Valo
käytämme valoa nähdäksemme!
näkyvä valo on se osa sähkömagneettista spektriä, jonka silmämme näkevät:
se on vain pieni osa koko spektristä, eikö niin?
näkyvä spektri
näkyvä valo: aallonpituudet, jotka näkyvät useimmille ihmissilmille.
päävärit, järjestyksessä, menevät”Roy G Bv”: punaoranssi keltavihreä sinivioletti
kuten näemme tällä kauniilla sateenkaarella:
valon aallonpituudet ovat noin 380-750 nm
nm tarkoittaa nanometriä, metrin miljardisosaa.
esimerkki: punaisen valon aallonpituus on noin 700 metrin miljardisosaa. Pieni!
määritelmät vaihtelevat, mutta tässä on karkea ohje:
| Color | Wavelength Range (nm) |
|---|---|
| Red | 620–750 |
| Orange | 590–620 |
| Yellow | 570–590 |
| Green | 495–570 |
| Blue | 450–495 |
| Violet | 380–450 |
The frequency of red light is about 400 THz (and for violet is about 800 THz)
THz means teraHertz, a trillion cycles per toiseksi
niin punainen valo värähtelee noin 400 miljoonaa kierrosta sekunnissa. Nopeasti!
korkeammalla taajuudella (lyhyemmällä aallonpituudella) on enemmän energiaa:
- punaisella valolla on matalampi taajuus, pidempi aallonpituus ja vähemmän energiaa
- sinisellä valolla on korkeampi taajuus, lyhyempi aallonpituus ja enemmän energiaa
valon nopeus
valo kulkee lähes 300,000,000 metriä sekunnissa (tarkalleen: 299,792,458 metriä sekunnissa) tyhjiössä.
, joka on 300 miljoonaa metriä joka sekunti, tai:
- 3 × 108 m/s
- 300 000 km/s
- 186 000 mailia sekunnissa
sillä nopeudella valo kulkee:
| 1 metri | 3,3 ns (3,3 miljardisosaa sekunnissa) | |
| maapallon päiväntasaajan ympäri | 134 ms (134 tuhannesosaa sekunnissa) | |
| Maasta Kuuhun | 1.3 s | |
| Auringon pinnasta maahan | in | noin 8 minuuttia |
se on niin nopea, mutta kestää silti noin 8 minuuttia Auringon pinnasta maa.
tämän nopeuden symboli on c:
C = 300 000 000 m/s
valo voi kulkea hitaammin
meidän ei todellakaan pitäisi kutsua sitä valon nopeudeksi, ensinnäkin koska se koskee koko sähkömagneettista spektriä, ja gravitaatioaaltoja, ja paljon muuta! (Ehkä voisimme kutsua sitä ”maksiminopeudeksi”!)
mutta myös siksi, että valo kulkee tuota nopeutta vain tyhjiössä! Se voi kulkea hitaammin …
| Medium | nopeus miljoona m/s |
|---|---|
| tyhjiö | |
| ilma | 299.7 |
| jää | 228 |
| vesi | 225 |
| etanoli | 220 |
| lasi | 205 |
| oliiviöljy | 204 |
| timantti | 123 |
aallonpituus ja taajuus liittyvät toisiinsa
aallonpituus ja taajuus liittyvät toisiinsa:
frequency = Velocitywavelength
wavelength = velocityfrequency
olettaen, että valo on tyhjiössä, nopeus on valon nopeus:3 × 108 m/s
kokeillaan yksinkertaista esimerkkiä (tässä tapauksessa ei valon aallonpituutta):
Kuvittele hyvin pitkä aallonpituus 75 000 km
taajuus = 300 000 km/S75,000 km
4 /S
= 4 Hz
voimme mahduttaa 4 noita aallonpituuksia 300 000 km: lle, joten se värähtelee 4 kertaa 1 sekunnissa.
eli taajuus on 4 Hz (4 sekunnissa)
tai toisin päin, jos tiedämme sen värähtelevän 4 kertaa sekunnissa, voimme laskea sen aallonpituuden:
Aallonpituus = 300 000 km/s4 /s
= 75 000 km
esimerkki: sinisen valon aallonpituus on noin 480 nm (480 × 10-9 m)
joten taajuus on:
taajuus = 3 × 108 m/s480 × 10-9 m
= 6,25 × 1014 /s
= 6,25 × 1014 Hz
, joka on 625 terahertsiä
valo kulkee suoralla viivalla
valo kulkee suoralla, kunnes se osuu johonkin, tai sen reitti muuttuu eri tiheyksien tai painovoiman vaikutuksesta.
valoa aurinkopuroista tien toisella puolella.
varjot osoittavat myös, että valo kulkee suorina viivoina.
