Kurs Optik

Info om sidan Träna begrepp Skriv ut
Deltest 1 Deltest 2 Stortest

VAD ÄR LJUS?

Ljus består av ljuspartiklar som kallas fotoner. Ljusenergi är fotoner. Om fotoner krockar med något så kan de studsa (reflektera) eller omvandlas till värmeenergi (absorbera). Till exempel; när du solar så är det ljuspartiklar som träffar din kropp och omvandlas till värme.

Ljuset har en dubbelnatur. Ljuspartiklar kan röra sig både som vågor (likt ljudvågor) och i raka linjer (partikelrörelse). Detta är en del av kvantfysiken och därför överkurs.

Fotoner kan ha olika mycket energi. Energimängden hos fotonerna beror på dess våglängd. Människor kan bara se en viss typ av ljus, synligt ljus. Andra typer av ljus med annan energinivå kan du läsa om under elektromagnetisk strålning.

Det synliga ljuset brukar kallas ”vitt ljus”. Det består av flera olika färger. Du kan se dem i regnbågen (Rött, Orange, Gul, Grön, Indigo, Violett) En bra minnesregel för att komma ihåg alla färger i rätt ordning är ordet ROGGBIV. Första bokstaven i alla färger.

Anledningen till att färgerna kan ses i regnbågen är att ljuset bryts i vattendroppar. De olika färgerna består av fotoner med olika energi, det vill säga olika våglängd.

I ett prisma bryts det vita ljuset och delas upp i de färger det består av. När ljuset delas kallas färgerna gemensamt för ett spektrum.

Anledningen till att du ser olika färger är att föremål absorberar (”suger upp”) färgernas våglängder olika. Ett rött föremål absorberar alla färger utom den röda våglängden. Den röda våglängden reflekteras (studsar) på föremålet och in i dina ögon. Du uppfattar föremålet som rött. Om något är svart så absorberas alla färger. Lägger du ett svart föremål i solen blir det varmt snabbare än ett vitt föremål. Ljusenergin omvandlas till värmeenergi. I det vita föremålet reflekteras (”studsar”) alla färger.

Anledningen till att du ser föremål beror på att fotoner studsar på föremål och sedan in i dina ögon. Hjärnan tolkar intrycket och en bild dyker upp i huvudet. Växter absorberar alla färger utom grönt. Därför upplever vi växter som gröna.

Fördjupning

REFLEKTION

Vanlig reflektion

När ljus studsar mot en reflekterande yta (t.ex. spegel) kallas det reflektion. Hur det reflekteras förklarar reflektionslagen.

  • V1 = vinkel 1= infallsvinkel
  • V2 = vinkel 2 = reflektionsvinkel

Reflektionslagen:

Infallsvinkeln är lika stor som reflektionsvinkeln. V1 = V2

(Normal är ingen verklig linje utan till för att enklare se att V1 = V2. En normal är alltid vinkelrät mot underlaget.)

Det är alltså på samma sätt om du sparkar en boll snett mot en vägg. Den studsar ut med samma vinkel som den kom in. Likadant för biljardspelare som skjuter bollen i vallen.

Totalreflektion

När en ljusstråle färdas genom olika genomskinliga material så kan den ändra riktning. Det kallas att ljuset bryts. Nedan visar en bild hur ljuset bryts i fyra glasbitar.

  1. När ljuset faller in rakt bryts det inte.
  2. När ljuset faller in snett bryts det från normalen i detta fall.
  3. Första exempel på totalreflektion. Inget ljus åker igenom. Det följer glaset.
  4. Infallsvinkel är så stor att strålen inte kan brytas. Allt ljus reflekteras. Detta är också totalreflektion mot undersidan av vattenytan.

Totalreflektion används i ledningar och det ger blixtsnabbt Internet hemma. Tekniken kallas fiberoptik. Signalen är ljus och ljusstrålen kan inte brytas till luften utan tvingas kvar i ledningen.

 

Fördjupning

KONVEXA SPEGLAR

 

Reflektionslagen fungerar bra på speglar som är platta. Speglar kan dock vara böjda. De kan bukta utåt eller de kan bukta inåt. Det gör att ljuset reflekteras annorlunda och ger både användbara och roliga effekter. Gå in i spegelhuset på Gröna Lund så förstår du.

Vanlig (plan) spegel: När det gäller speglar så är vår hjärna inte så smart. Den tror i princip att vi tittar in i en glasruta och på andra sidan glasrutan finns en enäggstvilling med exakt samma rörelsemönster som dig själv. Den förstår inte att det är ljus som har reflekteras.

