1. Valgusest üldiselt
Antud peatükis püüame avada õppijale valguse olemuse mõned tahud.
Teema läbides saavutab õppija järgmised õpiväljundid: 1) õppija teadvustab, et valguse kiirus vaakumis c=~300.000 km/s on suurim kiirus looduses ja et see tuleneb A.Einsteini erirelatiivsusteooriast ; 2) valgus ei "pidurdu" keskkonnas, vaid lihtsalt on keskkonda sisenedes kohe uue kiirusega, mis on selle keskkonna murdumisnäitaja n korda väiksem, kui c ning keskkonnas levimise jooksul enam ei vähene, s.t. et valgus ei "pidurdu" ; 3) valguse kiiruse lähedaste kiiruste liitmisel ei kehti mehaanikast tuttav reegel v = v₁+v₂
Valgus on väga iseäralik objekt looduses. Seda mitmest küljest vaadates. Näiteks, et valguse kiirus vaakumis c=~300.000 km/s on suurim kiirus looduses. Kuidas põhjendada sellise piirkiiruse olemasolu ? Ikka võib tekkida küsimus, et võib-olla kunagi siiski leitakse midagi, mille kiirus on suurem, kui c. A. Einsteini erirelatiivsusteooria 1905.aastast on püsinud üle 100 aasta ja saanud ka eksperimentaalseid kinnitusi ning teoreetikute hinnangul osutunud erakordselt korrektseks.
Märkus: peaaegu terve sajand loeti valguse kiiruse väärtust ligikaudseks (natuke alla 300 000 km/s), aga kuna 1983.a. defineeriti pikkus 1m valguse kiiruse kaudu, siis nüüd on valguse kiirus täpne: c = 299 792 458 m/s.
Teine kummaline omadus valgusel on see, et valgus sisenemisel vaakumist või õhust mingisse keskkonda ei "pidurdu" seal. Näitena kujutleme valguse sisenemist õuest tuppa läbi pakettakna. Õues on valguse kiirus ligi 300.000 km/s. Esimesse klaasi sisenemisel on valguse kiirus kohe n=1,5 korda väiksem ehk umbes 200.000 km/s ega vähene klaasis. Väljudes kahe klaasi vahele on valguse kiirus uuesti 300.000 km/s, teises klaasis jälle muutumatult 200.000 km/s ning toas jälle 300.000 km/s. Kas pole kummaline?! Aga nii nagu pole olemas paigalseisvat valgust, nii tuleb võtta tõsiasjana, et valgus lihtsalt eksisteerib erinevates keskkondades erinevate kiirustega.
Kolmas iseärasus valgusel on see, et valguse kiiruste lähedaste kiiruste liitmisel ei kehti mehaanikast tuttav reegel v = v₁+v₂, vaid kiiruste liitmise reegel:
Antud peatükis püüame avada õppijale valguse olemuse mõned tahud.
Teema läbides saavutab õppija järgmised õpiväljundid: 1) õppija teadvustab, et valguse kiirus vaakumis c=~300.000 km/s on suurim kiirus looduses ja et see tuleneb A.Einsteini erirelatiivsusteooriast ; 2) valgus ei "pidurdu" keskkonnas, vaid lihtsalt on keskkonda sisenedes kohe uue kiirusega, mis on selle keskkonna murdumisnäitaja n korda väiksem, kui c ning keskkonnas levimise jooksul enam ei vähene, s.t. et valgus ei "pidurdu" ; 3) valguse kiiruse lähedaste kiiruste liitmisel ei kehti mehaanikast tuttav reegel v = v₁+v₂
Valgus on väga iseäralik objekt looduses. Seda mitmest küljest vaadates. Näiteks, et valguse kiirus vaakumis c=~300.000 km/s on suurim kiirus looduses. Kuidas põhjendada sellise piirkiiruse olemasolu ? Ikka võib tekkida küsimus, et võib-olla kunagi siiski leitakse midagi, mille kiirus on suurem, kui c. A. Einsteini erirelatiivsusteooria 1905.aastast on püsinud üle 100 aasta ja saanud ka eksperimentaalseid kinnitusi ning teoreetikute hinnangul osutunud erakordselt korrektseks.
Märkus: peaaegu terve sajand loeti valguse kiiruse väärtust ligikaudseks (natuke alla 300 000 km/s), aga kuna 1983.a. defineeriti pikkus 1m valguse kiiruse kaudu, siis nüüd on valguse kiirus täpne: c = 299 792 458 m/s.
