Nähtav ja nähtamatu valgus II

Tunni ülesehitus

  1. Sissejuhatus, 5 min
  2. Liht- ja liitvalgus, 15 min
  3. Valge valgus, 15 min
  4. Nähtamatu valgus, 5 min
  5. Kokkuvõte, 5 min

Ettevalmistus

Õpetaja

  • teeb soovi korral Padlet-keskkonnas valmis padlet’i, kuhu õpilased saavad sisestada oma koduse tööna välja mõeldud lause;
  • paneb valmis praktilise töö (spektroskoobi ehitamine) jaoks vajalikud vahendid ja prindib tööjuhendid;
  • prindib kokkuvõtte jaoks kiirguste nimetused ja paneb valmis värvilised paberid (7 spektri värvust);
  • prindib soovi korral elektromagnetlainete skaala joonise põhja või täidetud joonise.

Eelteadmised

Õpilane

  • teab, et valgus tekib aatomites ja levib lainena, mida iseloomustab lainepikkus;
  • teab, et valguslainet nimetatakse elektromagnetlaineks;
  • oskab nimetada spektri värvusi.

Eesmärgid

Õpilane

  • võrdleb liht- ja liitvalgust ning eristab valgusallikaid vastavalt sellele, kas need kiirgavad liht- või liitvalgust;
  • teab, mis on spektroskoop, ja oskab seletada selle otstarvet;
  • eristab joonspektrit pidevast spektrist ning teab, millised valgusallikad kiirgavad joon-, millised pidevspektrit;
  • oskab nimetada põhivärvusi;
  • kirjeldab valge valguse saamise viise;
  • teab, kuidas tekivad erinevad värvusaistingud;
  • seletab, mis on elektromagnetlainete skaala;
  • teeb vahet nähtaval ja nähtamatul valgusel;
  • oskab nimetada kiirgusi, mida inimese silm ei taju.

Seotud materjal

Avita „Füüsika 8. klassile“

Märksõnad

lihtvalgus, liitvalgus, spekter, joon- ja pidevspekter, spektroskoop, valge valgus, põhivärvused, elektromagnetlainete skaala, UV-kiirgus, IP-kiirgus, mikro- ja raadiolained, röntgeni- ja gammakiirgus

Lõiming

Läbivad teemad

  • Tehnoloogia ja innovatsioon
  • Tervis ja ohutus
Seotud sisu
Muud tegevused

1. Sissejuhatus

5

  • Spektri värvid

Sissejuhatuseks ja ühtlasi eelmise tunni teema meenutamiseks võiksid õpilased ette lugeda laused, mis nad koduse tööna pidid välja mõtlema spektri värvide ja nende järjestuse meeldejätmiseks. 

Aja kokkuhoiuks võib õpetaja soovi korral lasta laused kirjutada selleks valmis tehtud padlet’isse, siis saab kõik laused kohe ka klassis ekraanil kuvada ega pea kulutama aega kirjutamisele.

Soovi korral võib õpilaste seas korraldada hääletuse ja valida nt 2–3 parimat/huvitavamat lauset.

Millise lause sa välja mõtlesid, et spektri värvid meelde jätta?

Seotud sisu
Muud tegevused

2. Liht- ja liitvalgus

15

  • Liht- ja liitvalgus
  • Spektroskoop
  • Pidev- ja joonspekter
  • Spektroskoobi ehitamine (soovi korral)

Eelmises tunnis rääkisime sellest, kuidas valgus tekib ja milliseid värvusaistinguid tekitavad meie silmas erineva lainepikkusega valguslained. Ka valgusallikad kiirgavad erineva lainepikkusega valgust, vahel ainult ühte, vahel mitut.

Valgust, mille kiirgus koosneb ainult ühest lainepikkusest, nimetatakse lihtvalguseks. Kui valgus sisaldab aga mitut lainepikkust, on see liitvalgus. Lihtvalgust kiirgab näiteks laser, st laserikiir, mis on tihti rohelist või punast värvi, koosneb ainult ühe lainepikkusega kiirgusest. Lihtvalgust kiirgavad ka nt värvilised LED-lambid. Tavaline hõõglamp ja ka looduslikud valgusallikad (Päike, küünlaleek jt) kiirgavad aga mitmeid lainepikkusi ehk liitvalgust.

