lys - teori - mat-fys |forsidemat-fys.dk/onewebmedia/lys_teori.pdf · samle- og spredelinser 5...

TEORETISKE MÅL FOR EMNET:

• Kende begreberne amplitude, frekvens og bølgelængde samt vide, hvad begreberne bety-

der

• Kende (og kende forskel på) tværbølger og længdebølger

• Kende lysets fart

• Kende lysets bølgeegenskaber (interferens, bøje om hjørner, gå igennem)

• Kende begreberne refleksion, brydning og interferens samt vide, hvad disse betyder

• Kende forskel på samle- og spredelinser

• Kende til øjets opbygning

• Kende spektret for hvidt lys

• Vide hvad polarisation er

• Kende parabol- og hulspejle og forskellen mellem disse; herunder brændpunkt

• Kende lysets partikel-egenskaber, herunder kendskab til elektronspring

• Kende enkelte stoffers lysudsendelse

• Kende forskel på kontinuert spektrum og linjespektrum samt forklare forskellen på disse

PRAKTISKE MÅL FOR EMNET:

• Kunne vise de 3 bølgeegenskaber

• Kunne vise, hvordan linser indvirker på lyset

• Demonstrere forskel på rødt og blåt lys´ bølgelængder i samle- og spredelinse

• Lysets brydning i et prisme

• Beregne bølgelængde vha. laser og/eller lysboks

• Vise princippet i polarisation af lys

• Give eksempler på, hvor man finder hhv. kontinuert spektrum og linjespektrum (flammefarver,

lysstofrør, elpære, natriumlampe, lysdiode osv.)

• Vise, hvordan lysstråler reflekteres af forskellige materialer (hulspejl, parabolspejl, papir, spejl

osv.)

• Vise, hvordan lysstråler brydes i forskellige materialer (linser, prismer, vand osv.)

Teori

10. KlasseCenter Vesthimmerland © Gritt Rosenkilde Steffensen

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 igennem hinanden og interferere

Bølger kan bøje om hjørner

Teori


side 1

Øjet Når lys rammer øjet, kommer det ind gennem hornhinden.

Når vi ser noget, skyldes det, at vores øjne har modtaget lysimpulser, der er blevet omdannet til elektri-ske impulser. De elektriske impulser bliver så sendt videre op i hjernen, hvor de bliver fortolket og kom-bineret med indtryk fra andre sanser. I øjet er det nethinden, der danner det billede, som vi ser. Nethinden består af 100 millioner sansecel-ler, 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 forskellige bølgelængder. Tappene er dog ikke særlig lysfølsomme og det er også derfor vi ser far-verne dårligere, når der er mørkt eller når vi bliver blændet (altså når der er meget lyst). Stavene er til gengæld meget lysfølsomme og er også årsagen til, at vi stadig kan se, selv om der er mørkt. Til gengæld er stavene langsomme til at reagere, hvilket vi mærker, når øjnene skal vænne sig til mørket.

Lys som bølger Alle typer af bølger har tre egenskaber:

Bølger kan gå igennem hinanden

At bølger kan gå igennem hinanden kan man bl.a. se ved, at lyset fra to lommelygter kan lyse igen-nem hinanden, og lyset bliver 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 interferere

At bølger kan interferere, kan man bl.a. se ved, at to lyskegler, der rammer samme sted, forstærker hinanden (oplyser stedet mere) Bølgeegenskaberne her kan også vises vha. laser eller lysboks, hvilket I også kommer til at lave for-søg med.

Teori


side 2

Bølger Bølger er en form for svingninger. Når man snakker om bølger og svingninger er der nogle ting, der er væsentlige at se på:

• Størrelsen på udsvinget/svingningen. Dette kaldes amplitude og benævnes A. Det er amplituden, man skruer op for, når man fx ændrer på, hvor kraftigt lys eller lyd skal være.

• Hvor lang en bølge er. Dette kaldes bølgelængde og benævnes λ • Hvor hurtigt svingningerne kommer efter hinanden (antal bølger pr. sekund). Dette kaldes

frekvens og benævnes f

Bølger der ”bevæger” sig ens, kaldes periodiske bølger. Det betyder, at disse periodiske bølger har samme fart, samme bølgelængde og samme frekvens. For periodiske bølger gælder bølgeformlen:

v = λ · f

• v er hastigheden angivet i sekunder • λ er bølgelængden angivet i meter • f er frekvensen angivet i svingninger pr. sekund, altså sekunder-1 eller i Hertz (Hz)

Tværbølger og længdebølger Der findes to typer bølger; tværbølger og længdebølger. Tværbølgerne bevæger sig på tværs af bevægelsesretningen og amplituden går derfor også på tværs af bevægelsesretningen:

Når vi taler om tværbølger, kan vi se, at der er en bølgetop og en bølgedal. Når vi taler om langbøl-ger, ser vi i stedet fortætninger og fortyndinger Længdebølger bevæger sig på langs af bevægelsesretningen og amplituden går derfor også på langs af bevægelsesretningen. Her ses et eksempel på længdebølger øverst, og tværbølger nederst. Amplituden på længdebølger er bredden af en fortætning.