Teine kummaline omadus valgusel on see, et valgus sisenemisel vaakumist või õhust mingisse keskkonda ei "pidurdu" seal. Näitena kujutleme valguse sisenemist õuest tuppa läbi pakettakna. Õues on valguse kiirus ligi 300.000 km/s. Esimesse klaasi sisenemisel on valguse kiirus kohe n=1,5 korda väiksem ehk umbes 200.000 km/s ega vähene klaasis. Väljudes kahe klaasi vahele on valguse kiirus uuesti 300.000 km/s, teises klaasis jälle muutumatult 200.000 km/s ning toas jälle 300.000 km/s. Kas pole kummaline?! Aga nii nagu pole olemas paigalseisvat valgust, nii tuleb võtta tõsiasjana, et valgus lihtsalt eksisteerib erinevates keskkondades erinevate kiirustega.
Kolmas iseärasus valgusel on see, et valguse kiiruste lähedaste kiiruste liitmisel ei kehti mehaanikast tuttav reegel v = v₁+v₂, vaid kiiruste liitmise reegel:
Asendame v₁= v₂ = c, siis saame:
see tähendab, et suhteline kiirus on ikka c, ei ületa piirkiirust.
Kiirteoptika e. geomeetriline optika käsitleb valguse levimist graafiliselt kiirte abil või analüütiliselt valemite abil ega tunne huvi valguse olemuse vastu. See on ajalooliselt kõige vanem optika osa (tekkis palju sajandeid tagasi).
Laineoptika käsitleb valgust lainetena (tekkis hollandlase Huygens'i algatusel 17. sajandil, umbes siis, kui I. Newton käsitles valgust osakeste ehk korpusklite voona, aga tõelise alguse sai 1801.a. T. Young'i interferentsi ja 1815.a. Fresneli difraktsiooni katsetega).
Kvantoptika käsitleb valgust kvantidena e. valgusenergia portsjonitena (kvant-portsjon). Kvantoptika hakkas kujunema fotoefekti avastamisel 1889.a. Heinrich Hertz'i poolt, aga päris alguse sai 1900.a. Max Planck'i töödest kvantfüüsika loomisel ja 1905.a. Albert Einstein'i tööst fotoefekti teooria loomisel.
Pean meeles
1. Valguse kiirus vaakumis c ≈ 300 000 km/s (õige natuke alla selle).
2. Valgus ei "pidurdu" keskkonnas, vaid on kohe sisenemisel keskkonda n korda väiksema kiirusega, kui vaakumis (v = c/n) ning see uus kiirus v keskkonnas enam rohkem ei vähene ( n on keskkonna murdumisnäitaja).
3. Keskkonnast vaakumisse väljumisel on valguse kiirus jälle kohe tagasi c ≈ 300 000 km/s.
4. Valguse kiiruse lähedaste kiiruste liitmisel ei kehti mehaanikast tuttav liitmise reegel, vaid hoopis teistsugune reegel nii, et ka summaarne kiirus ei ületa valguse kiirust vaakumis c ≈ 300 000 km/s.
5. Mehhanistliku käsitlusega ei saa põhjendada neid eelmistes punktides väidetud tõsiasju (eksperiment kinnitab neid).
6. Tradistsiooniliselt liigitatakse optikat kolme ossa: 1) geomeetriline ehk kiirteoptika, 2) laineoptika, 3) kvantoptika.
Kordamisküsimusi
1. Kui vana on A. Einsteini erirelatiivsusteooria?
2. Teatavasti on praktika tõekriteerium. Kas A. Einsteini erirelatiivsusteooria on praktikas kinnitust leidnud?
3. Kas enam, kui 100. aasta jooksul on kellegi õnnestunud leida mõnda viga A. Einsteini erirelatiivsusteoorias?
4. Kirjuta valguse kiiruse lähedaste kiiruste leidmise valem ja näita selle abil, et ka nende kiiruste liitmisel summa ei ületa valguse kiirust vaakumis c ≈ 300 000 km/s.
5. Missugusteks alaosadeks liigendatakse tavaliselt optikat?
Harjutusi ja ülesandeid
1. Leia suvalise füüsika ülesannete kogu lõpus olevate andmetabelite hulgast murdumisnäitajate tabel ja arvuta valguse kiirusi erinevates keskkondades (klaas, pleksiklaas ehk orgaaniline klaas, vesi, piiritus jne.).
2. Arvuta suhtelisi murdumisnäitajaid valguse üleminekul ühest keskkonnast teise (näiteks klaasist vette).
Edasimõtlemiseks ja uurimiseks
Kuidas siduda omavahel kiirteoptikat ja laineoptikat valguse üleminekul vaakumist klaasi, et kiirteoptikas tähendab see üleminek valguse levimise suuna muutumist (murdumist), laineoptikas aga seesama tähendab valguse kiiruse muutumist.