25

3. VALGUS3. VALGUS

3.1. Valgusallikad

Valgusallikad ja soojusallikad.Miks on taevatähed erineva värvusega?Kas Kuu on valgusallikas?

Valgusallikad kiirgavad valgust, kõik teised esemed on vaid valgusallikatest neile langenud valguse peegeldajad. Kui toas on pime, paneme tule põlema. Nii me ütleme. Tegelikult me tuld ei tee, vaid lülitame sisse valgusallika, milleks on enamasti kas laua-, lae- või põrandalamp. Lülitile vajutamisel tekib lambis elektrivool, mis põhjustabki valguse kiirgumist. Kodus kasutame tavaliselt hõõglampe, koolis aga ena-masti päevavalguslampe.

Vaatlus ja arutlus: hõõglamp • Silmitse tähelepanelikult oma laualambi pirni, kui see ei põle. Kas näed

hõõgniiti? Millise kujuga see on? Kui hõõgniit ei paista, siis on su lambis nn mattklaasiga pirn. Sellise lambipirni sisemisele küljele on kantud val-gust hajutava aine kiht. Kindlasti on aga klaaskesta sees metallist hõõgniit, kusjuures metalliks on volfram. Miks volfram? Sest just see metall kan-natab kõige kõrgemat temperatuuri. Volfram sulab 3390 °C juures, raud temperatuuril 1535 °C ja vask 1083 °C.

Joonis 3.1. Läbipaistva klaasiga hõõglamp• Milline gaas on hõõglambi sees? Tavaliselt on selleks mõni selline gaasiline

aine, mis takistab hõõgniidi aurustumist (nn inertgaas, näiteks argoon või krüptoon). Ka lämmastikku on kasutatud. Autolaternates, filmi- ja paljun-dusaparaatides kasutatakse põhiliselt halogeenlampe, kus eelnimetatud gaasidele on lisatud joodi või broomi. Need satuvad keemi lisse reaktsioo-ni hõõgniidist eralduva metalliauruga ning takistavad nende sadestumist hõõgniidi kesta sisepinnale.

nikkeltraat

vasktraat

sokkel

põhjakontakt

klaaskolb

hõõgniit

26

• Pane lamp põlema ja vii käsi lambipirni juurde. Tunned sooja. Seega kiir gub hõõglambist peale valguse ka soojust. Täpsustuseks: enamus hõõglambist kiirguvast energiast ongi soojus. Valgusenergiaks muundub vaid väike osa kulutatud elektrienergiast. Hõõglamp kuulub soojuslike valgusallikate hulka. Seejuures sõltub kiiratud valguse värvus hõõguva metalli temperatuurist. Nii on kõigi metallidega. See võimaldab värvuse järgi metalli temperatuuri hinnata.

Vaatleme lähemalt terasest keha värvuse muutumist kuumutamisel. Kui rauast või terasest ese (näiteks saunaahi) on jahedam kui 730 °C, kiirgab ta ainult soojust ja on sama värvi mis külmalt. Kõrgema tempe ra tuurini kuu-mutatud terasest keha värvused on antud järgnevas tabelis:

Terasest eseme temperatuur (°C) Värvus

730–770 küpse kirsi värvi

770–800 kirsipunane

800–830 hele kirsipunane

830–900 helepunane

900–1050 oranž

1050–1150 tumekollane

1150–1250 helekollane

1250–1300 valge

Sepp, kes tahab terasest midagi sepistada, peab terasetükki aga kuumuta-ma üle 730 kraadi. Seda mitte ilusa punase värvuse pärast, vaid seetõttu, et kuumutamisel aatomitevahelised sidemed nõrgenevad ja keha kuju on kergem muuta.Suurimate looduslike valgusallikate – tähtede – värvus sõltub samuti nende temperatuurist.

Järgnevas tabelis on toodud mõnede heledate Eestis nähtavate tähtede pinna-temperatuurid ja värvused.

Foto 3.2. Elva Gümnaasiumi direktor Kalmer Kivi proovib ka

sepaametit

Täht/ tähtkuju Tähe pinna temperatuur °C Tähe värvus

Antaares /Skorpion 3000 punane

Aldebaran /Sõnn 3600 oranž

Kapella/Veomees 4800 kollane

Päike 6000 kollakasvalge

Altair/Kotkas 8000 valge

Siirius/Suur Peni 9700 valge

Riigel/Orion 15500 sinakasvalge

Spiika /Neitsi 26000 sinakasvalge

27

Kas Kuu on valgusallikas? Kuigi Kuu paistab mõnikord väga heledalt, val-gusallikas ta ei ole. Kuu pind ei ole tuline, sealt peegeldub vaid valgus, mis on tema pinnale langenud.

