YSIK Lennart Undvall Anders Karlsson
ISBN 978-91-47-08596-5 2013 Lennart Undvall, Anders Karlsson och Liber AB Redaktion: Conny Welén ormgivare: Patrik Sundström Bildredaktör: Mikael Myrnerts Teckningar: Typoform, Anders Nyberg Produktion: Adam Dahl järde upplagan 1 Repro: Repro 8 AB, Nacka Tryck: Kina 2013 KOPIERINGSÖRBUD Detta verk är skyddat av upphovsrättslagen. Kopiering, utöver lärares och elevers rätt att kopiera för undervisningsbruk enligt BONUS-avtal, är förbjuden. BONUS-avtal tecknas mellan upphovsrättsorganisationer och huvudman för utbildningsanordnare, t.ex. kommuner och universitet. Intrång i upphovsmannens rättigheter enligt upphovsrättslagen kan medföra straff (böter eller fängelse), skadestånd och beslag/förstöring av olovligt framställt material. Såväl analog som digital kopiering regleras i BONUS-avtalet. Läs mer på www. bonuspresskopia.se. Liber AB, 113 98 Stockholm Tfn 08-690 92 00 www.liber.se kundservice tfn 08-690 93 30, fax 08-690 93 01 e-post: kundservice.liber@liber.se
Välkommen till Spektrum ysik Den fjärde upplagan av Spektrum Kemi tar avstamp i Lgr 11. Kursplanens förmågor möts med nya moment, och det centrala innehållet med uppdaterat stoff och nya kapitel. I kapitelingresserna har förmågorna lyfts dels med bilder och frågor, dels med målbeskrivningar baserade på det centrala innehåll och de förmågor som behandlas i kapitlet. De nya Perspektiven lockar till diskussion och ställningstagande. Här tränas förmågan att skilja värderingar från fakta och att utveckla ett kritiskt tänkande kring argument och källor. aktarutor med Historia, orskning och ördjupning ger intressanta utblickar och visar på fysikens bredd. Varje avsnitt avslutas med Testa dig själv-frågor och begreppsträning örklara begreppen. Varje kapitel i sin tur avslutas med en samman fattning följd av inalen med kapitelövergripande uppgifter i ämnes provens anda. En bra möjlighet att testa kunskaperna och få träning inför ämnesproven. Nytt i Lgr 11 är att eleverna ska lära sig skilja fakta från värderingar i valsituationer som rör energi, teknik, miljö och samhälle. Nya Spektrum stödjer det arbetet och ger ökad kunskap om begrepp, modeller och teorier samt hur de kommit till genom naturvetenskapligt arbete. Här finns också kopplingar till vardagslivet som eleverna känner igen. Vi har även lagt mer fokus på att förklara hur nya upptäckter i fysik påverkat vår världsbild och förändrat våra livsvillkor. I nya Spektrum fysik har vi lämnat elektroniken till tekniken och samlat elläran i två kapitel. Det första behandlar grundläggande ellära, det andra samspelet mellan elektricitet och magnetism. Enklare kapitel som Solsystemet, Värme och väder och Ljud ligger tidigt i boken, medan Atom- och kärnfysik och Energiförsörjning kommer senare.
När vi surfar på internet använder vi fiberoptiska kablar. Det är kunskaper om ljusets egenskaper som har gjort det möjligt. 8. ljus Driver våra elektroniska motorvägar Solens strålar har märkliga egenskaper. De syns inte, men ändå lyser de upp och sätter färg på vår tillvaro. Solens UV-strålning kan vi inte heller se direkt, men ändå ger den oss bruna ben på stranden. Idag har vi lärt oss att skicka information med hjälp av ljus, snabbare än någonsin tidigare. Ledningar av glas håller på att ersätta våra teleledningar av koppar. Vi kan också skapa ljus som inte förekommer naturligt, nämligen laser. Med laser kan vi till exempel mäta avstånd och operera närsynthet.