Laseri valgus on tavaliselt ühte kindlat värvi ja seetõttu saame eeldada, et laser kiirgab lihtvalgust.
Iga värviline LED-lamp kiirgab ühe kindla lainepikkusega valgust, st lihtvalgust.
Soojuslike valgusallikate valgus on liitvalgus, st koosneb mitmest lainepikkusest.

Lihtvalgus koosneb ühest lainepikkusest, liitvalgus mitmest lainepikkusest.

Aga kuidas üldse aru saada, millist valgust valgusallikas kiirgab? Lihtvalguse puhul tajume seda värvi oma silmaga, aga ka siis ei saa me 100% kindlad olla, et see värvus sisaldab vaid üht lainepikkust. Selleks, et valguse lainepikkust vaadelda, kasutatakse spektroskoopi. Kui spektroskoopi suunata valgus, lahutab seade selle osadeks ja manab ekraanile (ribadena) kõik värvused, mida see valgus sisaldab. Neid jooni nimetatakse spektrijoonteks ja joontest tekkinud riba spektriks.

Kui kooli füüsikakabinetis on mõni spektroskoop, tasub kindlasti seda lastele näidata ja proovida anda. Vaadelda saab erinevaid valgusallikaid, nt Päike, küünlaleek, päevavalguslamp, LED-lamp. Iga valgusallikat uurides võiks püüda võimalikult palju teiste valgusallikate valgust eemaldada (panna ette kardinad, kustutada tuled jms).

Spektroskoop on toru, mille üks ots tuleb suunata valgusallikale ja teisest otsast ühe silmaga sisse vaadata.
Spektroskoop leiutati 19. sajandil ja selle sees on klaasprisma, millega seadmesse sisenev valgus osadeks lahutatakse.

Valguse lainepikkusi saab kindlaks teha spektroskoobiga.

Valguse spekter on värviline riba, mis koosneb kõikidest valgusallika kiiratud valgustest.

Kui valgus koosneb mitmest eri lainepikkusest, st on liitvalgus, võib selle valguse spekter olla

  1. pidevspekter,
  2. joonspekter.

Pidevspektris on spektrijooni palju ja nii tihedalt, et tekib sujuv ja aukudeta värviline spekter. Joonspektris on värve vähem ja spektrijoonte vahel on vahed (mustad kohad). Spektrite näitlikustamiseks soovitame kindlasti näidata pilte ja videot, mis kirjeldavad spektroskoobi tööd ja eri tüüpi spektreid.

Hõõglambi pidevspekter
Luminofoorlambi joonspekter

Kui spektrijooned on paigutunud tihedalt, ilma aukudeta, on tegemist pidevspektriga. Joonspektris on spektrijooni vähem ja nende vahel on vahed.

Pidev- ja joonspekter

Praktiline töö. Spektroskoobi ehitamine

Praktilise tööna võib õpilastega ehitada spektroskoobi (juhend) ja sellega erinevate valgusallikate spektrit uurida/vaadelda. Töö koos spektrite uurimisega võtab aega 30–45 minutit, seega selleks peaks võtma eraldi tunni. Samuti sobib töö hästi näiteks projektipäeva vms ürituse raames kasutamiseks.

Vajalikud vahendid:

  1. paksem musta värvi paber/kartong;
  2. tualettpaberirulli sisemine papist rull;
  3. DVD (vaja läheb ühte plaati 5–6 õpilase kohta);
  4. must teip või must värv;
  5. joonlaud, käärid, paberinuga, must marker või pliiats.

Tv lk 8 ül 3

Lahendus

Sama ülesanne Opiqus

 Liht- ja liitvalgus, spekter

Seotud sisu
Muud tegevused

3. Valge valgus

15

  • Valge valgus
  • Liitvalgus
  • Põhivärvused
  • Töö arvutisimulatsiooniga

Seni rääkisime valguse värvidest, aga kasutatakse ka sellist mõistet nagu valge valgus. Õpilastelt tasuks küsida, mis nad arvavad, milline on valge valguse lainepikkus.