Hjärnan tror alltid att ljuset går rakt och fattar det som att ljuset kommer inne från spegeln. Människor fattar, av andra anledningar, att det är en spegel. Alla djur gör det inte och det händer kanske att även du sprungit in i en spegel nån gång?

Om spegeln buktar utåt kallas den konvex. Bilden du ser i spegeln ser förminskad ut. Sådana speglar hittar man i affärer som har övervakning eller som trafikspeglar.

  1. Parallella strålar faller in mot spegeln och reflekteras. Reflektionslagen gäller även här och gör att de inte reflekteras rakt bakåt eftersom spegeln buktar. De sprids. På bilden är den blanka spegelsidan till vänster.
  2. För tydlighetens skull ritar jag bara de strålar som reflekteras. Vår hjärna fattar inte att strålarna har reflekteras utan tror att de kommer inifrån spegeln. Om du följer linjerna bakåt, bakom spegeln, syns en förminskad bild. I en konvex spegel blir du förminskad.

Fördjupning

KONKAVA SPEGLAR

Om en spegel är konkav kan två saker hända. Den förstorar eller vänder din spegelbild upp och ner. Exempel på konkava speglar är sminkspeglar och badrumsspeglar. Även på gym finns dessa speglar. Vem vill inte ha extra stora muskler?

Det som avgör  egenskaperna hos spegeln  är om dess fokus ligger framför eller bakom ditt öga. Fokus. även kallad brännpunkt, är den punkt där strålar möts, där de strålar samman.

På bilden syns det att de reflekterande strålarna är på väg att mötas i en punkt. .

Du står mellan fokus och spegeln. Strålarna hinner inte gå ihop innan de når ditt öga. Konkava speglar förstorar och det fungerar så här.

Parallella strålar faller in mot spegeln och reflekteras, enligt reflektionslagen. Strålarna är på väg att mötas i ett fokus men i detta fall ser ditt öga strålarna innan den händelsen.

Här finns bara de reflekterande strålarna med för enkelhetens skull. Åter igen fattar inte hjärnan att strålar reflekteras utan tror att de kommer inne från spegeln. Följer du strålarna bakåt in i spegeln så ser du att ugglan förstoras. Ju större krökning på spegeln desto större förstoring så länge ögat är mellan fokus och spegeln.

Här beskrivs den andra händelsen med en konkav spegel, bilden vänds. Det som krävs är att spegelns fokus är framför ögat.

Reflektionslagen och att följa strålar bakåt gäller fortfarande. I exemplet nedan vänds alla strålar tvärtom. Den som träffar ögat ”överst” är längst ner på ugglan (som förstoras.) Titta

 

i en matsked så är du upp och ner. Ifall du har en stor sked och lyckas ha den nära ögat, innan fokus, blir du rättvänd.

 

Fördjupning:

HUR LJUS BRYTS

När ljus färdas igenom andra genomskinliga material än luft ( glas och vatten), så bryts det. Det innebär att ljusstrålen byter riktning. Ljuset bryts endast om strålen kommer in snett mot det nya materialet. Ju större vinkel in desto mer bryts det.

Bilden nedan visar en ljusstråle som färdas i luft och som bryts när den träffar på glas.

En normal är en påhittad linje som skrivs ut för att tydligare se hur ljuset bryts. Normalen är alltid vinkelrät (90 grader) mot ytan.

Den tjocka strålen, som kallas infallande stråle, bryts mot normalen när den bryts igenom ett material med lägre optiskt täthet (densitet) till ett med högre optiskt täthet (luft -> glas)

Efter att den brutits kallas den bruten stråle. Ofta bryts inte hela strålen utan en del av den reflekteras. Därför är ”reflektionsvinkel” och ”reflekterad stråle” utritad. Man kan se att strålen har brutits genom att jämföra infallsvinkeln och brytningsvinkeln. De är olika stora.

Om ljusstrålen går från ett material med högre optisk täthet (densitet) till ett med lägre optisk täthet bryts det från normalen (t.ex. glas ->luft) . Samma som ovan fast tvärtom.

Ljus bryts för att det har olika hastighet i olika material. Här kommer en klassisk förklaring.

Bilden visar soldater (fotoner) som marscherar snett in mot till en leråker. Soldaternas marschhastighet minskar när de kommer till leråkern. För att bevara den snygga räta linjen med soldater bredvid varandra, så måste de ändra riktning lite mot normalens riktning. Samma sak inträffar när de sedan lämnar åkern för ett snabbare underlag.

Fördjupning:

HUR LJUS BRYTS – EFFEKTER

När det gäller ljusbrytning så är hjärnan lätt att lura eftersom den inte förstår att ljuset bryts utan att den gör sin egen tolkning.

