastuskulma. Kulmat ovat säteiden ja pinnan normaalin välisiä kulmia.

Tasopeilin kuva on aina samankokoinen kuin varsinainen esinekin. Tasopeilin kuvaa sanotaan valekuvaksi. Näyttää siltä, että peilin kuva on peilin takana. Toisin kuin todellista kuvaa, valekuvaa ei saa näkyviin valkokankaalle. Kuva on myös aina samoin päin kuin esine. Peilin muodostamaa kuvaa voidaan tarkastella geometrisen optiikan avulla, jossa tarkastellaan valon kulkua valonsädemallin avulla.

Peilit voivat olla pinnaltaan myös kaarevia. Peili on tällöin pinnaltaan kupera tai kovera. Huvipuiston pilailupeilit ovat pinnoiltaan kaarevia. Jostain peilistä katsottuna katsoja näyttää lyhyemmältä tai pidemmältä ja paksummalta tai ohuemmalta kuin on todellisuudessa.

Tulokulma: tulokulma on tulevan säteen ja pinnan normaalin välinen kulma.
Heijastuskulma: heijastuskulma on heijastuneen säteen ja pinnan normaalin välinen kulma.
Todellinen kuva: esineestä muodostuva kuva, joka näkyy valkokankaalla, on todellinen kuva.
Valekuva: valekuva on esineestä muodostuva kuva, jota ei voi nähdä valkokankaalla.

Kupera peili: Peilin heijastava pinta on osa ympyrän kaarta. Heijastava pinta on poispäin ympyrän keskipisteestä. Muistisääntö: KUPera on KUPrulla (pullistunut).

Kovera peili: Peilin heijastava pinta on osa ympyrän kaarta. Heijastava pinta on kohti ympyrän keskipistettä. Muistisääntö: KOVera on KOVerrettu sisäänpäin.

Valepolttopiste: Piste, jossa säteen jatkeet leikkaavat. Sijaitsee peilin takana. Koveran linssin osalta valepolttopiste sijaitsee linssin edessä.

Kuvan muodostuminen: Tarkastelu, jossa piirtämällä määritetään esineestä muodostuneen kuvan paikka. Muodostunut kuva voi olla samankokoinen, suurennettu tai pienennetty. Se voi olla oikein- tai väärinpäin.

Valo

Valo on poikittaista aaltoliikettä, mutta sillä on myös hiukkasmaisia ominaisuuksia. Valoa voidaan kuvata aallon, hiukkasen tai säteen avulla. On kuitenkin hyvä muistaa, että mikään näistä malleista ei anna täydellistä käsitystä valon luonteesta. Käytettävä malli valitaan tarkasteltavan tilanteen mukaan. Esimerkiksi valon kulkua kuvatessa on luontevaa käyttää sädemallia.

Auringon säteilemä valo on valkoista valoa eli se sisältää kaikkia värejä. Jokaisella värillä on tietty aallonpituus. Näkyvän valon aallonpituus on välillä 380–740 nm. Nanometri, nm, tarkoittaa metrin miljardisosaa. Kun valkoinen valo kulkee prisman läpi, se hajoaa värikirjoksi eli spektriksi. Luonnossa sateella esiintyvä sateenkaari on seurausta valkoisen valon hajoamisesta. Silloin “prismoina” toimivat sadepisarat.

Valon eri värien aikaansaamiseksi tarvitaan kolmea pääväriä: punaista (red), vihreää (green) ja sinistä (blue). Muut värisävyt saadaan näitä yhdistelemällä. Painovärien osalta päävärit ovat keltainen (yellow), syaani (cyan) ja magenta (magenta). Muut värit saadaan näitä yhdistelemällä.

Sydänvarjo: suuntaavasta valonlähteestä syntyvä teräväreunainen tumma varjo.
Puolivarjo: laaja-alaisesta valonlähteestä syntyvä harmaampi varjo, joka on sydänvarjon ulkoreunalla.
Prisma: prisma on optinen laite, jolla voidaan taittaa, heijastaa tai hajottaa valoa.
Spektri: Spektri eli värikirjo. Valkoinen valo hajoaa prismassa spektriksi, joka sisältää kaikki värisävyt. Jos prismaan tuleva valo ei täydellistä valkoista valoa, on spektrikuviossa myös puutteita joidenkin värien osalta.