Milline on valge valguse lainepikkus?

Sellele küsimusele ühest vastust ei olegi, sest valge valgus on liitvalgus, st et see koosneb erineva lainepikkusega valgustest. Valget valgust nimetatakse ka päevavalguseks. Selleks, et valget valgust saada, tuleb omavahel kokku liita mitu eri lainepikkusega valgust. Näiteks annab valge valguse kõigi seitsme spektri värvuse liitmine. Seda saab õpilastele näidata selles videos. Aga on ka lihtsam võimalus, selleks tuleb liita kolm põhivärvust: punane, roheline ja sinine.

[välise sisuosa algus]
[välise sisuosa lõpp]
Videos näidatakse, mis juhtub valgusega, kui kõik seitse spektri värvust suunata ekraanil ühte punkti.
Kui liidame põhivärvuste (punane, roheline, sinine) lainepikkused õiges vahekorras, saame kollase, violetse, helesinise ja isegi valge

Valge valgus on liitvalgus, mis tekib kolme põhivärvuse (punane, roheline, sinine) liitumisel.

Seetõttu ei tohi värvuste liitmist segi ajada värvide liitmise ehk segamisega. Siinkohal tuleb täpsustada, et meie käsitluses on värv värvaine, millega saab midagi värvida, aga värvus on värvitoon, see millisena me värve näeme. Kui me segame ükskõik millises vahekorras punase, rohelise ja sinise värvi, ei saa me kunagi valget värvi, vaid tulemuseks on mingi tume (nt mustjas­pruun) värv.

Põhivärvused kunstis ja optikas

Kunstiõpetuses on õpilased õppinud, et põhivärvitoonid, mida segades on võimalik saada kõiki teisi värve, on punane, kollane ja sinine. Punast ja sinist eri vahekorras segades on võimalik saada lilla või pruun, kollane ja sinine annavad erinevaid rohelisi toone ning punane ja kollane oranži. Värvide puhul see tõesti nii on. 

Optikas on värvustest ja nende lainepikkusest rääkides olukord aga teine. Kui meie silma jõuab korraga mitu eri lainepikkusega värvust, tekitab silm hoopis teistsugused värvusaistingud ning seda hoopis põhivärvuste punane, roheline ja sinine abil. Punase ja rohelise lainepikkuse liitumisel tekib kollane, punase ja sinise liitumisel violetne ning sinise ja rohelise liitumisel helesinine. Kui liita kõik kolm lainepikkust (punane, roheline ja sinine) õiges vahekorras (1 : 4,6 : 0,06), saame aga hoopis valge valguse. 

Kui koolis on olemas värvuste liitmise demonstreerimiseks mõeldud seade, tasub seda kindlasti õpilastele näidata. Kui seadet ei ole, saab seda teha (näitkatse või praktilise tööna) ka arvutisimulatsiooni abil. Simulatsiooni saab kasutada nii süle- või tahvelarvutis kui ka nutitelefonis.

Arvutisimulatsioon „Värvuste tajumine“

Ava nutiseades simulatsioon, uuri värvuste tajumist ja täida tööleht.

Vastustega tööleht õpetajale.

Sama ülesanne Opiqus

  Töö arvutisimulatsiooniga. Värvuse tajumine

Seotud sisu
Muud tegevused

4. Lisamaterjal. RGB-süsteem

5

Seda teemat võiks käsitleda lisateemana juhul, kui see on ajaliselt võimalik või klassis on õpilasi, kellele see võiks huvi pakkuda. Sissejuhatuseks võiks õpetaja kuvada ekraanil pikslite pildi ja uurida õpilastelt, kas nad teavad, millega on tegu. Ilmselt on õpilasi, kes oskavad sellele küsimusele vastata.