Känner du igen fenomenet? Solen lyser igenom och regnbågens alla färger bildas. Har du något glasföremål hemma som detta fungerar med? ungerar det även med en lampa som ljuskälla? Är det farligt att värma mat i mikrovågsugn? En del tror det. Men har man kunskaper i fysik vet man vilken strålning som är farlig och vilken som är ofarlig. här får du lära dig hur ljuset reflekteras i olika slags speglar varför en ljusstråle ändrar riktning när den passerar en vattenyta hur ljuset bryts i olika slags linser hur ljus färdas i en optisk fiber hur en kamera och kikare fungerar hur regnbågen uppkommer hur vi kan se olika färger vad strålningsenergi och kemisk energi är INNEHÅLL 8.1 Ljusets utbredning och reflektion 8.2 Ljusets brytning 8.3 Optiska instrument 8.4 Ljus och färg 8.5 Strålningsenergi och kemisk energi PERSPEKTIV 93
örr trodde man att ögonen sände ut osynliga ljusstrålar och när man blundade blev det mörkt. Idag vet vi att det behövs en ljuskälla för att vi ska se något. 8.1 Ljusets utbredning och reflektion I vårt språk använder vi uttryck som kasta en blick på... eller hennes onda blick.... örr var det här ett vanligt sätt att tänka. ram till 1500-talet trodde man att ögonen var en slags ljuskälla. På samma sätt som elden sänder ljus trodde man att ögonen sände ut osynliga synstrålar och att det var därför som man såg föremål. Och just därför såg man inget när man blundade. Nu vet vi att det inte går till på det viset. Så tänker vi idag Tänk dig att du befinner dig i ett rum som är helt svart. Du kan inte se någonting omkring dig. Men när du tänder ett stearinljus ser du plötsligt detaljer i rummet. Hur går det egentligen till när vi ser saker? ör att vi ska kunna se måste det finnas en ljuskälla som till exempel ett stearinljus som brinner. Den brinnande lågan sänder ut ljusstrålar i alla riktningar. Strålarna träffar möbler, lampor och andra saker i rummet. En del av strålarna träffar till exempel klockan på väggen. När ljusstrålarna träffar klockan studsar ljuset åt alla möjliga håll. Vi säger att ljuset reflekteras. En del av det reflekterade ljuset når våra ögon. Inne i ögat, på näthinnan, uppstår en bild av klockan. Bilden bearbetas av hjärnan, vilket gör att vi ser klockan. På samma sätt ser vi hus, träd, bilar och tusentals andra detaljer när vi är utomhus. Men då är det solen som är ljuskällan, även om det är molnigt. Solens strålar reflekteras i allt vi ser. Stearinljuset är en gammal ljuskälla som används än idag. 94
Ämnen som är svåra att se Det finns ämnen som är omöjliga att se, till exempel luft. Anledningen till att vi inte kan se luft, är att luften inte reflekterar något ljus. Andra ämnen, som glas och vatten, kan ibland vara svåra att se trots att de faktiskt reflekterar ljus. Men en ren glasruta reflekterar bara en liten del av det ljus som träffar glaset. Det gör att ögat kan ha svårt att uppfatta glasrutan. När ett fönster börjar bli smutsigt ser vi glaset tydligare. Men då är det smutspartiklarna, snarare än själva glaset, som reflekterar ljuset. Så bildas skuggor På grund av att ljuset rör sig rakt fram, rätlinjigt, bildas skuggor som ibland kan vara skarpa. Men ibland blir skuggorna suddiga. Det inträffar när det är molnigt eftersom molnen då får strålarna att ändra riktning. De ljusstrålar som når marken kommer därför från alla möjliga håll. Även en vanlig glödlampa kan ge suddiga skuggor. Det gör den om lampan har så kallat matt glas. Strålarna sprids då i alla möjliga riktningar i rummet. På så sätt skapas ljus som ger mjuka skuggor. Om lampan däremot har klart glas så blir skuggorna skarpa. Om man torkar bort skummet kan det vara svårt att se glasrutan. Ljuset från solen rör sig rätlinjigt och därför skapas skarpa skuggor. 95
