VALAISTUSTA VALOSTA

Fysiikan ja kemian perusteet ja pedagogiikka

Kari SormunenKevät 2014

OPPILAIDEN KÄSITYKSIÄ VALOSTA Oppilaat kuvittelevat, että valo etenee katsojan

silmästä katsottavaan kohteeseen. Todellisuudessa valo tulee esineestä silmään.

Oppilaat ajattelevat, että silmä saa aikaan näkemisen. Valo auttaa näkemään paremmin ja selvemmin. Silmä ei saa aikaan näkemistä, vaan näkeminen perustuu

silmään tulevaan valoon. Oppilaat päättelevät, että valo koostuu valonsäteistä.

Valonsäde on vain eräs tapa kuvata valoa, se on valon malli.

Oppilaat ajattelevat, että valon näkee pimeässä huoneessa. Ihminen voi nähdä vain kohteet, joista valo tulee silmään.

MITÄ VALO ON? Valolla tarkoitetaan sitä sähkömagneettisen

säteilyn osaa, joka havaitaan ihmissilmällä. Valoa, kuten muutakin sm-säteilyä, voidaan

mallintaa poikittaisella aaltoliikkeellä(vrt. oheinen kuvio sekä 2. harj. työ 5). Näkyvän valon aallonpituusalue 400 nm -700 nm (n tarkoittaa

nanoa eli 10-9), valon väri riippuu sen aallonpituudesta, ks. seuraava dia.

Ns. valkoinen valo koostuu eri aallonpituuksista. Valo etenee tyhjiössä nopeudella 300 000 km/s. Väliaineessa

valonnopeus pienenee. Valo ei siis välttämättä tarvitse väliainetta, mutta etenee myös sopivissa väliaineissa (ilma, vesi, lasi; ts. läpinäkyvissä aineissa).

Valolla on havaittu olevan sekä ns. hiukkasluonne: valo koostuu massattomista hiukkasista,

fotoneista (ei peruskoulun asiaa) että ns. aaltoluonne: valo on etenevää poikittaista aaltoliikettä (vrt.

edellä) Kun valo osuu esineeseen, valo voi heijastua siitä, imeytyä

siihen tai mennä sen läpi. Monissa tapauksissa tapahtuu kaikki kolme ilmiötä.

Sähkömagneettisen säteilyn lajeja: gammasäteily, röntgensäteily, ultraviolettisäteily, näkyvä valo, infrapunasäteily, radioaallot (täydennä kuvaan). Säteilyn energia pienenee aallonpituuden kasvaessa.

• Ns. valkoinen valo saadaan hajotettua eri väreiksi esimerkiksi prisman avulla. Prismassa violetti valo taittuu eniten ja punainen vähiten.

• Aurinko lähettää sähkömagneettista säteilyä kaikilla näkyvän valon aallonpituuksilla (lisäksi ultravioletti- ja infrapunasäteilyä)

• Kaikki aineet lähettävät (emittoivat) valoa tarpeeksi korkeissa lämpötiloissa (~5000 °C)– Alkuaineita (tai niiden ioniyhdisteitä) voidaan tunnistaa tämän

tiedon avulla• Hehkulampussa sähkövirta kuumentaa hehkulangan, joka rupeaa

säteilemään valoa (ja lämpöä).• Loisteputkessa valo synnytetään ns. fluoresenssi-ilmiön (ei tämän

opintojakson sisältöä) avulla, samoin kuin energiansäästölampuissa.

radioaallot

VALON SUORAVIIVAINEN ETENEMINEN Valonlähteen (aurinko, muut

tähdet, lamput, kynttilä jne.; joilla siis säteilyyn riittävän korkea lämpötila) lähettämän valon voi nähdä vain jos sen ”tielle” osuu hiukkasia (pölyä, savua, pieniä vesipisaroita).

Hiukkasista heijastuvan valon avulla nähdään ns. valokeila.

Valokeilan muoto kertoo sen, että

(valo-opin I perussääntö). Valon suoraviivaista etenemistä

kuvaamaan käytetään

Varjo on valoton alue. Esineen taakse muodostuu varjo, koska valo etenee suoraviivaisesti eikä pääse esineen taakse (vrt. harjoituksissa käsitteet sydänvarjo ja puolivarjo).

VALAISTUSVOIMAKKUUS Jos suuntaat taskulampun valon lähellä olevaan seinään,

huomaat valaistun alueen olevan pieni ja kirkas, mutta kauempana olevalla seinällä se olisi suuri ja himmeä.

Valaistusvoimakkuus pienenee, kun etäisyys valonlähteestä kasvaa.

Valoa ei ”häviä” matkalla, mutta koska valaistava alue kasvaa, valo jakaantuu suuremmalle alueelle.

Valaistusvoimakkuus on suure, jonka yksikkö on luksi (lx). Sitä voidaan mitata valaistusmittarilla (vrt. 4 harjoitukset, työ 5).

Erilaisia valaistusolosuhteita Talvinen täysikuutamo: 0,2 lx Katujen yleisvalaistus: 30 lx Opetustilat: suositus 300 lx Opiskelutilat (lukeminen, kirjoittaminen): suositus 500 lx Poikkeuksellista tarkkuutta vaativa työ: suositus 5000 lx Tavallinen pilvinen päivä: 10 000 lx Auringonvalo kirkkaimmillaan, leikkaussalin leikkausvalaistus: 100 000 lx

VALON HEIJASTUMINEN

(valo-opin II pääsääntö; ks. kuvio).

Tavallinen seinäpeli on tasopeili, ts. sen pinta on suora. Keskenään yhdensuuntaiset valonsäteet heijastuvat siitä yhdensuuntaisina; siksi tasopeilissä näkyvä kuva on samanlainen kuin itse esine.

Kovera peili

Esim.

Kuperan peilin

Esim.

VALO ON NÄKEMISEN EDELLYTYS: VALO ON NÄKEMISEN EDELLYTYS:

Esineen voi nähdä vain, jos se itse lähettää valoa (on siis valonlähde) tai jos se heijastaa valoa.

VALON TAITTUU AINEIDEN RAJAPINNASSA

(valo-opin III pääsääntö).

LINSSIT SAAVAT VALON KOHDISTUMAAN TAI HAJAANTUMAAN

Kupera linssi

Kovera linssi

ENNAKKOKÄSITYSTESTIN VALO-OPIN VÄITTEET1. Näet kirjan pöydällä. Mihin seuraavista kirjan näkeminen

perustuu?a) Kirja lähettää valoa silmäänb) Kirja nähdään lampusta silmään tulleen valon avullac) Lampusta lähtenyt valo heijastuu kirjasta silmäänKirja – sen enempää kuin silmäkään – ei ole valonlähde! Kokeile vaikka pimeässä!

2. Mistä ihmisen väriaistimus riippuu?a) Esineen materiaalistab) Tilan valaistuksestac) Valaistuksen voimakkuudestaKaikki em. seikat vaikuttavat väriaistimukseemme. Materiaalit voivat olla itsessään erivärisiä, tarpeeksi ”hämärässä kaikki kissat ovat harmaita”.

3. Kuinka valo heijastuu tyynen veden pinnasta?1. Takaisin tulosuuntaansa2. Heijastuskulma on yhtä suuri kuin tulokulma3. Vesi ei heijasta valoa

Ratkaisuna valo-opin II pääsääntö eli heijastumislaki.