TEORETISKE MÅL FOR EMNET: Kende begreberne ampltude, frekvens og bølgelængde samt vde, hvad begreberne betyder Kende (og kende forskel på) tværbølger og længdebølger Kende lysets fart Kende lysets bølgeegenskaber (nterferens, bøje om hjørner, gå gennem) Kende begreberne reflekson, brydnng og nterferens samt vde, hvad dsse betyder Kende forskel på samle- og spredelnser Kende tl øjets opbygnng Kende spektret for hvdt lys Vde hvad polarsaton er Kende parabol- og hulspejle og forskellen mellem dsse; herunder brændpunkt Kende lysets partkel-egenskaber, herunder kendskab tl elektronsprng Kende enkelte stoffers lysudsendelse Kende forskel på kontnuert spektrum og lnjespektrum samt forklare forskellen på dsse PRAKTISKE MÅL FOR EMNET: Kunne vse de 3 bølgeegenskaber Kunne vse, hvordan lnser ndvrker på lyset Demonstrere forskel på rødt og blåt lys bølgelængder samle- og spredelnse Lysets brydnng et prsme Beregne bølgelængde vha. laser og/eller lysboks Vse prncppet polarsaton af lys Gve eksempler på, hvor man fnder hhv. kontnuert spektrum og lnjespektrum (flammefarver, lysstofrør, elpære, natrumlampe, lysdode osv.) Vse, hvordan lysstråler reflekteres af forskellge materaler (hulspejl, parabolspejl, papr, spejl osv.) Vse, hvordan lysstråler brydes forskellge materaler (lnser, prsmer, vand osv.)
Teor Indholdsfortegnelse ØJET 1 LYS SOM BØLGER 1 BØLGER 2 TVÆRBØLGER OG LÆNGDEBØLGER 2 REFLEKSION OG BRYDNING AF BØLGER 3 REFLEKSION AF LYS 3 LYSETS BRYDNING 4 SAMLE- OG SPREDELINSER 5 SPEKTRET FOR HVIDT LYS 6 POLARISATION 6 LYS SOM PARTIKLER 7 ENKELTE STOFFERS LYSUDSENDELSE 7 Bølger kan gå gennem hnanden og nterferere Bølger kan bøje om hjørner
Teor Øjet Når lys rammer øjet, kommer det nd gennem hornhnden. Når v ser noget, skyldes det, at vores øjne har modtaget lysmpulser, der er blevet omdannet tl elektrske mpulser. De elektrske mpulser blver så sendt vdere op hjernen, hvor de blver fortolket og kombneret med ndtryk fra andre sanser. I øjet er det nethnden, der danner det bllede, som v ser. Nethnden består af 100 mlloner sanseceller, og der er så to slags sanseceller: stave og tappe. Tappene er meget farvefølsomme og det er derfor tappene, der skelner mellem farverne og dermed de forskellge bølgelængder. Tappene er dog kke særlg lysfølsomme og det er også derfor v ser farverne dårlgere, når der er mørkt eller når v blver blændet (altså når der er meget lyst). Stavene er tl gengæld meget lysfølsomme og er også årsagen tl, at v stadg kan se, selv om der er mørkt. Tl gengæld er stavene langsomme tl at reagere, hvlket v mærker, når øjnene skal vænne sg tl mørket. Lys som bølger Alle typer af bølger har tre egenskaber: Bølger kan gå gennem hnanden At bølger kan gå gennem hnanden kan man bl.a. se ved, at lyset fra to lommelygter kan lyse gennem hnanden, og lyset blver hverken svagere eller helt udslukt. Bølger kan bøje om hjørner At bølger kan bøje om hjørner kan man bl.a. se på lyskeglen fra en halvåben dør Bølger kan nterferere At bølger kan nterferere, kan man bl.a. se ved, at to lyskegler, der rammer samme sted, forstærker hnanden (oplyser stedet mere) Bølgeegenskaberne her kan også vses vha. laser eller lysboks, hvlket I også kommer tl at lave forsøg med. sde 1
Bølger Teor Bølger er en form for svngnnger. Når man snakker om bølger og svngnnger er der nogle tng, der er væsentlge at se på: Størrelsen på udsvnget/svngnngen. Dette kaldes ampltude og benævnes A. Det er ampltuden, man skruer op for, når man fx ændrer på, hvor kraftgt lys eller lyd skal være. Hvor lang en bølge er. Dette kaldes bølgelængde og benævnes λ Hvor hurtgt svngnngerne kommer efter hnanden (antal bølger pr. sekund). Dette kaldes frekvens og benævnes f Bølger der bevæger sg ens, kaldes perodske bølger. Det betyder, at dsse perodske bølger har samme fart, samme bølgelængde og samme frekvens. For perodske bølger gælder bølgeformlen: v = λ f v er hastgheden angvet sekunder λ er bølgelængden angvet meter f er frekvensen angvet svngnnger pr. sekund, altså sekunder-1 eller Hertz (Hz) Tværbølger og længdebølger Der fndes to typer bølger; tværbølger og længdebølger. Tværbølgerne bevæger sg på tværs af bevægelsesretnngen og ampltuden går derfor også på tværs af bevægelsesretnngen: Når v taler om tværbølger, kan v se, at der er en bølgetop og en bølgedal. Når v taler om langbølger, ser v stedet fortætnnger og fortyndnger Længdebølger bevæger sg på langs af bevægelsesretnngen og ampltuden går derfor også på langs af bevægelsesretnngen. Her ses et eksempel på længdebølger øverst, og tværbølger nederst. Ampltuden på længdebølger er bredden af en fortætnng. Lys er tværbølger, mens lyd er længdebølger. sde 2