Lisalugemist

Hõõglambi leiutamisest Esimesed katsed hõõglambi valmistamiseks tehti aastatel 1838–1840.Hõõguva kehana kasutati esisalgu sütt. See on igati loomulik, sest ka lõkkes kiirgab valgust hõõguv süsi. Aas-tal 1872 alustas vene elektrotehnik Aleksandr Lodõgin söepulkhõõglampide tootmist. Esimesed pika töö eaga hõõglambid valmistas aastal 1879 ameeriklane Thomas Alva Edison.1854. a leiutas H. Goebel sellise hõõglambi, mille kestas oli vaakum (väga hõre õhk) ning hõõgniidiks söestatud bambusniit. Volframist kütteniidiga hõõglampe hakati valmistama aastal 1905 Saksamaal.

Kokkuvõtteks

• Valgust kiirgavaid kehi nimetatakse valgusallikateks. Valgusallikaid võib jaotada erinevate tunnuste alusel.

Iga valgusallikas muundab mingit liiki energiat valgusenergiaks. Et kuumal, hõõguval kehal on energiat, mida valguseks muundada, pole üllatav. Kuid valgust kiirgavad ka virmalised, teleriekraan, samati mõned elusolendid, näiteks jaaniuss, mis ei ole kuumad. Järelikult võib valguenergiaks muunduda mitut liiki energia. Päevavalguslambis on on see energia pärit kiirete elektronide põrgetest elavhõbeda aatomitega. Virmalisi ehk polaarvalgust põhjustab kosmosest tulnud elektronide ja prootonite põrkumine lämmastiku ja hapniku aatomitega Maa atmosfääris. Energiat võib vabaneda ka keemiliste reaktsioonide käigus.

SOOJUSLIKUD

hõõglamp

lõke

Päike

MITTESOOJUSLIKUD

päevavalguslamp

jaanimardikas

teleriekraan

VALGUSALLIKAD

28

• Enamik esemeid on valguse peegeldajad, mitte kiirgajad. Nende hulka kuuluvad ka planeedid ja nende looduslikud kaaslased ehk kuud. Ka meie planeedi ainuke looduslik kaaslane Kuu ja kõik tehiskaaslased on nähtavad ainult siis, kui meie silma satub nende pinnalt peegeldunud päikesevalgust.

Küsimusi ja ülesandeid

1. Milliseid soojuslikke ja mittesoojuslikke valgusallikaid sa oled kasutanud? 2. Loetle võimalikult palju valgusallikaid ja jaota need erinevate tunnuste

alusel.3. Milliseid helendavaid taevakehi sa oled taevasse vaadates märganud? 4. Kirjelda võimalikult täpselt neid etappe, mille tulemusena hakkab lambi-

pirnist valgust kiirguma. Alusta hetkest, kui sa lambilülitile vajutad.5. Kas inimene kiirgab valgust? Aga soojust?

3.2. Vari ja varjutused

Mis on vari?Mis on varju tekkimise tingimused? Kas päikesevarjutust on üldse olemas?

Küllap oled sinagi tugeva vihma või põletava Päikese eest varju otsinud. Politseinikelgi tuleb aeg-ajalt kivirahe eest varjuda. Mis neis varjumistes ühist on?

LOODUSLIKUDTEHISLIKUD

(inimese leiutatud)

VALGUSALLIKAD

Joonis 3.3. Varjualuses leiab kaitset nii vihma, päikesekiirguse kui ka kivirahe eest

?

29

Loomulikult, kaitset leiame vihma- või päikesevarju all või kilbi taga vaid siis, kui „rünnak” tuleb ühest kindlast suunast, olgu ründajateks veepiisad, raheterad, valguskiired või kivid. Asjaolu, et läbipaistmatu keha taha ei pääse, on kinnituseks valgus sirgjoonelise levimise kohta. Seda ruumiosa, kuhu valgus ei pääse, nimetatakse varjualuseks ehk varju piirkonnaks.Mis on varju tekkimise tingimused? Kindlasti peab valguse tee peal ette jääma keha, millest ta läbi ei pääse. Kuid sellest veel ei piisa. Miks ei ole pilvise ilmaga varje, kuigi valge ju on? Milliste valgusallikate, kas suurte või väikeste, korral on varju piirjooned teravamad? Miks on heledate seintega toas varjude piirjooned väga ähmased? Neile küsimustele vastuse leidmiseks vaatleme jooniseid, kus üks ja sama läbi-paistmatu ese on pandud kord mõõtmetelt väikese, kord suure valgusallika ette.

Joonis 3.4. Mida väiksem on valgusallikas, seda suurem on see ruumiosa,

mille eest ese valguse ära varjab

Joonistel on selgesti näha, et varju piirkond on seda suurem, mida väiksem on valgusallikas.