I en plan spegel blir spegelbilden lika stor som föremålet, men spegelvänd. sets infalls- och reflektionsvinkel 6:4 i = infallsvinkel r = reflektionsvinkel i r normal Infalls- och reflektionsvinkeln är lika stora. Infallsvinkel och reflektionsvinkel När ljus träffar en oregelbunden yta så reflekteras ljuset åt alla möjliga håll. Men när ljus träffar en plan och blank yta, exempelvis en spegel, studsar det ut från spegeln precis lika snett eller rakt som det träffade. Låt oss titta på en enda ljusstråle som träffar en spegel. I den punkt strålen träffar spegeln ritar vi en vinkelrät linje mot spegeln. Linjen kallas för normal. Den vinkel, som bildas mellan den infallande ljusstrålen och normalen, kallas för infallsvinkel. Den vinkel som bildas mellan den reflekterade strålen och normalen kallas för reflektionsvinkel. Ljusstrålen reflekteras alltid på ett sådant sätt att reflektionsvinkeln är lika stor som infallsvinkeln. Samma princip gäller när du slår en innebandyboll mot sargen eller en biljardkula mot vallen. 8.7 Ögat ser en bild som tycks finnas bakom spegeln. Spegelbilden finns lika långt bakom spegeln som föremålet finns framför. Plana speglar Om du står framför en plan spegel, ser du en bild av dig själv. Bilden är lika stor som du är i verkligheten och tycks finnas bakom spegeln, på samma avstånd som mellan dig och spegeln. Men spegelbilden är inte helt riktig. Höger och vänster har bytt plats. Bilden av verkligheten är spegelvänd. Hur uppkommer då bilden? ör att förklara det tar vi hjälp av ett stearinljus som vi placerar framför spegeln. Ljuset sänder ut strålar i alla riktningar. De strålar som träffar spegeln reflekteras. Om vi till exempel tittar på de reflekterade strålarna från lågans spets och förlänger dem bakom spegeln, skär de varandra i en punkt. I den punkten ser vårt öga en bild av lågans spets. På så sätt luras vi att tro att det finns ett ljus bakom spegeln. 96
Buktiga speglar Alla speglar är inte plana. En del buktar åt något håll. Om spegeln buktar inåt, kallas den för en konkav spegel. Om den buktar utåt är spegeln konvex. ör att komma ihåg vilken spegel som är vilken, kan du tänka dig en kupad hand. På den konvexa sidan växer det hår. Handflatan är den konkava sidan. konkav spegel Brännpunkt Ljusstrålar som har samma avstånd från varandra hela tiden kallas för parallella ljusstrålar. När de träffar en konkav spegel reflekteras strålarna och skär varandra i en punkt framför spegeln. Punkten kallas för brännpunkt eller fokus. En konvex spegel har sin brännpunkt bakom spegeln. Konvexa speglar sprider inkommande ljusstrålar. Om strålarna som träffar spegeln är parallella, reflekteras de så att de ser ut att komma från brännpunkten bakom spegeln. = Brännpunkt, fokus Alla buktiga speglar har en brännpunkt. Avståndet från brännpunkten till spegeln kallar vi för brännvidd. Hur man använder konkava speglar Om vi låter ljus från solen träffa en konkav spegel så blir det mycket varmt i spegelns brännpunkt. Det kan vi utnyttja i en solugn. Om vi placerar en kastrull med vatten i brännpunkten kan vi få vattnet att börja koka. På hustak kan du se ett annat exempel på ett slags konkava speglar parabolantenner. När det gäller radio- och TV-signaler behöver ytan inte vara blank. Signalerna från en satellit reflekteras utmärkt ändå. I antennens brännpunkt sitter själva mottagaren av signalerna. = Brännpunkt, fokus = Brännpunkt, fokus En konkav spegel samlar ljus, medan en konvex spegel sprider ljus. konvex spegel En parabolantenn är konkav och samlar inkommande signaler i en mottagare, som sitter i antennens brännpunkt. 97