Reflekson og brydnng af bølger Teor Når bølger rammer et nyt materale (som det fx sker, når lys går fra luft tl vand), kan der ske to tng: Bølgerne reflekteres/tlbagekastes, når de rammer noget, de kke kan trænge gennem. Når v taler om lys, kender v fx reflekson fra spejle og reflekser. De tng, v ser, reflekterer netop lyset, og det er præcs derfor v kan se dem. Når der kke er noget, der reflekterer lyset eller at der kke er noget lys at reflektere, ser v ngentng. Bølgerne brydes, hvs de enten trænger bedre eller dårlgere gennem det nye materale. Hvs bølgen trænger bedre gennem, sættes bølgens fart op. Hvs det trænger dårlgere gennem, sættes bølgens fart ned. Brydnng ser v det daglge, når lyset bevæger sg fra luft tl vand. Har man et sugerør et glas vand, ser det ud som om sugerøret har et knæk. Det skyldes, at lyset brydes, ford vandet har en større molekyltæthed end luft. Lyset bevæger sg altså langsommere vand. I prakss sker der som regel ldt af begge dele. Når lys fx går fra luft tl vand, afhænger brydnngen af, hvlken vnkel, lyset har, når det rammer vandet. Når ndfaldsvnklen er større end et fast tal, der gælder for vand, så vl lyset reflekteres. Når vnklen er mndre, vl lyset brydes. Reflekson af lys Når lys reflekteres, skyldes det, at lyset kke kan bevæge sg det materale, v forsøger at sende det gennem. Ved fuldstændg reflekson (også kaldet totalreflekson) på en plan overflade, vl ndfaldsvnklen være lge så stor som udfaldsvnklen, ford lysstrålen kke bremses af materalet, og ford lyset kke afbøjes. ndfaldslod u "spejl" Hvs overfladen er krum (som på parabolspejlet nedenfor), vl lyset blve afbøjet. Men vrkelgheden sker der det samme som på den plane overflade nemlg at ndfaldsvnkel og udfaldsvnkel er ens det punkt, lyset reflekteres : u Jo krummere spejlet er, jo mere afbøjes lyset derfor også. sde 3
Teor Hvs lyset rammer en ru overflade, vl lyset kke reflekteres så godt som på en glat overflade. Læg mærke tl, at = u alle de steder, hvor lyset reflekteres. Men da overfladen er så ujævn/uens, vl lyset tlbagekastes mange flere forskellge retnnger, og derfor vl det se ud som om lyset enten reflekteres dårlgt, eller at det slet kke reflekteres. Lysets brydnng Når lys bevæger sg fra ét materale tl et andet, vl lyset brydes, hvs materalerne har forskellg massefylde. Lysets fart nogle forskellge materaler: Luft Vand 3,00 10 8 m/s 2,25 10 8 m/s Vnduesglas 1,99 10 8 m/s Heraf følger, at lyset derfor nemmere reflekteres af vnduesglas end af vand. Når v har et glas vand med sugerør, er det også lysets brydnng, der er årsag tl, at det ser ud som om sugerøret har et knæk. Lyset bevæger sg langsommere både vand og glas, og derfor brydes lyset (eller reflekteres, hvs det kke kan trænge gennem det nye materale). Hvs man sender lyset gennem en glasklods, bevæger lyset sg langsommere glasklodsen end luft. Derfor vl lysstrålen få et knæk. Vnklerne nde glasklodsen er ens, og det er vnklerne udenfor glasklodsen også. Derfor er den stråleder sendes nd glasklodsen og den stråle, der kommer ud af glasklodsen, parallelle: sde 4
Samle- og spredelnser Teor I en lnse brydes lyset fra den overflade, det rammer. Indfaldsloddet står vnkelret på det punkt, lyset rammer Når lyset brydes nd samlelnsen: Når lyset brydes ud af samlelnsen: b b Indfaldsvnklen er større end brydnngsvnklen, ford lyset bevæger sg hurtgere luft end vand Indfaldsvnklen er mndre end brydnngsvnklen, ford lyset bevæger sg langsommere glas end luft I det langsynede øje vrker samlelnsen øjet for dårlgt. Lyset samles derfor et brændpunkt bag nethnden, og personen med det langsynede øje ser derfor bedst tng på lang afstand. Jo tættere tngene er på øjet, jo længere flyttes brændpunktet tlbage og væk fra nethnden. For at få brændpunktet flyttet frem på nethnden, skal lyset altså samles mere, og det gøres vha. en samlelnse. Når lyset brydes nd spredelnsen: Når lyset brydes ud af spredelnsen: b b Indfaldsvnklen er større end brydnngsvnklen, ford lyset bevæger sg hurtgere luft end vand Indfaldsvnklen er mndre end brydnngsvnklen, ford lyset bevæger sg langsommere glas end luft I det nærsynede øje vrker samlelnsen øjet for godt. Lyset samles derfor et brændpunkt foran nethnden, og personen med det nærsynede øje ser derfor bedst tng tæt på. Jo længere tngene er fra øjet, jo længere flyttes brændpunktet fremad og væk fra nethnden. For at få brændpunktet flyttet tlbage tl nethnden, skal lyset altså spredes mere, og det gøres vha. en spredelnse. sde 5