Joonis 3.5. Mida kaugemal valgupunktist tõke asub,seda kitsam on varju piirkond

Pöördume veel kord tagasi suure valgusallika juurde. Nägime, et sel juhul on ruumiosa, kuhu valgusallika valgus üldse ei pääse, väiksem kui valguspunkti korral. Täpsustame siinkohal valguskiire mõistet. Matemaatikas defi neeritakse kiirt kui poolsirget. Füüsikas näitab kiir energia levimise suunda. On arusaadav, et iga valguskiire alguspunktiks on üks valgusallika punkt. Kuid kiirel kui joonel puudub paksus. Kui autolaternatest tulev valgus langeb teele, tekib sinna valguslaik, millel on mõõtmed. Seega valgus ka levib mingis ruumi-osas, mille on mõõtmed. Öeldakse, et teele langeb valgusallikast kiirgunud valgusvihk. Seega on valguskiirt nimetada valgusvihu mudeliks.

30

Sellel joonisel on valgusallika kõige ülemisest punktist väljuvatest kiirtest kaks tähistatud numbritega. Mille poolest need erilised on? Kõik kiired, mis levivad nende kahe vahel, „jäävad tõkke taha kinni” ja ei pääse sellest läbi. Vaatleme nüüd joonist, kuhu on kantud valgusallika mõlemast äärmisest punktist väljuvad „erilised” kiired.

Joonis 3.7

Jooniselt on näha, et olenevalt sellest, kus me asume, on pilt valgusallikast erinev. Mõnest kohast

Reaalne objekt Mudel

Kui suitsusesse tuppa langeb valgus läbi kitsa ava, siis näeme seal kitsast valgusvihku.

Valgusvihu mudeliks on valguskiir, mis näitab, millises suunas valgus-energia levib.

Joonis 3.6

31

b) otsevaatesa) külgvaates

• näeme kogu valgusallikat• näeme valgusallikat osaliselt – see on poolvarju piirkond • ei näe üldse valgusallikat – see on täisvarju piirkond

On ilmne, et poolvarju piirkonnas tõkkest eemaldudes kas üles või alla, hakkab paistma üha suurem osa valgusallikast. Seega ei tähenda poolvarju piirkond sugugi seda, et seal asudes saab näha poolt (1/2) valgusallikat, vaid ainult seda, et paistab osa valgusallikast. Oleme seni rääkinud poolvarju ja täisvarju piirkonnast, kuid nende asemel võib öelda ka lihtsalt vari ja poolvari. Aga mis tekib ekraanile läbipaistmatu ese me taha? Ka ekraanil tekivad vari ja poolvari. Aga mis tekib ekraanile läbipaistmatu eseme taha? Ka ekraanil tekkivaid varikujutisi nimetatakse varjuks ja poolvarjuks. Mõtleme nüüd sellele, mida sa näed kinos, kui sa ekraanile vaatad. Ekraanile langeb valgust läbi fi lmi nende kohtade, kust valgus läbi paistab. Tume on ekraan seal, kuhu valgus ei pääse, sest fi lmilin-dil on midagi, mis valgust läbi ei lase. Seega võib öelda, et ekraanile tekivad fi lmil olevate objektide varikujutised.

Joonis 3.8. Valgusallikast väiksem tõke tekitab ekraanil nii täis- kui ka poolvarju

Kuu ja päikesevarjutus

Kuuvarjutus toimub siis, kui Maa varjab Kuu eest päikesevalguse. Päikese suurte mõõtmete tõttu läbib Kuu nii pool- kui täisvarju piirkonna.

Joonis 3.9. Umbes 100 minuti kestel päikesevalgusotse Kuu peale ei paista

32

Kuuvarjutusi on mitut liiki. Kõige huvitavam on kahtlemata täielik kuuvar-jutus, kui Kuu satub üleni Maa täisvarju piirkonda. See vaatepilt on väärt, et mõned öised unetunnid loovutada. Omast kohast huvitav on juba Kuu nähtava osa kahanemise jälgimine. Kuid kõige põnevam on hetk, kui Kuu jõuab tervenisti Maa täisvarju piirkonda. Selle asemel, et nähtamatuks jääda, ilmub ta hoopiski üleni tumepunasena! Kuidas seda seletada? Üks võimalus vastuse leidmiseks on lugeda ajakirjas Horisont 4/1997 trükitud artiklit Mil-list kuuvarjutust tasub vaadelda.Aga kuidas peavad Maa, Kuu ja Päike asetsema, et toimuks päikesevar-jutus? See leiab aset, kui Kuu katab Maal oleva vaatleja eest Päikese. Kuna Kuu on Maast mitu korda väiksem, siis ei suuda ta kuidagi kogu maapinda päikesekiirte eest varjata. Kuu vari maapinnal on vaid paarisaja kilomeetrise läbimõõduga ning varjutus ise kestab paar minutit.