Tämä valo leviää hieman ja siroaa ilmakehään.
lasersäteet tekevät suoria viivoja.
Aalto
valo käyttäytyy aaltona, joten se voi:
- heijastuvat (pomppivat),
- hajaantuvat (pomppivat kaikkiin suuntiin),
- taitekertymät (vaihtonopeus ja suunta)
- diffraktiot (levittäytyvät aukon ohi)
- tai absorboituvat
fotonit
valo käyttäytyy myös Energiapaketteina, joita kutsutaan fotoneiksi.
- voimme mitata fotonin sijainnin ja liikemäärän.
- fotoneilla ei ole massaa, mutta jokaisella fotonilla on sen taajuuteen perustuva energiamäärä (värähtelyjen määrä sekunnissa)
- jokaisella fotonilla on aallonpituus
, joten se on kuin hiukkanen ja myös kuin aalto. Tätä kutsutaan”Aalto-hiukkasduaalisuudeksi”.
Einstein kirjoitti:
”näyttää siltä, että meidän on käytettävä joskus yhtä teoriaa ja joskus toista, kun taas toisinaan saatamme käyttää kumpaa tahansa.”
intensiteetti
intensiteetti on teho pinta-alaa kohti, yleensä watteina neliömetriä kohti:
intensiteetti = W/m2
esimerkki: aurinko pienessä 100 neliön talossa
auringosta saadaan energiaa noin 150-300 wattia neliömetriä kohti.
valitaan pienempi luku:
intensiteetti = 150 W/m2
kuinka paljon voimaa tuo on koko katon yli?
Power = 150 W/m2 × 100 m2
Power = 15 000 W
joten pientalo saa katolleen noin 15 kilowattia,mikä on moninkertaisesti enemmän kuin kotitalous käyttää.
mutta se tapahtuu vain auringon paistaessa, ja vain noin 20% voidaan kaapata tyypillisillä aurinkopaneeleilla
, mutta se on silti paljon energiaa auringosta.
Käänteisneliö
 |
Käänteisneliö: kun yksi arvo pienenee muiden neliönä arvo. |
esimerkki: valo ja etäisyys
mitä kauempana ollaan valosta, sitä himmeämpi se on.
kirkkaus pienenee etäisyyden neliönä. Koska valo leviää joka suuntaan:
- energia kaksi kertaa niin kaukana on levittäytynyt 4 kertaa alueelle
- energia kolme kertaa niin kauas on levittäytynyt 9 kertaa alueelle
- jne
Polarisaatio
valo on yleensä vapaa värähtelemään mihin suuntaan tahansa suorassa kulmassa kulkurataansa nähden.
mutta polarisoitunut valo värähtelee vain yhdessä tasossa:
valo polarisoituu osittain, kun se
kimpoaa pinnoilta kuten vesi tai lasi.
Polarisoivilla linsseillä voidaan estää valo kyseiseltä tasolta, vähentää heijastuvaa valoa ja helpottaa veteen näkemistä:
ilman ja polarisoivaa linssiä
kuituoptiikka
valo ja infrapuna voidaan lähettää valokuitukaapeleita pitkin kuljettaen aallonpituuteen koodattua informaatiota.
valokaapelit
valo pysyy sisällä taitekertymän erityisen ominaisuuden vuoksi: kun taitekerroin on ulkopuolelta pienempi eikä kulma ole liian jyrkkä, valonsäde heijastaa sisältä täysin sisäistä heijastusta:
valo kimpoaa seinistä kaapelin sisällä
valokaapelit ovat paljon parempia kuin sähköjohdot:
- johdot saavat enemmän” kohinaa ” (muita signaaleja, jotka vääristävät tai häiritsevät alkuperäistä) voimajohdoista, televisiosta, radiosta, Salamat ym.
- fotoneilla ei ole massaa, joten ne voivat vaihtua 0: n ja 1: n välillä nopeasti. Elektroneilla on massa ja ne ovat hitaita verrattuna
- lasilla on paljon vähemmän valonkestoa kuin kuparilla sähköisiä signaaleja vastaan, joten ne voivat mennä paljon pidemmälle tarvitsematta lisätä