Sealt saab edasi liikuda ning selgitada, et kolme põhivärvuse liitmisele on üles ehitatud ka see, kuidas tekib meie nutiseadmete (telerid, arvutid, telefonid) ekraanide värviline pilt. Ekraan on jagatud piksliteks ning iga piksel sisaldab kolme põhivärvust (punane, roheline ja sinine). Olenevalt sellest, millist värvi pikslit soovitakse, lülitatakse pikslis olevaid värve välja või muudetakse nende intensiivsust. Näiteks kui soovime, et piksel oleks valge, tuleb sisse lülitada kõik kolm põhivärvust. Kollase värvuse saamiseks punane ja roheline jne.

Nutiseadme ekraan koosneb pikslitest.

Seda süsteemi nimetatakse RGB-süsteemiks (red – punane, green – roheline, blue – sinine) ja see võeti kasutusele juba 1931. aastal. Süsteemis kasutatakse kindlatele lainepikkustele vastavaid põhivärvusi: R = 700,0 nm, G = 546,1 nm, B = 435,8 nm. Punane põhivärvus on tumepunane, roheline põhivärvus on kollakas­roheline nagu muru kevadel võilillede õitsemise ajal ja sinine põhivärvus on lillakassinine nagu rukkilille õis. Et saada valge valgus, tuleb tuleb liita punast, rohelist ja sinist põhivärvi valgus nii, et nende kolme intensiivsus ehk tugevus oleks suhtes 1 : 4,6 : 0,06.

Mobiiliekraanil on miljoneid üksikuid piksleid, näiteks iPhone 12 ekraani eraldusvõime on 2532 × 1170 ehk kokku 2 962 440 pikslit, igaühes neist 3 erineva filtriga rakku, st kokku üle 2 miljoni muudetava valguse intensiivsusega punkti.
Seotud sisu
Muud tegevused

5. Nähtamatu kiirgus

5

  • Elektromagnetlainete skaala

Kuigi inimesel silm tajub valgust, mille lainepikkus jääb vahemikku 380–760 nm, kiirgavad aatomid ka teiste lainepikkustega kiirgusi. Kõiki neid kiirgusi nimetatakse elektromagnetkiirgusteks ja vastavalt lainepikkustele ja omadustele jagatakse nad osadeks. Kui kõik kiirgused lainepikkuste järgi järjestada, saame elektromagnetlainete skaala. Elektromagnetlainete skaalat ei pea põhikooli õpilane detailselt tundma või kirjeldada oskama. Piisab, kui õpilasele teadvustada, et selline skaala on olemas ning et peale nähtava valguse ümbritsevad meid veel väga mitmesugused elektro­magnetlained, mis erinevad üksteisest lainepikkuse poolest.

Elektromagnetlainete skaala

Kui järjestame kõik kiirgused lainepikkuse järgi, saame elektromagnetlainete skaala.

Nähtavale valgusele (380–760 nm) kõige lähemal asuvaid kiirgusi, mida inimese silm ei taju, nimetatakse ultraviolett- ja infrapunakiirguseks. Ultraviolettkiirguse ehk UV-kiirguse lainepikkus on väiksem kui 380 nm, infrapunakiirguse (IP-kiirguse) lainepikkus suurem kui 760 nm.

UV-kiirguse footonite energia on nähtava valguse footonite energiast suurem, mistõttu tekitab see kiirgus meie nahal punetust. Väiksema lainepikkusega UV-kiirgus võib kahjustada ka naharakke ja põhjustada nahakasvajat. Seda saab vältida päikesekaitsekreemiga, mis eraldab (peegeldab tagasi) päikesekiirgusest selle kahjuliku osa.
UV-kiirgus aktiveerib nahas olevad pigmendirakud (melanotsüüdid), mis hakkavad naha kaitseks tootma pigmenti (melaniini). Melaniin kaitseb nahavähi tekkimise eest. Nahapinna lähedale kogunev melaniin neelab väga tõhusalt nahale langevat UV-kiirgust ja hajutab selle laiali soojusena. Nii hoiab melaniin ära suure hulga UV-kiirguse jõudmise sügavamale naharakkudesse, kus see võiks tekitada nahakasvajat.
Kõik kehad kiirgavad infrapunakiirgust, mida nimetatakse tihti ka soojuskiirguseks. Soojuskaamera mõõdab kehalt kiirguvat infrapunakiirgust ja kujutab seda pildina. Kokkuleppeliselt väljendavad soojuskaamera pildil punakad toonid kõrgemat ja sinakad toonid madalat temperatuuri.
Suurel pildil on inimest pildistatud tavalise kaameraga, st nähtavas valguses, väiksemal pildil on sama olukord jäädvustatud infrapunakaameraga, mis registreerib inimkeha kiiratavat infrapunakiirgust. Näeme, et kiirgus levib läbi riiete ja kile, aga ei levi läbi klaasi (vt pildiraam ja prillid).
Osa pigmente on nähtavad vaid UV-kiirguses. Sellise n-ö nähtamatu tindiga kantakse näiteks rahale ja dokumentidele turvaelemente.
UV-kiirgus