Joonis 3.10. Päikesevarjutuse skeem

Mõtleme nüüd, kas päikesevarjutuseks nimetatav nähtus on ikka päikese-varjutus. • Kuuvarjutuse ajal on Kuu Maa tekitatud varju piirkonnas. • Päikesevarjutuse ajal on osa Maa pinnast Kuu tekitatud varju piirkonnas.Kas meie peaks päikesevarjutust hoopis maavarjutuseks nimetama? Ilmselt peaks. Aga nimi ei sega elamuste saamist.

Foto 3.11. Sellist päikesevarjutust sai Eestis näha 11. augustil 1999

33

Teemasid uurimistööks

• Kuuvarjutused: poolvarjuline, osaline, täielik.• Päikesevarjutused: osaline, rõngakujuline, täielik.

Küsimusi ja ülesandeid

1. Miks on varjud keskpäeval palju lühemad kui hommiku- ja õhtupoolikul? Tee selgitav joonis.

2. Kuidas peavad Päike, Kuu ja Maa üksteise suhtes asetsema, et toimuks kuuvarjutus?

3. Kuu on ju Maast väiksem. Kuidas ta saab üldse Päikest Maal asuva vaatleja eest katta?

3.3. Valguse peegeldumine tasaselt pinnalt

Mis juhtub valgusega, kui ta õhus levides jõuab sileda veepinnani?Miks on tantsu lihtsam õppida, kui seisad näoga sama suunas kui õpetaja? Milline on erinevus sinu ja su peegelpildi vahel?

Kes meist pole imetlenud puude peegelpilti siledalt järvepinnalt või ennast peeglist. Füüsikud nimetavad peegeldusi siledatelt pindadelt kujutisteks. Kus ja kuidas need tekivad? Valguse peegeldumisseadust tun des pole ku-jutise asukohta raske leida. Vaatleme jooniselt, kuidas saab leida tasapeegli ette asetatud valguspunkti S kujutise asukohta. Valguspunktist S väljuvad kiired kõigis suundades. Uurime välja, mitmest kiirest piisab, et leida valguspunkti kujutise asukohta.

Joonis 3.13.

Esimene kiir on eriline sellepoolest, et ta langeb peeglile risti. Langemis- ja peegeldumisnurk on sel juhul 0°. Seega peegeldub kiir 1 sama teed pidi tagasi, kui ta peeglile langes. Teised kaks kiirt võib valida suvaliselt. Kiir 3 satub peeglile kaugemas punktis kui kiir 2 ja seetõttu on tema langemisnurk suurem kui kiirel 2. Nende kiirte edasise käigu joonistamiseks tuleb lange-mispunktist tõmmata peegelpinnale ristsirged, märkida langemisnurgad ja seejärel joonistada peegeldunud kiired 2’ ja 3’.

?

Foto 3.12. Kõvera puu peegeldus tasaselt veepinnalt

34

Ühest punktist väljuvad kiired eemalduvad üksteisest – peeglile langeb hajuv valgusvihk.

Joonis 3.14. Hajuvad kiired kujutavad hajuvat valgusvihku

Mida kaugemas punktis valgus peeglile langeb, seda suurem on ka langemis-nurgaga võrdne peegeldumisnurk. Seega on ka peegeldunud kiired hajuvad nagu langevad kiiredki. Seetõttu nad omavahel ei lõiku. Nüüd aga võtame appi väikese kavaluse: pikendame peegeldunud kiiri peegli taha.

Jooniselt on näha, et peegeldunud kiirte pikenduse lõikuvad kõik ühes ja samas punktis. Kui nüüd vaadata peegli suunas nii, et peegeldunud kiired (näiteks 2’ ja 3’) silma langevad, näib vaatajale, et valgus tuleb peegli tagant ühest ja samast punktist. Seda punkti S’ nimetatakse valguspunkti S peegel-pildiks ehk näivaks kujutiseks. Näiv on ta sellepärast, et tegelikult sealt ju valgust ei tule. Meile vaid näib, et tuleb. Paneme tähele, et kui valguspunkt viia peeglist kaugemale, siis eemaldub peeglist ka selle kujutis. Kasutades koolimatemaatikas õpitut, pole keeruline tõestada, et punktide S’ ja S kaugus peeglist on alati võrdne. Proovi seda ise-seisvalt teha! Seega paiknevad valguspunkt ja tema näib kujutis tasapeegli suhtes sümmeetriliselt – üks peegli ees, teine sama kaugel peegli taga.Nägime, et kuigi valgusallikast väljuvad kiired kõigis suundades, piisab val-guspunkti kujutise asukoha leidmiseks kahest kiirest. Kolmandat kasutame selleks, et veenduda oma tulemuse õigsuses.