Spektret for hvdt lys Teor Hvdt lys består af alle regnbuens farver. Dette kan man fx se, når lyset falder nd ad vores vnduer på en bestemt måde, eller når der er regnbuer fugtgt vejr. Den vnkel, som lyset falder nd ad vnduet med kan betyde, at lyset netop brydes så meget, at man kan se de forskellge farver. Grunden tl, at v på nogle tdspunkter ser de forskellge farver det hvde lys, er, at de forskellge farver har forskellge bølgelængder. Volet lys har den korteste bølgelængde, og rødt lys har den største bølgelængde. Jo kortere bølgelængde lyset har, jo mere brydes det, når det rammer et nyt materale, og dette gælder også regndråber eller glas. Når hvdt lys sendes gennem et prsme, sker der det samme, som der sker vanddråben. Polarsaton Lys udbreder sg som tværbølger, der har forskellge retnng, som alle er vnkelret på udbredelsesretnngen. På fguren nedenfor er der vst to retnnger. I vrkelgheden er der uendelgt mange. Hvs man nu ønsker at sortere dsse tværbølger, kan man polarsere lyset ved at sende det gennem et polarsatonsflter. Vsse krystaller har nemlg den egenskab, at de kun tllader lys med en bestemt bølgeretnng at slppe gennem. Dette resulterer, at der er en mndre mængde lys, der slpper gennem. Derfor bruges dette bl.a. solbrller (polarod-solbrller). Når lyset så er blevet polarseret, har alle lysbølgerne samme retnng (vnkelret på udbredelsesretnngen). Det vlle svare tl, at alle de blå bølger blev sorteret fra fguren ovenfor. sde 6
Teor Personen på blledet ser ntet lys, da det forreste polarsatonsflter frasorterer alle de bølger, der kke er vandrette, og da det andet polarsatonsflter frasorterer alle de bølger, der kke er lodrette. Derfor kan ngen bølger trænge gennem. Lys som partkler Lys er elektromagnetske bølger, lgesom radobølger, lydbølger, gammastrålng og røntgenstrålng for bare at nævne nogle stykker. Men nogle stuatoner opfører lyset sg som en strøm af fotoner (jf kompendet tl radoaktvtet). Nels Bohr opdagede atomets struktur ved netop at forske lys. Han fandt ud af, at elektronerne måtte befnde sg nogle elektronskaller, som hver har st eget energnveau. Når elektronen bevæger sg rundt en af de nderste kerner, er tltræknngen mellem atomkernen og elektronerne forholdsvs stor, og elektronerne den nderste skal har derfor kke behov for at bruge meget energ på at blve skallen. Befnder elektronen sg stedet en af skallerne længere ude, er tltræknngskraften mellem elektron og atomkerne kke længere så stor, og derfor skal elektronen bruge meget energ på at blve skallen. Derfor har de yderste skaller et højere energnveau end de nderste. Han fandt også ud af, at lyset kunne forklares ved, at elektronerne flyttede sg fra én skal tl en anden. Når elektronen sprnger fra en skal med et højere energnveau tl en skal med et lavere energnveau, så skal elektronen af med den overskydende energ. Og den overskydende energ udsendes så som en foton og denne foton kan så have en bølgelængde, som lgger ndenfor spektret for synlgt lys. Enkelte stoffers lysudsendelse Nels Bohr opdagede også, at nogle grundstoffer havde et ganske særlgt spektrum. Når man ser på spektret for hvdt lys, ser man et kontnuert spektrum, hvor farverne flyder sammen og ses som ét samlet spektrum af regnbuens farver. Det spektrum, grundstofferne havde, var kke et kontnuert spektrum, men stedet et lnjespektrum, hvor man kun ser nogle lnjer forskellge farver. Grundstofferne udsender som regel kke lys helt af sg selv. Men opvarmer man dem, kan det ske. Der skal tlføres energ for at få elektronen tl at sprnge fra en skal med et lavt energnveau tl en skal med højere energnveau. Det kan fx ske ved opvarmnng. Skallen sprnger derefter tlbage tl det lavere energnveau gen af sg selv ved at afgve den overskydende energ form af en foton. Når dette sker, ser man netop det særlge lnjespektrum. Faktsk forholder det sg sådan, at hvert grundstof har st helt eget lnjespektrum. Man kalder også dette lnjespektrum atomernes fngeraftryk. sde 7