På bilden till vänster så är det glasets krökning och vattnet inuti som gör att pennan ser ut som den inte är rak.

På bilden till höger står pennan i vatten. Det ser ut som att den är böjd men det är den naturligtvis inte. Ljusets bryts i vatten men det förstår inte hjärnan.

Ser du ett föremål, i vatten, enbart uppifrån kommer det verka vara längre bort och högre än vad föremålet egentligen är. Det beror att hjärnan inte tar hänsyn till ljusbrytningen utan tänker att ljuset färdas längs en rät linje mellan föremålet och ögat.

För att se föremålet behöver ljus reflektera mot det och sedan färdas till ögat. Tänk att solen skiner på föremålet, ljuset reflekteras och är nu på väg upp till ögat. När ljuset går från vatten (tätare medium) till luft (tunnare medium) så bryts det från normalen som på bilden. Alltså är föremålet egentligen på ett annat ställe än vad ögat tror.

Det är lätt att lura ögat. Det finns många optiska illusioner som visar det. Förutom att ögat inte hänsyn till ljusbrytning så påverkas det även av uppväxt och inlärning. Är en bild ofullständig så tolkar hjärnan bilden och sammanställer den  själv enligt sin tidigare erfarenhet. Då blir det tokigt ibland. På exemplet nedan är frågan om alla rutor är lika stora. Vad tror du?

Fördjupning:

LINSER

En lins är en slipad glasbit (eller plast) som bryter ljus ( samlar ihop eller sprider ljus) på olika sätt. De används i kameror, glasögon m.m.

Det finns två olika typer.

  • Konvex lins (växer på mitten) = samlingslins = positiv lins
  • Konkav lins (kavlas på mitten) = spridningslins = negativ lins

I konvexa linser samlas ljusstrålarna ihop till en punkt. Den kallas brännpunkt (=fokus). Avståndet från linsen till brännpunkten kallas brännvidd. Linser har alltid två brännpunkter, en på varje sida av linsen. (Strålar kan falla in på linsen från båda håll). I brännpunkten samlas strålarna och därför blir det varmt där.

I en konkav lins så sprids ljuset. Ljusstrålen i mitten, som går rakt in mot linsen, bryts inte alls. Den strålen som träffar linsen på kanten bryts mest eftersom där är vinkeln mellan glaset och strålen som störst.

Även en konkav lins har både brännpunkt och brännvidd. Hur då när strålarna inte möts? Jo man följer strålarna bakåt så kommer de sammanstråla innan linsen.

Fördjupning:

ÖGAT OCH SYN

För att se föremål behöver ljus reflekteras på dem och sedan måste det ljuset åka in genom ögat.

Ljuset, som träffar ögat går först igenom hornhinnan sedan går det igenom hålet i regnbågshinnan som kallas pupillen. Pupillens storlek ändras automatiskt av ögat så det kommer in lagom mycket ljus.

  1. Ljuset åker igenom den konvexa linsen som samlar ihop ljusstrålarna. Muskler runt linsen kan få den att ändra form så man ser skarpt på både långt och kort håll.
  2. Ljusstrålarna åker igenom glaskroppen (genomskinlig gelé) och träffar sedan näthinnan. På näthinnan finns sinnesceller, tappar och stavar. Med tapparna ser man färger och med stavarna svartvitt.
  3. På den gula fläcken är syncellerna (tappar och stavar) mest koncentrerade och därför ser du skarpt där. Ljusstrålarna omvandlas från ljusenergi till elektrisk energi och skickas upp till hjärnan för tolkning. Där synnerven går ut från ögat, den blinda fläcken, har man inga sinnesceller.

Problem med ögat.

Synfel är vanligt och det handlar ofta om att ljusstrålarna inte bryts på korrekt sätt.

Närsynthet (suddigt på långt håll): Glaskroppen är för  lång. Ljusstrålarna bryts före näthinnan. Här används en konkav lins framför ögat så ljusstrålarna kan spridas lite innan de träffar näthinnan.

Långsynthet/översynthet (suddigt på nära håll): Glaskroppen är för kort. Ljusstrålarna bryts bakom näthinnan. Här använder man en konvex lins så ljusstrålarna samlas ihop och träffar näthinnan.

Fördjupning:

EMS

Fotoner kan ha olika mycket energi. Ju högre energi desto kortare våglängd. Människor kan bara se synligt ljus men det är bara ljus med en viss våglängd. Här är andra typer av ljus. De med längst våglängd kommer först.

Radiovågor – Används för att skicka olika typer av signaler. Radio och TV fungerar med hjälp av radiosignaler. En militär uppfinning, radar, använder radiovågor.