Joonis 3.15. Tasapeeglis tekkiva kujutise konstrueerimine

35

Vahekokkuvõte

Tasaselt peegelpinnalt peegeldunud valgus tekitab valguspunktist näiva kuju-tise, mis asub peegli taga sama kaugel, kui on valguspunkt peegli ees.

Oskus leida valguspunkti kujutise asukohta võimaldab leida ka eseme kuju-tist. Sest keha iga punkt, mille le langeb valgust, peegeldab valgust. Iga punkti kujutis paikneb peegli taga sama kaugel, kui asub punkt peegli ees. Aga kõi-kide punktide kujutist ei ole alati vaja kiirte abil konstrueerida. Kui sa seisad tasapeegli ees, siis on ju sinu kujutis sinuga sarnane. Tasapeegel ei moonuta tegelikkust. Näitena vaatleme, kuidas konstrueerida tähe L kujutist, mille tekitab tasapeegel. Mitme punkti kujutise leidmisest piisab? Otsus ta ise. Sirg-lõik paistab ka tasapeeglisse vaadetes sirglõiguna. Joonistame peegel pinna ristsirged läbi tähte L moodustavate sirglõikude otspunktide. Mär gime nen-de punktide kujutised joonistatud ristsirgetele peegli taga. Ühen dame leitud punktid joonlaua abil.

Vaatleme oma joonist tähelepanelikult. Kui joonisel kujutatud asuva vaat-leja silm on suunatud otse tähe L poole, siis paistab selle ülemine otspunkt asuvat paremal. Kui aga vaatleja silm on suunatud peegli poole, siis paistab seesama punkt hoopiski vasakul. Seega „vahetab“ tasapeegel vasaku ja pa-rema poole ära. Et selles veenduda, mine peegli ette. Vaata kahe sinu selja taga asuva eseme kujutist. Jäta meelde, kumb neist paistab paremal, kumb vasakul. Nüüd pöördu seljaga peegli poole ja võrdle nende tegelikku asendit peeglis nähtuga.

Kokkuvõte

Tasaselt peegelpinnalt peegeldunud valgus tekitab esemest näiva kujutise, mis asub peegli taga sama kaugel, kui on ese peeglist.

Küsimusi ja ülesandeid

1. Kui sa seisad peegli ees, kus on sinu kujutis?2. Vaatle fotot selle õppetüki alguses. Mille poolest on puu ja tema kujutis

a) sarnased; b) erinevad.

Kuidas leida tasapeeglis tekkiva kujutise asukohta?

?

36

3. Seisa peegli ees ja vaatle tähelepanelikult oma kujutist peeglis. Milles seis-neb sinu ja sinu kujutise erinevus?a) Pilguta oma vasakut silma. Kumba silma pilgutab sinu kujutis?b) Tõsta oma paremat kätt. Kumma käe tõstab kujutis?c) Kummardu. Mida teeb sinu kujutis?

4. Joonista tasapeegel ja peegli ette täht L. Konstrueeri tähe kujutis.Näpunäide: eseme kujutise saad, kui kannad joonisele tema oluliste punk-tide kujutised.

Mõtlemist

Foto 3.16. Lasteaia tantsutunnis

Kui istud klassipingis ja tahad õpetaja seletustest aru saada, siis vaevalt sulle meeldiks, kui õpetaja oleks kogu aeg seljaga sinu poole. Hoopis teine lugu on, kui tahad võimalikult täpselt tema liigutusi järele teha. Tantsukursustel astub õpetaja uute tantsusammude õpetamisel, selg ees, õpilaste ette. Ja ka siis, kui õpetaja seisab näoga õpilaste poole, pööravad mõned õpilased end teistpidi ja kiikavad õpetaja poole üle õla. Ja lasteaiaõpetajad räägivad, et kui seista näoga laste poole ja paluda lehvitada parema käega, liigutab enamus lapsi hoopis vasakut kätt. Miks nii?

Huvitavat lugemist: Martin Gardner Vasak – parem maailm.

3.4. Valguse murdumine

Mis valgusega peale peegeldumise veel juhtub?Mida tähendab optiline tihedus?Mismoodi paistab maailm vee alt vaadates?

Pöördume tagasi küsimuse juurde, mille püstitasime eelmises õppetükis. Mis juhtub õhus leviva valgusega, kui ta jõuab tasasele veepinnale? Teame, et osa valgust peegeldub tagasi õhku. See võimaldab vaatlejal, kelle silm on veepinnast kõrgemal, näha veepinna kohal olevate esemete peegelpilte ehk näivaid kujutisi. Aga mida näeb vaatleja, kes on vees, st tema silm asub all-pool veepinda ning ta vaatab ülespoole?

