6.2 Valon ilmiöitä ja sovelluksia

Keskeisiä kysymyksiä

2022-10-02T11:01:39+03:00

Miten valokuidussa hyödynnetään kokonaisheijastusta?

Missä eri tilanteissa valkoinen valo hajoaa eri väreihin?

Miten selitetään sateenkaaressa tai saippuakuplassa havaittavat värit?

Alaluvun tehtävät

2023-02-06T15:16:22+02:00

603, 615, 616, 617, 657, 658, 659, 660

Valokuitu

2023-01-27T12:25:34+02:00

Kokonaisheijastusta hyödynnetään tiedonsiirrossa. Valokuituun ohjataan valoa, joka etenee kuidussa heijastuen aineen rajapinnoissa. Valokuidussa on ydin, jossa valo etenee. Ydintä ympäröi kuori. Ytimen taitekerroin on suurempi kuin kuoren taitekerroin, joten valo kokonaisheijastuu rajapinnassa, kunhan se saapuu rajapintaan riittävän loivassa kulmassa. Tämän takia valokuitua ei saa taivuttaa liian jyrkästi, koska tulokulma muuttuu: kokonaisheijastusta ei välttämättä tapahdu ja signaalin kulku häiriintyy. Kuorta ympäröivät erilaiset päällyskerrokset, jotka suojaavat kuitua. Valokuidun yleisin materiaali on lasi. Lasi on sähköinen eriste, eikä se altistu muiden sähköisten ilmiöiden häiriöille.

Valokuidulla pystytään siirtämään suuri määrä tietoa, eli kuidun kaistanleveys on suuri. Valokuitu on pienikokoinen, luotettava ja taloudellinen, koska tietoa ei katoa matkalla, eikä signaalin laatu juuri huonone kuidussa.

Valkoinen valo hilassa

2022-11-10T16:52:57+02:00

Hilayhtälön mukaan kohdat, joihin intensiteettimaksimit syntyvät, riippuvat aallonpituudesta: [[$\sin\theta=\dfrac{k\lambda}{d}$]]. Valkoinen valo, kuten auringon tai hehkulampun valo, sisältää kaikkia näkyvän valon aallonpituuksia. Kun valkoinen valo kulkee hilan läpi, sen sisältämät aallonpituudet tuottavat vahvistavaa interferenssiä eri suunnissa. Tämä havaitaan valon hajoamisena väreihin varjostimella. Keskimmäinen valon interferenssikohta näyttää valkoiselta, koska keskellä kaikki aallonpituudet voimistuvat.

Interferenssi ohuissa kalvoissa

2022-11-03T21:54:57+02:00

Ohuet kalvot, kuten saippuakuplat tai veden pinnalla oleva öljyläikkä, näyttävät värikkäiltä. Ilmiö selittyy valoaaltojen interferenssillä. Osa ilmasta kalvoon tulevasta valosta heijastuu ja osa läpäisee kalvon yläpinnan, mutta heijastuu alapinnasta. Alapinnasta heijastunut säde on kulkenut pidemmän matkan. Matkaero riippuu kalvon paksuudesta sekä kulmasta, josta kalvoa katsotaan.

Jos matkaero on sopiva aallonpituuteen nähden, vahvistavat kalvon ylä- ja alapinnasta heijastuneet valoaallot toisiaan. Kalvo nähdään värikkäänä. Valon eri aallonpituudet vaativat erilaisen matkaeron vahvistavaa interferenssiä varten. Siten vain yksi aallonpituus näyttää vahvistuvan tietyssä kohdassa kalvoa katsottaessa sitä tietystä suunnasta.

Kun katsotaan samaa kohtaa eri suunnasta, kulma vaihtuu, pinnoilta heijastuneiden aaltojen matkaero muuttuu ja kalvo näyttää eriväriseltä. Samoin käy katsottaessa eri kohtaa, jos kalvon paksuus vaihtelee.

Dispersio ja sateenkaari

2022-11-15T12:25:12+02:00

Aineiden taitekertoimet riippuvat enemmän tai vähemmän aaltoliikkeen aallonpituudesta. Esimerkiksi piilasin taitekerroin punaiselle (760,8 nm) valolle on 1,603 ja siniselle (430,8 nm) valolle 1,635. Tästä seuraa, että eriväriset valot taittuvat hieman eri kulmiin. Ilmiötä kutsutaan dispersioksi. Dispersio voidaan havaita esimerkiksi valkoisen valon kulkiessa prisman läpi. Tässä kolmionmuotoisessa lasipalassa valo taittuu kaksi kertaa peräkkäin, ja eri aallonpituudet erkanevat toisistaan.

Sama ilmiö saa aikaan sateenkaaren. Valo taittuu ilmassa olevista vesipisaroista, ja eri aallonpituudet taittuvat hieman eri suuntiin. Toisin sanoen, katsojan silmiin tulevat valon eriväriset aallonpituudet näyttävät saapuvan hieman eri suunnista. Oikealla olevassa kaaviokuvassa havaitsija näkee suurennetusta vesipisarasta tulevan violettia valoa. Jos hieman ylempänäkin on pisaroita, niistä violetti valo kulkee havaitsijan yli. Sen sijaan havaitsija näkee muita värejä siten, että punainen väri on ylimpänä pienimmän taittumiskykynsä vuoksi.

Kaaviokuvasta voi myös päätellä seuraavaa: mitä korkeammalta, eli jyrkemmässä kulmassa aurinko paistaa, sitä matalammalla sateenkaari näyttää olevan. Kaaviokuvan tilanteessa aurinko paistaa vaakasuoraan, on juuri nousemassa tai laskemassa. Tällöin sateenkaari on korkeimmillaan. Kaaviokuvan mukaisesti sateenkaaren voi nähdä vain auringon paistaessa selän takaa.

Esimerkkejä

2023-01-27T12:26:00+02:00

Esimerkki 1

Hilan läpi johdetaan valoa valkoisesta ledistä. Hilassa on 300 rakoa/mm. Kuinka leveänä valon spektri näkyy ensimmäisen sivumaksimin kohdalla, kun varjostin on 3,22 metrin päässä hilasta?

Näytä ratkaisu

Esimerkki 2

Auringonsäde saapuu kruunulasiseen prismaan kuvan mukaisesti. Laske erot kulmissa, joihin näkyvän valon spektrin ääripäät taittuvat (kuvassa [[$\alpha$]] ja [[$\beta$]], kuvassa on liioiteltu eroja eri aallonpituuksien taittumisessa). Prisma on muodoltaan tasasivuinen kolmio.

Näytä ratkaisu