Mikrovågor – Mikrovågor har liknande användningsområden som radiovågor men används även i mobiler, mikrovågsugnar och GPS:er.

Infraröd strålning – Kallas också värmestrålning. Genom att mäta värmestrålning går det att se om hus läcker energi.  Kan finnas i fjärrkontroller också. Det går att se i mörker med IR-ljus och i tullen kan vakterna se genom kläder.

Synligt ljus eller vitt ljus består av många färger. Det är de våglängder människor ser.

Ultraviolett strålning – Det ultravioletta ljuset gör oss solbrända. Vårt pigment i huden ändrar färg för att skydda oss från solen som bland annat sänder ut UV-ljus. Ultraviolettljus kan inte passera genom en glas. Tips! Det går inte att sola genom en glasruta. Ultraviolett strålning används också för att se om sedlar är äkta. En del ämnen tar upp UV-ljus och sänder ut det som vanligt vitt ljus. På dansgolvet på ett disko kan du ibland se att dina tänder blivit extra vita. Om du tvättat dina kläder med tvättmedel som innehåller optiskt vitmedel så kommer det ämnet omvandla UV-ljus till synligt ljus. Din t-shirt kommer lysa i mörkret om den belyses med UV-ljus.

Röntgenstrålning – Används på sjukhus för att se hur skelettet ser ut. Handens mjuka delar släpper igenom mer strålning än skelettet. Därför syns skelettet på bilden.

Gammastrålning – Denna strålning innehåller extremt mycket energi och är direkt farlig. Den bildas vid händelser i rymden t.ex. gammablixtar eller vid sönderfall av radioaktiva ämnen (atombomber, kärnkraft).

Fördjupning:

MER OM LJUS

Laser

En laser används idag till en mängd olika saker. Polisen stoppar fortkörare med laserpistol, ögonläkare kan fila på hornhinnan för at bota din närsynthet, du kan lyssna på CD-skivor m.m.

Vitt ljus (synligt ljus) innehåller alla våglängder på elektromagnetisk strålning mellan 400 till 800 nanometer. I laserljuset finns bara en färg (en våglängd) t.ex. grön eller rött. Alla ljusvågor går i samma riktning och i samma takt. Ljuset koncentreras.

Belysning – det finns flera enheter för ljus.

  • Lumen – (Candela) Mäter ljusflödet vilket är ljusets intensitet.
  • Lux. Mäter ljusintensitet per yta.

Polaroidglas

Har du tröttnat på irriterande ljus från vattenblänk när du är på sjön eller reflexer när du sitter i bilen? Då kan du skaffa dig ett polaroid glasögon. De kommer att minska ljusreflexerna.

Ljus består av fotoner med olika våglängd. Våglängder är också olika vridna. En våg kan färdas med vågtopp och vågdal horisontellt, andra har vågtopp och vågdal vertikalt och sedan finns det allt där i mellan. Ett polaroidglas fungerar som ett galler. Bara våglängder som färdas i en riktning kommer i mellan.

Ljusets hastighet

Ljusets hastighet är 300 000 km/s (ljudets hastighet är 340 m/s). Ett ljusår är hur långt ljusets färdas på ett år. På ett år finns det så här många sekunder: 365 dagar * 24 timmar * 60minuter * 60 sekunder. 365*24*60*60 sekunder. = 31536000 sekunder. Varje sekund färdas ljuset 300 000 km. Ett ljusår = 31536000 *300 000 = rätt många km. Vår närmsta stjärna ligger ungefär 4,5 ljusår bort.

Osynlighetsmantel

Funkar det? Förutsättningen för att se föremål är att ljuset studsar på dem och sedan in i våra ögon. Om ljuset som träffar manteln inte reflekteras tillbaka så kan våra ögon inte se den. Man kan tänka att ljusets åker runt manteln likt  vattnet åker runt en sten i en flod. Det skulle funka. Tyvärr får Harry lite problem med att se ut eftersom det kräver att fotoner studsar in i hans ögon. Än så länge krävs det helt enkelt magi för att det ska funka.

Stealth är en militär term. Det handlar att så lite ljus ska reflekteras tillbaka från en militär farkost för att undvika att synas på radar. Radar är ett sätt att upptäcka farkoster med radiovågor. Radiovågorna sänds ut och studsar tillbaka och en bild tolkas. Om radiovågorna inte studsar tillbaka så syns inte farkosten på radarn.

Hologram.

Hologram är en bild i tre dimensioner. Den finns på kontokort nuförtiden.

Fördjupning:

Info om sidan Träna begrepp Skriv ut
Deltest 1 Deltest 2 Stortest