??

37

Joonis 3.17. Vaatlejad on vee all ja vaatavad veepinna poole erinevates suundades

Mida näevad vaatlejad? Esimene ei näe arvatavasti midagi erilist. Teine vaat-leja võib näha Päikest, aga mitte seal, kus see tegelikult asub. Kolmas vaatleja näeb kivi, mis on veekogu põhjas. Kuidas siis nii? Asi on selles, et õhu ja vee piiril toimub kaks nähtust: osa valgust peegeldub, ülejäänud osa läheb ühest keskkonnast teise. Seejuures kehtib seaduspärasus, et mida järsemalt kiired langevad, seda vähem valgust tagasi peegeldub ja seda rohkem läheb eda si teise keskkonda. Need kaks nähtust esinevad nii valguse levimisel õhust vette kui veest õhku. Kui sa tegid läbi töövihiku praktilise ülesande klaas plaadiga, siis sa juba tead, et ühest läbipaistvast keskkonnast teise minekul valguse levimise suund üldjuhul muutub (ei muutu vaid siis, kui valgus langeb kahe keskkonna piirpinnaga risti). Valguse levimise suu na muutumist valguse levimisel ühest läbipaistvast keskkkonnast teise nime tatakse valguse murdumiseks. Seda teades püüame selgitada, millised valguskiired erinevate vaatlejate silma satuvad.

Joonis 3.18. Kust jõuab valgus vaatleja silma?

38

Esimese vaatleja silma satuvad vaid püstsihis, nii alt üles kui ülalt alla, le-vivad kiired. Kui veepinna kohal mingit eset ei asu, siis näeb ta vaid otse pea kohal olevat taevast. Kuna vees osa valgusenergiat neeldub, siis mida sügavamal on vaatleja, seda vähem valgust temani jõuab. Teise vaatleja silma jõudvad kiired muudavad veepinnal oma suunda, mur-dudes pinna ristsirge poole. Tema silma satuvad ka need kiired, mis kõige-pealt peegelduvad veekogu põhjast ja seejärel veepinnalt. Aga see valgus on kindlasti palju nõrgem kui päikesevalgus. Seega näeb ta Päikest, aga kõrge-mal, kui Päike horisondi kohal tegelikult on. Kolmanda vaatlejaga on asi kõige keerulisem – tema vaatab veepinna poole nii suure nurga all, et tema silma jõuavad vaid veekogu põhjast tagasi peegel-dunud kiired. Miks see nii on, seda selgitame järgmises õppetükis. Õhust erinevatesse ainetesse levimisel muutub valguse levimise suund eri-neva nurga võrra. Näiteks valguse levimisel õhust klaasi murdub valgus rohkem kui õhust vette levimisel. Seega on sama langemis nurga korral mur-dumisnurk klaasis väiksem kui levimisel õhust vette. Erineval määral muutub seejuures ka valguse levimise kiirus. Vaakumis (tavamõistes tühjuses) on valguse kiirus kõige suurem – ligikaudu 300 000 km/s. Kõikides keskkonda-des on valguse levimiskiirus sellest väiksem. Seejuures kehtib järgnev seadus-pärasus: mida väiksem on valguse levimise kiirus antud keskkonnas, seda rohkem muutub valguse levimise suund sellesse keskkonda sisenemisel. Õhus levib valgus peaaegu sama kiiresti kui tühjuses. Kui me näiteks tahame teada, kui kaua levib valgus Päikeselt või mõnelt teiselt taevakehalt Maale, võib julgesti võtta kiiruse väärtuseks kogu liikumise kestel 300 000 km/s.Valguse murdumisel esinevate seaduspärasuste valemi abil kirjapanekuks jääb 8. klassis õpitud matemaatikast väheseks. Piirdume sellega, et sellist keskkonda, milles valgus levib muutumatu kiirusega, nimetatakse optili-selt ühtlaseks keskkonnaks. Katsed näitavad, et erinevates optiliselt ühtlas-tes keskkondades levib valgus erineva kiirusega. Mida optiliselt tihedam keskkond, seda aeglasemalt valgus selles keskkonnas levib.

Aine Valguse kiirus aines Valguse kiiruste suhe antud aines ja õhus

klaas 200 000 km/s 2 : 3

vesi 225 000 km/s 3 : 4

Tabelis esitatud arvud on ligikaudsed, sest on olemas mitut liiki klaasi ja ka vesi võib olla erineva koostisega. Pealegi sõltub kiirus temperatuurist. Näiteks soojeneb tume asfalt päikesevalguses ja seega suureneb ka valguse kiirus maantee kohal olevas õhus. Sellest, mis sellega kaasneb, on juttu järgmises õppetükis. Valguse kiiruse iseloomustamiseks on füüsikud kasutusele võtnud mõiste keskkonna optiline tihedus. Mida optiliselt tihedam on keskkond, seda aeg-lasemalt valgus seal levib.