Lys er tværbølger, mens lyd er længdebølger.

Teori


side 3

Refleksion og brydning af bølger Når bølger rammer et nyt materiale (som det fx sker, når lys går fra luft til vand), kan der ske to ting:

• Bølgerne reflekteres/tilbagekastes, når de rammer noget, de ikke kan trænge igennem. Når vi taler om lys, kender vi fx refleksion fra spejle og reflekser. De ting, vi ser, reflekterer netop ly-set, og det er præcis derfor vi kan se dem. Når der ikke er noget, der reflekterer lyset – eller at der ikke er noget lys at reflektere, ser vi ingenting.

• Bølgerne brydes, hvis de enten trænger bedre eller dårligere igennem det nye materiale.

Hvis bølgen trænger bedre igennem, sættes bølgens fart op. Hvis det trænger dårligere igennem, sættes bølgens fart ned. Brydning ser vi i det daglige, når lyset bevæger sig fra luft til vand. Har man et sugerør i et glas vand, ser det ud som om sugerøret har et knæk. Det skyldes, at lyset brydes, fordi vandet har en større molekyltæthed end luft. Lyset bevæger sig altså langsommere i vand.

I praksis sker der som regel lidt af begge dele. Når lys fx går fra luft til vand, afhænger brydningen af, hvilken vinkel, lyset har, når det rammer vandet. Når indfaldsvinklen er større end et fast tal, der gæl-der for vand, så vil lyset reflekteres. Når vinklen er mindre, vil lyset brydes.

Refleksion af lys Når lys reflekteres, skyldes det, at lyset ikke kan bevæge sig i det materiale, vi forsøger at sende det igennem. Ved fuldstændig refleksion (også kaldet totalrefleksion) på en plan overflade, vil indfalds-vinklen være lige så stor som udfaldsvinklen, fordi lysstrålen ikke bremses af materialet, og fordi lyset ikke afbøjes.

"spejl"

indfaldslod

ui

Hvis overfladen er krum (som på parabolspejlet nedenfor), vil lyset blive afbøjet. Men i virkeligheden sker der det samme som på den plane overflade – nemlig at indfaldsvinkel og udfaldsvinkel er ens i det punkt, lyset reflekteres i:

iu

Jo krummere spejlet er, jo mere afbøjes lyset derfor også.

Teori


side 4

Hvis lyset rammer en ru overflade, vil lyset ikke reflekteres så godt som på en glat overflade.

Læg mærke til, at ∠i = ∠u alle de steder, hvor lyset reflekteres. Men da overfladen er så ujævn/uens, vil lyset tilbagekastes i mange flere forskellige retninger, og derfor vil det se ud som om lyset enten reflekteres dårligt, eller at det slet ikke reflekteres.

Lysets brydning Når lys bevæger sig fra ét materiale til et andet, vil lyset brydes, hvis materialerne har forskellig masse-fylde. Lysets fart i nogle forskellige materialer: Heraf følger, at lyset derfor nemmere reflekteres af vinduesglas end af vand. Når vi har et glas vand med sugerør i, er det også lysets brydning, der er årsag til, at det ser ud som om sugerøret har et knæk. Lyset bevæger sig langsommere i både vand og glas, og derfor brydes lyset (eller reflekteres, hvis det ikke kan ”trænge igennem” det nye materiale). Hvis man sender lyset gennem en glasklods, bevæger lyset sig langsommere i glasklodsen end i luft. Derfor vil lysstrålen få et ”knæk”. Vinklerne inde i glasklodsen er ens, og det er vinklerne udenfor glas-klodsen også. Derfor er den stråleder sendes ind i glasklodsen og den stråle, der kommer ud af glas-klodsen, parallelle:

Luft 3,00 · 108 m/s

Vand 2,25 · 108 m/s

Vinduesglas 1,99 · 108 m/s

Teori


side 5

Samle- og spredelinser I en linse brydes lyset fra den overflade, det rammer. Indfaldsloddet står vinkelret på det punkt, lyset rammer Når lyset brydes ind i samlelinsen: Når lyset brydes ud af samlelinsen:

i

b

i

b

Indfaldsvinklen er større end brydningsvink-len, fordi lyset bevæger sig hurtigere i luft end i vand

Indfaldsvinklen er mindre end brydningsvinklen, fordi lyset bevæger sig langsommere i glas end i luft

I det langsynede øje virker samlelinsen i øjet for dårligt. Lyset samles derfor i et brændpunkt bag nethinden, og personen med det langsyne-de øje ser derfor bedst ting på lang afstand. Jo tættere tingene er på øjet, jo længere flyttes brændpunktet tilbage og væk fra nethinden. For at få brændpunktet flyttet frem på net-hinden, skal lyset altså samles mere, og det gøres vha. en samlelinse.