I en bilstrålkastare 8.12 är lampan placerad i spegelns brännpunkt. De strålar som lämnar strålkastaren är parallella. Lägg märke till det som sitter framför lampan. Anordningen hindrar de strålar som inte reflekteras i spegeln att lämna strålkastaren. Så fungerar en strålkastare Både i en solugn och i en parabolantenn utnyttjar vi det faktum att parallella strålar, som träffar en konkav spegel, reflekteras och möts i brännpunkten. I många lampor gör vi det motsatta. Istället för att samla strålarna i brännpunkten sänder vi ut strålarna därifrån. Genom att placera en lampa i en konkav spegels brännpunkt får vi till exempel en bra strålkastare. De strålar som träffar spegeln reflekteras så att de blir parallella. På så sätt sprids inte ljuset åt alla håll från strålkastaren. Vi får ett riktat och bra ljus, vilket är nödvändigt från till exempel en bilstrålkastare. Bilden i buktiga speglar Om du speglar dig i en konkav spegel blir bilden förstorad, om du håller spegeln nära ansiktet. Men om du håller spegeln en bit bort, ser du en upp och nervänd spegelbild av ditt ansikte. Dessutom är bilden mindre än i verkligheten. Konkava speglar används i speglar där man vill ha en förstorad bild av sitt ansikte. Det blir då lättare att sminka eller raka sig. Om du speglar dig i en konvex spegel blir bilden alltid förminskad. Konvexa speglar finns till exempel i gatukorsningar med dålig sikt och i backspeglar till bilar. Genom att bilden blir förminskad syns en betydligt större del av korsningen eller vägen bakom bilen jämfört med om man använder en plan spegel. Den konvexa spegeln gör att du ser mer av gatukorsningen än vad du skulle gjort i en plan spegel. 98
8. l j us ÖRDJUPNING Hur bilden uppkommer i buktiga speglar Varför blir bilden förstorad eller förminskad i buktiga speglar? Vi kan visa det med hjälp av till exempel ett stearinljus. rån spetsen av ljuslågan går det ut strålar i alla riktningar. Vi ritar ut två av dessa strålar. De reflekteras i spegeln så att infallsvinkel och reflektionsvinkel blir lika stora. Om vi förlänger de reflekterade strålarna bakåt så skär de varandra. Där finns bilden av ljuslågans spets. Som du ser blir bilden i den konvexa spegeln förminskad, medan den blir förstorad i den konkava spegeln. I båda fallen ser det ut som om bilden finns bakom spegeln. 8.14 8.14 testa dig själv 8.1 förklara begreppen ljuskälla reflektera normal infallsvinkel reflektionsvinkel konvex spegel konkav spegel brännpunkt brännvidd 1. Vilken hastighet har ljus i luft? 8. a) Vad för slags spegel är det här? dig i en a) plan spegel? b) konvex spegel? c) konkav spegel på nära håll? b) Rita av bilden och rita strålarnas fortsatta väg. c) Hur lång är spegelns brännvidd? 2. Blir bilden förstorad, förminskad eller oförändrad om du speglar 9. Bilden föreställer en bilstrålkastare. a) Var är lampan placerad? b) Rita av bilden, rita ut några strålar och hur de reflekteras. 3. Ge exempel på hur man kan ha nytta av a) konkava speglar. b) konvexa speglar. 10. Ett ljus står framför en plan spegel enligt bilden. Rita strålgången och den spegelbild som uppkommer. 11. Rita av bilderna. Rita strålarnas fortsatta väg. 4. Rita en bild som visar vad som händer när en ljusstråle träffar en plan spegel. 5. örr i tiden trodde man att man såg föremål för att det sändes ut osynliga synstrålar från ögonen. Idag vet vi att det inte är så. örklara varför du kan se föremål runt omkring dig. 6. Vatten är ett genomskinligt ämne. Varför kan vi ändå se vatten? 7. a) Vad för slags spegel är det här? b) Rita av bilden och rita strålarnas fortsatta väg. c) Hur lång är spegelns brännvidd? B 99 Kap 8.indd 99 2013-04-03 11.52