Kas valguse levimise kiirus on alati ühe-

sugune?

39

Kokkuvõte valguse levimise kohta ühest läbipaistvast keskkonnast teise

Seos sõnadega Seos sümbolite abil Selgitav joonis Seos kiiruste vahel

Kui valgus langeb kesk kon-dade piir pinnale (lahu tus- pinnale) risti, siis ta liigub edasi esialgses suunas.

Kui α = 0, siis γ = 0,kusα – langemisnurk;γ – murdumisnurk

Mida optiliselt tihe dam keskkond, seda aegla-semalt valgus seal levib

Kui valgus langeb kesk-kondade piirpinnale kal-du, siis muutub levimise suund. 1. Optiliselt hõredamast kesk konnast opti li selt tihe-damasse keskkonda üle-minekul kaldub kiir pinna ristsirge poole.

2. Optiliselt tihedamast keskkonnast optiliselt hõre- damasse keskkonda üle-minekul kaldub kiir pinna ristsirgest eemale.

Kui α ≠ 0, siis γ ≠ 0,seejuures α ≠ γ

γ < α

γ > α

Mida optiliselt tihe dam keskkond, seda aeg la-semalt valgus seal levib

Kiirus väheneb

Kiirus suureneb

Küsimusi ja ülesandeid

1. Võrdle valguse kiirust õhus ja vees mitmel viisil, kasutades nii jagamis- kui lahutamistehet

2. Arvuta, ajavahemik, mille jooksul jõuab Kuu pinnalt peegeldunud päike-sevalgus maapinnani.

3. Arvuta, kui kaua levib valgus Päikeselt Maale.4. Teades, et lähimalt tähelt (välja arvatud Päike) jõuab Maale valgus umbes

4 aastaga, leia, kui kaugel see täht Maast asub.5. Joonista veepind. Konstrueeri kolme valguskiire edasine käik vees, kui

kiir te langemisnurgad õhust vette on vastavalt 0º, 45º ja 60º. 45º ja 60º kor ral ei saa sa ei tea täpset murdumisnurga suurust. Oluline on tõmma ta murdunud kiir õigesti selles mõttes, kas ta kaldub pinna rist sirge poole või ristsirgest eemale.

α

γ

α

γ

?

40

6. Kõik joonisel kujutatud esemed on valmistatud klaasist. Joonista põhimõtteliselt õigesti kiirte edasine käik klaasis ja õhus (vaata märkust eelmise ülesande kohta).

3.5. Valguse täielik peegeldumine

Miks valgus mõnikord veest või klaasist väljuda ei taha?Kuidas töötab helkur?

Võid küsida, miks me valguse murdumise kohta matemaatilist seost ei ole andnud. Tõepoolest – valguse peegeldumise kohta on teada, et mistahes langemisnurga α korral on peegeldumisnurk β temaga võrdne: β = α. Val-guse murdumise korral nii lihtsat matemaatilist seost nurkade vahel pole. Piirdume siinkohal teadmisega, et mida suurem on langemisnurk, seda suurem on ka valguse murdumisnurk. Teeme nüüd mõttelise katse. Uurime valguse levimist õhu ja vee piiril. Suuren dame sujuvalt valguse langemisnurka ja arutleme, mis saab siis, kui langemisnurk läheneb 90 kraadile. 1. Suuname valguse õhust vette. Vette tunginud valguse levimissuund

muutub. Kuna vesi on optiliselt tihedam kui õhk, siis on murdumisnurk alati langemisnurgast väiksem, st valgus murdub pinna ristsirge poole. Katsed näitavad, et alati osa valgusest peegeldub veepinnalt õhku tagasi. Mida suurem on langemisnurk, seda rohkem valgust peegeldub ja seda väiksem osa valgusest saab vette tungida.

2. Suuname nüüd valguse veest õhku.

Joonis 3.21. Valgus levib veest õhku

Hõredamassse keskkonda levikul kaldub valguskiir pinna ristsirgest eemale (vt joonis 3.21 a). Kui suurendame langemisnurka, suureneb ka murdumis-nurk (vt joonis 3.21 b). Et murdumisnurk on langemisnurgast suurem, siis jõuame langemisnurga suurendamisel olukorrani, kus murdumisnurk on 90º (võrdne täisnurgaga) (vt joonis 3.21 c). See tähendab, et murdunud kiir libiseb mööda veepinda. Veepinnast kõrgemalt vaadates me taskulambi valgust ei näegi. Aga mis saab, kui langemisnurka veelgi suurendada? Siis peaks murdumisnurk olema veelgi suurem, seega suurem kui täisnurk! Kas see tähendab, et valgus tuleb vee ja õhu lahutuspinnalt vette tagasi? Katsed kinnitavad, et just nii see on.