Når lyset brydes ind i spredelinsen: Når lyset brydes ud af spredelinsen:

ib

i b

Indfaldsvinklen er større end brydningsvink-len, fordi lyset bevæger sig hurtigere i luft end i vand

Indfaldsvinklen er mindre end brydningsvinklen, fordi lyset bevæger sig langsommere i glas end i luft

I det nærsynede øje virker samlelinsen i øjet for godt. Lyset samles derfor i et brændpunkt foran nethinden, og personen med det nærsyne-de øje ser derfor bedst ting tæt på. Jo længere tingene er fra øjet, jo længere flyttes brændpunktet fremad og væk fra nethinden. For at få brændpunktet flyttet tilbage til net-hinden, skal lyset altså spredes mere, og det gøres vha. en spredelinse.

Teori


side 6

Spektret for hvidt lys Hvidt lys består af alle regnbuens farver. Dette kan man fx se, når lyset falder ind ad vores vinduer på en bestemt måde, eller når der er regnbuer i fugtigt vejr. Den vinkel, som lyset falder ind ad vinduet med kan betyde, at lyset netop brydes så meget, at man kan se de forskellige farver. Grunden til, at vi på nogle tidspunkter ser de forskellige farver i det hvide lys, er, at de forskellige farver har forskellige bølgelængder. Violet 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 materiale, og dette gælder også i regndråber eller glas. Når hvidt lys sendes gennem et prisme, sker der det samme, som der sker i vanddråben.

Polarisation Lys udbreder sig som tværbølger, der har forskellige retning, som alle er vinkelret på udbredelsesret-ningen. På figuren nedenfor er der vist to retninger. I virkeligheden er der uendeligt mange.

Hvis man nu ønsker at sortere i disse tværbølger, kan man polarisere lyset ved at sende det igennem et polarisationsfilter. Visse krystaller har nemlig den egenskab, at de kun tillader lys med en bestemt bølgeretning at slippe igennem. Dette resulterer i, at der er en mindre mængde lys, der slipper igen-nem. Derfor bruges dette bl.a. i solbriller (polaroid-solbriller). Når lyset så er blevet polariseret, har alle lysbølgerne samme retning (vinkelret på udbredelsesretnin-gen). Det ville svare til, at alle de blå bølger blev sorteret fra i figuren ovenfor.

Teori


side 7

Personen på billedet ser intet lys, da det forreste polarisationsfilter frasorterer alle de bølger, der ikke er vandrette, og da det andet polarisationsfilter frasorterer alle de bølger, der ikke er lodrette. Derfor kan ingen bølger trænge igennem.

Lys som partikler Lys er elektromagnetiske bølger, ligesom radiobølger, lydbølger, gammastråling og røntgenstråling for bare at nævne nogle stykker. Men i nogle situationer opfører lyset sig som en strøm af fotoner (jf kom-pendiet til radioaktivitet). Niels Bohr opdagede atomets struktur ved netop at forske i lys. Han fandt ud af, at elektronerne måtte befinde sig i nogle elektronskaller, som hver har sit eget energiniveau. Når elektronen bevæger sig rundt i en af de inderste kerner, er tiltrækningen mellem atomkernen og elektronerne forholdsvis stor, og elektronerne i den inderste skal har derfor ikke behov for at bruge meget energi på at blive i skal-len. Befinder elektronen sig i stedet i en af skallerne længere ude, er tiltrækningskraften mellem elek-tron og atomkerne ikke længere så stor, og derfor skal elektronen bruge meget energi på at blive i skallen. Derfor har de yderste skaller et højere energiniveau end de inderste. Han fandt også ud af, at lyset kunne forklares ved, at elektronerne flyttede sig fra én skal til en anden. Når elektronen springer fra en skal med et højere energiniveau til en skal med et lavere energiniveau, så skal elektronen af med den overskydende energi. Og den overskydende energi udsendes så som en foton – og denne foton kan så have en bølgelængde, som ligger indenfor spektret for synligt lys.

Enkelte stoffers lysudsendelse Niels Bohr opdagede også, at nogle grundstoffer havde et ganske særligt spektrum. Når man ser på spektret for hvidt lys, ser man et kontinuert spektrum, hvor farverne ”flyder sammen” og ses som ét samlet spektrum af regnbuens farver. Det spektrum, grundstofferne havde, var ikke et kontinuert spek-trum, men i stedet et linjespektrum, hvor man kun ser nogle linjer i forskellige farver. Grundstofferne udsender som regel ikke lys helt af sig selv. Men opvarmer man dem, kan det ske.

Der skal tilføres energi for at få elektro-nen til at springe fra en skal med et lavt energiniveau til en skal med høje-re energiniveau. Det kan fx ske ved opvarmning.

Skallen springer derefter tilbage til det lavere energiniveau igen af sig selv ved at afgive den overskydende energi i form af en foton.

Når dette sker, ser man netop det særlige linjespektrum. Faktisk forholder det sig sådan, at hvert grundstof har sit helt eget linjespektrum. Man kalder også dette linjespektrum ”atomernes fingeraf-tryk”.

lys - teori - mat-fys |forsidemat-fys.dk/onewebmedia/lys_teori.pdf · samle- og spredelinser 5...

Documents