UV-kiirgust kiirgavad väga kõrge temperatuurini kuumutatud kehad, mistõttu puutume sellega kokku nt päikese käes viibides. UV-kiirgus jaguneb UVA-, UVB- ja UVC-kiirguseks. Suurema lainepikkusega UVA-kiirgus aktiveerib meie nahas olevad pigmendirakud (melanotsüüdid), mis hakkavad tootma melaniini, pigmenti, mis kaitseb meie nahka liigse kiirguse eest. Kuna melanotsüütide arv on igal inimesel erinev, tekib ka erinev kogus melaniini, st inimesed päevituvad erineval määral. Väiksema lainepikkusega UVB-kiirgus neeldub osaliselt atmosfääris (peamiselt osoonikihis) ja seda jõuab maapinnani vähem, aga see on inimesele ohtlikum, sest kahjustab naharakke ja tekitab nahale punetust. Halvemal juhul võib viia ka nahakasvajate tekkeni. Seetõttu ongi soovitatav liigsest UV-kiirgusest hoiduda, vältides päevitamist ja kasutades UV-faktoriga päikesekaitsekreemi. UVC-kiirgus oma väikese lainepikkuse tõttu atmosfäärist läbi ei pääse ja maapinnani ei jõua.

Tehislikud UV-kiirguse allikad on UV-valgusdioodid ja UV-laserid, UV-kiirgus tekib ka luminofoorlampides, kus see läbi luminofoorikihi levides aga nähtavaks valguseks muundub. Meditsiinis (bakterite hävitamine, kiiritusravi) kasutatakse madal- ja kõrgrõhu elavhõbedalampe, mis samuti kiirgavad UV-kiirgust.

Tavaline aknaklaas neelab UVB-kiirgust ja osaliselt ka UVA-kiirgust (üle 300 nm lainepikkusega kiirgust siiski mitte).

Päikesepõletuse saamise ohtu iseloomustab UV-indeks (UVI). Indeks 1–3 viitab madalale UV-kiirguse ohule, 4–6 keskmisele, 7–8 kõrgele ja 9–10 väga tugevale mõjule. UV-kiirguse mõju ja ohtlikkus sõltub palju ka nahatüübist, seega peab iga inimene püüdma ise hinnata, millise UV-indeksiga ja kui kaua on tema jaoks ohutu päikesekiirguse mõju all olla.

Infrapunakiirguseks peetakse kiirgust, mille lainepikkus on kuni 1 mm, sealt edasi räägime mikrolainetest, mille lainepikkus jääb vahemikku 1 mm–1 m. Üle 1 m pikkuseid laineid nimetatakse raadiolaineteks.

Ultraviolettkiirguse lainepikkus on kokkuleppeliselt umbes kuni 10-8 m, sellest väiksemaid laineid nimetatakse röntgeni­kiirguseks ja lained, mille lainepikkus on väiksem kui 10-11 m on gammakiirguse lained.

Elektromagnetlainete skaala

Nähtavast valgusest väiksema lainepikkusega on ultraviolettkiirgus, röntgenikiirgus ja gammakiirgus.

Nähtavast valgusest suurema lainepikkusega on infrapunakiirgus, mikrolained ja raadiolained.