Värähtelijä

Soittimissa ääni tuotetaan erilaisten värähtelijöiden avulla. Äänen synnyttämiseen tarvitaan värähtelijä. Kitarassa värisee kieli, trumpetissa ilma ja rummussa kalvo. Taajuuden suuruus vaikuttaa syntyneen äänen korkeuteen. Matalia ääniä synnyttää värähtelijä, jonka taajuus on pieni. Korkeita ääniä synnyttää suuritaajuuksinen värähtelijä. Ihmisen kuuloalue on 20–20 000 Hz. Ääntä sanotaan ultraääneksi, kun sen taajuus on yli 20 000 Hz. Alle 20 Hz olevia ääniä sanotaan infraääniksi.

Soitin, joka värähtelee suurella taajuudella, tuottaa korkeaa ääntä. Soitin, joka värähtelee pienellä taajuudella, tuottaa matalaa ääntä. Molemmat äänet voivat olla joko voimakkaita tai heikkoja.

Ultraääntä käytetään raskaana olevien naisten sikiötutkimuksissa, koska ääni ei vahingoita sikiötä. Ultraääntä hyödynnetään myös tutkalaitteissa, kuten kaikuluotaimessa. Kaikuluotainta käytetään esimerkiksi kalastuksessa, ja sen avulla paikallistetaan kalaparvia sekä auton peruutustutkassa, joka lähettää ultraääntä, ja siten auton kuljettaja saa tiedon lähestyvästä seinästä.

Resonanssi-ilmiössä kaksi samantaajuista värähtelijää saavat toisensa värähtelemään. Esimerkiksi kuuloaisti perustuu resonanssiin. Resonanssin synnyttämä signaali etenee äänihermoa pitkin aivoihin, jossa tapahtuu kuuloaistimus. Äänen synnyttämiseen tarvitaan värähtelijä sekä väliaine, jota pitkin ääni etenee, ja havaitsemiseen vastaanotin. Lisäksi tarvitaan energiaa, jotta värähtelijä alkaisi värähdellä.

Salaman iskun etäisyyttä voidaan arvioida äänen ja valon nopeuksien eron perusteella. Kun salama iskee, se havaitaan heti, koska valon nopeus on noin 300 000 km/s. Salaman iskusta aiheutunut ääni etenee ilmassa äänen nopeudella, joten se havaitaan myöhemmin. Näiden tapahtumien aikaeron avulla voidaan tehdä arvio iskupaikan etäisyydestä: jokaista kolmea sekuntia kohden salaman lyöntietäisyys on kilometrin verran.

Värähdysliike

Keinun liike on siis värähdysliikettä ja keinu on värähtelijä. Kun keinu palaa takaisin lähtöpisteeseen, on tapahtunut yksi kokonainen värähdys. Keinun heilahdukseen kulunut aika on keinun värähdysaika. Värähdysaika saadaan laskettua, kun värähdyksiin kulunut aika jaetaan värähdysten lukumäärällä. Yleistäen kappaleen liikettä sanotaan värähdysliikkeeksi, jos se liikkuu edestakaisin liikkeen alku- ja loppupisteen välillä.

Värähdysliikettä voidaan kuvata taajuuden avulla. Liikkeen taajuus kuvaa, kuinka monta värähdystä tapahtuu yhdessä sekunnissa. Taajuuden suuruus saadaan laskettua, kun värähdysten lukumäärä jaetaan niihin käytetyllä ajalla. Taajuuden yksiköksi tulee siten 1/s, joka on sama kuin yksi hertsi, 1 Hz. Esimerkiksi kärpäsen siipien lyöntitaajuus voi olla 25 hertsiä, eli siivet lyövät 25 kertaa sekunnissa, kun taas albatrossin osalta se voi olla 0,2 hertsiä, eli siivet lyövät vain kerran joka viides sekunti. Radion lähetystaajuus voi olla 97,2 miljoonaa hertsiä eli megahertsiä (97,2 MHz). Tällöin radiosignaali värähtelee 97,2 miljoonaa kertaa sekunnissa.

Kun veteen putoaa jokin esine, veden pintaan syntyy aaltoliike. Veden rakennehiukkaset alkavat värähdellä ja värähtely etenee myös viereisiin rakennehiukkasiin. Kyseessä on aaltoliikkeeksi kutsuttu ilmiö. Aaltoliikkeen synnyttää aina jokin värähtelijä.

Aaltoliike jaetaan kahteen lajiin: poikittaiseen ja pitkittäiseen aaltoliikkeeseen. Aallonpituudeksi sanotaan etäisyyttä aallon samasta vaiheesta seuraavaan samaan vaiheeseen.