α

γ

α

γ

α

γ = 90°

a) b) c)

41

Nähtust, kus valgus optiliselt hõredamasse keskkonda levimise asemel pee-geldub täielikult esialgsesse keskkonda tagasi, nimetatakse valguse täielikuks peegeldumiseks.

Sõna täielik on siin igati omal kohal. Sest siin tõepoolest peegeldub tagasi kogu valgus.Olemegi jõudnud juhtumini, kus vaadates vee alt veepinna suunas suure nurga all, näeme peegeldunud veekogu põhja. Muidugi on selleks vaja, et vesi on puhas ja valgust piisavalt. Kui suur peab valguse langemisnurk olema, et täielik peegeldus aset leiaks? See oleneb sellest, kui palju erinevad nende keskkondade optiliselt tihedused, mille piirpinnal valgus levib. Veest ei lähe valgus õhku siis, kui langemisnurk on vähemalt 49° (ümardatud tulemus). Öeldakse, et veest õhku levimisel on täieliku peegelduse piirnurk umbes 49°. Aga klaas on optiliselt veelgi tihedam kui vesi. Klaasist õhku levimisel on täieliku peegelduse piirnurk umbes 42°. Praktikas on oluline, et see on väiksem kui 45°. Miks? Vaatleme klaasist püstprismat, mille põhjaks on võrdhaarne täisnurkne kolmnurk. Langegu valgus risti prisma väiksemale külgtahule.

Joonis 3.22. Valguse levimine klaasprismas

Selle valguskiire edasise käigu konstrueerimisel tuleb olla väga tähelepane-lik.

1. Prismasse siseneb valgus suunda muutmata, sest langemisnurk on 0° (joonis 3.22 b).

2. Valgus jõuab klaasis levides klaasi ja õhu eralduspinnale. Nüüd tuleb tõmmata langemispunktist ristsirge (joonis 3.22 c). Jooniselt nähtub, et langemisnurk on 45°. See aga tähendab, et selles punk-tis valgus klaasist õhku ei lähegi, vaid toimub täielik peegeldus vastavalt peegeldusmisseadusele: β = α = 45° (joonis 3.22 d).

3. Klaasis 90° võrra suunda muutnud valgus jõuab klaasi ja õhu lahutuspin-nale taas täisnurga all. Et α = 0°, siis ka β = 0°. Seega läheb valgus nüüd suunda muutmata klaasist õhku (joonis 3.22 e). Näeme, et valguse levimise suund on muutunud 90° võrra.

42

Küsimusi ja ülesandeid

1. Tee vihikusse eeltoodud joonised. Tõmba veel üks kiir, mis siseneb pris-masse joonisel kujutatud kiirega paralleelselt ja konstrueeri ka selle edasine käik.

2. Lase valgusel langeda täisnurga all sama klaasprisma kõige pikema tahu suhtes. Konstrueeri ka selle kiire edasine käik.

3. Tee järeldused eelnevate ülesannete põhjal:a) Kuidas mõjutab prisma kummalgi juhul valguse levikut?b) Millist muutust märkad, vaadates kahte prismasse sisenevat kiirt ja

kahte prismast väljuvat kiirt? Võimaluse korral tee katse oma järelduse õigsuse kontrollimiseks.

Valgusjuht

Võib-olla oled kuulnud, et telefonikõnesid, raadiosaateid, telepilti – ühe-sõnaga infot – on võimalik edastada ka valguse abil. Uurime järgnevalt, kui-das valgussignaale saata sadade ja tuhandete kilomeetrite kaugusele, ilma, et need laiali hajuksid. Selleks suunatakse valgus nn optilisse kaablisse, mis sisaldab peenete val-gusjuhtide (tavaliselt klaaskiudude) kimpu. Valgusjuhi väliskiht peab olema selle keskosast optiliselt niipalju hõredam, et valgus peegelduks väliskihilt täielikult sisekihti tagasi.

Joonisel on näha valgustit, kus valgus levib piki painduvaid valgusjuhte, väljudes vaid nende otstest. Valgusjuhina toimivad paljud läbipaistvad materjalid, näiteks jõhv („õnge-nöör“), loomade karvad. Mitmed loomadel, kelle nahk on kaetud paksu karv kattega (nt jääkaru), jõuab D-vitamiini tekkimiseks vajalik päikeseval gus nahani läbi valgusjuhina toimivate karvade. Valgusjuhina käitub ka näiteks veejuga. Kui valgus suunata veejoa sisse voolamise sihis, siis ta sealt õhku ei välju, sest õhk on optiliselt palju hõredam kui vesi.

?