Seotud sisu
Muud tegevused

5. Kokkuvõte

5

  • Kokkuvõte

Samamoodi kui eelmise tunni lõpus võiks ka nüüd koostöös õpilastega tahvlile või seinale tekitada elektromagnetlainete skaala. Alustada seitsmest nähtava valguse hulka kuuluvast värvusest (punane, oranž, kollane, roheline, helesinine, sinine, violetne).

violetne

sinine

helesinine

roheline

kollane

oranž

punane

Seejärel lisada juurde (õigetesse kohtadesse) ülejäänud 6 nähtamatut kiirgust (UV-kiirgus, IP-kiirgus, mikrolained, raadiolained, röntgenikiirgus, gammakiirgus). Kõik värvused ja kiirgused võiks tahvlile/seinale kinnitada ükshaaval (iga kiirgus eri õpilase poolt), et kõik saaksid kaasa mõelda ja korrata. Vastavalt õpilaste võimetele saab järjekorda muuta, st võib anda kiirgused ette juba õiges järjekorras (tuleb lihtsalt valida õige pool) või läbisegi.

gamma­kiirgus

röntgeni­kiirgus

UV-­kiirgus

nähtav valgus

IP-­kiirgus

mikro­lained

raadio­lained

Seotud sisu
Muud tegevused

Lisamaterjal

  • Praktilise töö juhend. Ehita ise spektroskoop. Juhendit saab kasutada eraldi praktilise töö tunni raames või nt mõnel projektipäeval. Ehitamine võtab aega umbes 20–30 minutit, spektrite uurimine veel umbes 10–20 minutit.
  • Video, kus telesaate Rakett69 teadustoimetaja Juhan Koppel selgitab, kuidas ehitada käepärastest vahenditest spektroskoopi.
  • Keskkonnaagentuuri video, kus selgitatakse UV-kiirguse mõju organismile. Täpsemalt selgitatakse UV-indeksiga seonduvat.
  • „Terevisiooni“ füüsikaminutid, kus räägitakse UV-kiirguse olemusest ja mõjust.
  • Elektromagnetlainete skaala joonis (õpilastega koos täitmiseks), täidetud joonis õpetajale ja lisainfoga täidetud joonis.
  • lk 9 ül 5 ja 6 vastused.
  • lk 5 ptk 1.3 ül 1 lahendus.
  • Õpilastele, kellel on elektromagnetlainete teema vastu suurem huvi, tasub soovitada Ingrid Rõigase loengut elektromagnetlainetest looduses. Video kestab 1 h ja 29 minutit.
[välise sisuosa algus]
[välise sisuosa lõpp]
Rakett 69 teadustoimetaja Juhan Koppel selgitab, kuidas varjuda IP-kiirguse eest.
Seotud sisu
Muud tegevused

Tunni kirjeldus ja kodutöö

Tunni kirjeldus

Õpik ptk 1.3. Nähtav ja nähtamatu valgus

Harjutamine: Tv lk 8 ül 3

Töö arvutisimulatsiooniga. Värvuste tajumine

Praktiline töö. Spektroskoobi ehitamine

Kodutöö

Leia kodust või loodusest kolm eri tüüpi valgusallikat, pane need vihikusse kirja ning kirjelda nende valgust kahest aspektist lähtuvalt:

  1. kas see valgusallikas kiirgab liht- või liitvalgust?
  2. kas kiiratava valguse spekter on pidev- või joonspekter?
Võimalikud vastused õpetajale

Valgusallikas

Liht- või liitvalgus?

Pidev- või joonspekter?

Päike

liitvalgus

pidevspekter

küünal

liitvalgus

pidevspekter

kamina- või lõkketuli

liitvalgus

pidevspekter

hõõglamp

liitvalgus

pidevspekter

halogeenlamp

liitvalgus

pidevspekter

luminofoorlamp

liitvalgus

joonspekter

valge/kollakas LED-lamp

liitvalgus

joonspekter

kindlat värvi LED-lamp

lihtvalgus

joonspekter

laser

lihtvalgus

joonspekter

gaaslahenduslambid

liht- või liitvalgus

joonspekter

jaanimardikas ja muud helendavad organismid

lihtvalgus

joonspekter

virmalised

lihtvalgus

joonspekter

äike (välk)

liitvalgus

pidevspekter

Seotud sisu
Muud tegevused