8.2 Ljusets brytning Vi använder Internet mer och mer. ör att allt ska fungera finns kablar av glas nedgrävda i marken och på havens bottnar. ör att informationen i till exempel ett fotografi inte ska försvinna när det skickas över internet måste signalerna förstärkas. Nu jobbar forskarna, bland annat på Tekniska högskolan i Stockholm (KTH) med att uppfinna framtidens kablar. De försöker förfina glaset i kablarna så att kablarna kan böjas mer utan att ljus läcker ut och så att ljussignalerna kan färdas längre sträckor innan de behöver förstärkas. Men hur kommer det sig egentligen att ljus kan färdas inuti glastrådar? ör att förklara det måste vi lära oss lite om hur ljuset bryts. luft vatten Ljus kan färdas i kablar av glas optiska fiber. i = infallsvinkel i normal b r = reflektionsvinkel r b = brytningsvinkel När ljus träffar en vattenyta så reflekteras en del av ljuset. Annars skulle vi inte kunna se vattnet. Resten av ljuset fortsätter in i vattnet, men i en annan riktning. Ljusstrålen bryts mot normalen. Ljusets strålar bryts i en vattenyta Ljus ändrar riktning när det passerar en vattenyta. Det beror på att ljus har lägre hastighet i vatten än i luft. Hastigheten i luft är 300 000 km/s, men den är bara 225 000 km/s i vatten. Att ljusets hastighet är lägre i vatten beror på att vatten har högre densitet än luft. Man brukar säga att vatten är ett tätare ämne än luft. Ju tätare ett ämne är, desto lägre är ljusets hastighet. Den vinkel som bildas mellan den infallande strålen och normalen kallas för infallsvinkel. Den vinkel, som bildas mellan normalen och ljusstrålen i vattnet, kallas för brytningsvinkel. När en ljusstråle går från luft till vatten, bryts den mot normalen. Brytningsvinkeln blir då mindre än infallsvinkeln. En ljusstråle som istället går från vatten till luft bryts från normalen. Brytningsvinkeln blir då större än infallsvinkeln. Det är alltid så att ljusets strålar bryts mot normalen när det går in i ett tätare ämne. När ljus går in i ett tunnare ämne bryts strålarna från normalen. 100
Den avbrutna skeden Säkert har du stått på stranden med vatten upp till knäna och tittat ner på dina fötter. Kanske har du då sett att benen tycks vara för korta och att fötterna ser konstiga ut. En tesked som är nerstucken i ett glas med vatten ser också konstig ut. Den ser ut att vara avbruten vid vattenytan. När ljuset går in i ett tätare medium bryts det mot normalen. Men ögat tror att ljuset går rakt fram och vi blir lurade. Benen i vattnet ser därför för korta ut och skeden i glaset ser ut att vara av. Totalreflektion Vi fortsätter att undersöka ljus som går från vatten till luft. Vi kommer då att störa på ännu ett intressant fenomen. Ju större infallsvinkeln är, desto större är också brytningsvinkeln. När infallsvinkeln är 49 så blir brytningsvinkeln så stor som den kan bli, 90. När infallsvinkeln är större än 49 kommer inget ljus att fortsätta upp i luften. Allts ljus reflekteras ner i vattnet. enomenet ka llas totalreflektion. Ljus i glas Glas är ett tätare ämne än både luft och vatten. Ljusets hastighet i glas är därför lägre omkring 200 000 km/s. ör att se vad som händer när ljus passerar från glas tillbaka till luften, låter vi en ljusstråle träffa ett tresidigt prisma. När ljusstrålen går in i prismat, bryts den mot normalen. Sedan när ljusstrålen går ut i luften igen, bryts den från normalen. På sin väg genom glasprismat ändrar alltså ljusstrålen riktning två gånger. När en ljusstråle träffar en glasruta ändrar den också sin riktning två gånger. örst bryts ljusstrålen mot normalen och sedan lika mycket från normalen. Det gör att ljuset har samma riktning efter att det passerat glaset som före. Det enda som hänt är att strålen har förflyttats en aning parallellt. Ljus på väg från vatten till luft bryts från normalen. Eftersom ögat tror att ljuset färdas rakt fram blir vi lurade. Skeden verkar vara av vid vattenytan. Prisma 6.15 luft glas Ljus på väg in i ett prisma av glas bryts mot normalen. Ljus på väg ut ur prismat bryts från normalen. 101
