n - Fysikum

Kapitel 2: Optik - I
Utbredning av ljus
Reflektion av ljus
Ljusbrytning
Totalreflektion

Ljusets utbredning
Ljuset utbreder sig rätlinjigt.
Från varje punkt på en ljuskälla utgår
ett divergent strålknippe.
För ljuskällor på långt avstånd (t.ex. solen) är ljusstrålarna nästan
parallella.

Föremål som är i vägen för ett strålknippe ger
upphov till en skugga.
Genom brytning av ljus i en lins kan ett
divergent ljusknippe fokuseras och bli
parallellt eller konvergent. Omvändingen
kan också ske (det går alltid att i princip
byta riktning på strålarna genom en lins).

En blank metallyta eller t.ex. en
spegelblank sjö ger upphov till spegling
eller reflektion.
Reflektionslagen: Reflektionsvinkeln är
lika med infallsvinkeln.
r = i
Strålarna och spegelns normal ligger i
samma plan.

Diffus reflektion: Parallella
strålar som träffar en
skrovlig yta reflekteras åt
alla håll.

Regelbunden
reflektion: Vid en plan
yta (t.ex. en spegel)
reflekteras de parallella
strålarna åt samma
håll.

Avbildning i en plan spegel

Var tycker observatören O att spegelbilden av föremålet S är
belägen?

Ljusbrytning
Ett transparent (genomskinligt) medium karaktäriseras av ett
brytningsindex, n.
n
ljushastigheten
i vakuum
ljushastigheten
i mediet
c
v
8
310
m/s
v
n är alltid större än 1, t.ex. glas har n 1,4 – 1,6; vatten har
n 1,33; diamant har n 2,4.
(Överkurs: En snabb partikel kan röra sig snabbare än ljuset i ett
medium, t.ex. vatten som har n = 1,33. Då bildas en
”överljusbang” precis som något som rör sig fortrare än ljudet ger
en överljudsbang. Detta används av forskare vid Fysikum för att
detektera snabba partiklar vid Sydpolen - IceCube-experimentet.)

Ljusbrytning

Tänk dig att du på kortast möjliga tid ska springa
mellan P och Q. Vilken väg väljer du?
Lös sand
Asfalt

Ljusbrytning i gränsytan mellan två
genomskinliga ämnen
Vi har lärt oss att
i = r,
men hur stor är brytningsvinkeln b?
Ett ämnes brytningsindex n talar om
hur snabbt ljuset rör sig genom mediet,
n = hastigheten i
vakuum/hastigheten i mediet .
I vakuum eller i luft har ljuset farten
3 10 8 m/s. Genom vatten går ljuset
betydligt långsammare och n vatten =
1,33.

Brytningslagen:
n1 sin( i)
n2
sin( b)
eller
n1 sin( v1)
n2
sin( v2)
medium 1, n 1
medium 2, n 2
(här har vi kallat vinkeln i för v 1 och vinkeln b för v 2)
Ett ämne som har högt brytningsindex kallas optiskt tätare än
ett med lågt.

En observatör vid O tycker fisken ser ut att simma
a) djupare än P.
b) på det sanna djupet P.
c) grundare än P.

Ibland får man många strålar av en enda infallande
stråle:
luft
Strålen som passerar
igenom är parallellförflyttad
och har förlorat
i intensitet (eftersom två
reflekterade strålar också
har bildats)

Totalreflektion kan inträffa då ljus går från ett optiskt tätare
ämne mot ett optiskt tunnare.
n
sin( g)
n
Villkor för gränsvinkel g: (obs att n 2 < n 1 krävs)
2
1

”Ljusstudsare” (rätvinkligt prisma)

ending-light_sv.jar

Fiberoptik bygger på totalreflektion

Sammanfattning
Ljus utbreder sig rätlinjigt i ett homogent
medium
När ljus reflekteras är reflektionsvinkeln och
infallsvinkeln lika stora.
När ljus bryts i gränsytan mellan två medier
gäller brytningslagen
n 1sin(v 1) = n 2 sin(v 2)
Gränsvinkeln för totalreflektion från ett tätare
till ett tunnare medium ges av sambandet
sin(g) = n 2/n 1, (obs att n 2 < n 1 krävs)
Fiberoptik är en viktig tillämpning av
totalreflektion