Ljusstrålarna går först rakt fram in i prismat utan att brytas. När ljusstrålarna sedan ska färdas ut ur prismat är infallsvinkeln 45. Det gör att det uppstår en totalreflektion. Efter den andra totalreflektionen lämnar strålarna prismat. Totalreflektion i glas Även när ljus går från glas till luft kan det bli totalreflektion. Det sker när infallsvinkeln överstiger 45. Med hjälp av ett glasprisma kan vi därför få ljusstrålar att vända tillbaka åt samma håll varifrån de kom. Men vi ser också att strålarna byter plats när de kommer ut från prismat. Den stråle som var överst är nu underst och tvärtom. På så sätt kan man med hjälp av ett prisma vända en upp- och nervänd bild så att den blir rättvänd. Prismor används därför i vanliga kikare för att ge rättvända bilder. iberoptik I så kallad fiberoptik utnyttjas egenskapen att ljus kan totalreflekteras. Ordet optik kommer från grekiskans optiko s och betyder ungefär som hör till synen. Optiska fibrer är tunna trådar av glas som används till att skicka ljussignaler genom. Ljuset totalreflekteras hela tiden mot glasytan och stannar därför kvar i tråden. Ljuset så att säga studsar fram och tillbaka inne i glaset på sin färd genom fibern tills det kommer ut på andra sidan. I en optisk fiber studsar ljuset fram på grund av totalreflektion. Men om infallsvinkeln är för stor, lämnar ljuset glasfibern (den streckade strålen). 102
iberoptiska kablar Innan fiberoptiken fanns skickades alla telefonsamtal, faxmeddelanden och elektroniska brev med hjälp av elektriska signaler i kopparledningar. Nu kan vi istället skicka all denna information med hjälp av ljussignaler i fiberoptiska kablar, vilket går väsentligt snabbare. I ena änden av fibern sitter det en sändare som omvandlar de elektriska signalerna vi vill sända till ljussignaler. I andra änden av fibern sitter det en mottagare som omvandlar ljussignalerna till elektriska signaler igen. Optiska fibrer har många fördelar framför elkablar. En av dem är att optiska fibrer kan överföra mycket mer information per sekund än vad elledningar kan. Det går därför åt färre kablar. De är också lättare att placera ut, kan skicka information längre sträckor utan förstärkning, är omöjliga att avlyssna samt är miljötåliga. Det är med de optiska fibrerna vi bygger våra elektroniska motorvägar. Höghastighetsinternet Utvecklingen går snabbt och idag har många hushåll höghastighetsuppkoppling via optisk fiber ända in i bostaden. I många hushåll har man slutat använda vanliga telefoner som är kopplade till de gamla kopparledningarna. Istället använder man endast mobiltelefoner eller telefoner som helt och hållet använder sig av Internet. Allt fler hushåll har idag möjlighet att använda nya tjänster via Internet. örutom snabbare uppkoppling mot Internet kan vi med nya tjänster till exempel bestämma exakt när vi vill se olika TV-program, hyra programvara eller filmer via Internet, ringa med bildtelefon eller sända egna TV-program. Idag har mycket av datatrafiken i de gamla elledningarna flyttats över till optiska fibrer datatrafikens motorvägar. Gastroskopi På sjukhus används optiska fibrer i flera sammanhang, till exempel i så kallade gastroskop. De används bland annat när läkarna vill titta ner i magsäcken hos en patient, så kallad gastroskopi. Efter lokalbedövning får patienten svälja en slang som innehåller optiska fibrer. En del av dem lyser upp magsäcken, medan andra fungerar som filmkameror. På en TV-skärm ser läkaren hur det ser ut i magen. Läkaren förbereder en gastroskopi. 103
Konvex lins Konkav lins = Brännpunkt, fokus En konvex lins samlar inkommande ljus, medan en konkav lins sprider ljuset. Ljuset bryts egentligen två gånger när det passerar genom linsen. ör enkelhetens skull ritar vi endast en brytning linsen. brännpunkt = Brännpunkt, fokus brännpunkt Konvexa och konkava linser Linser används till exempel i glasögon, kameror, kikare och mikroskop. En lins är tillverkad av glas eller plast och kan vara konvex eller konkav. En konvex lins är tjockast på mitten, medan en konkav lins är tunnast på mitten. En lins har två brännpunkter, en på vardera sidan om linsen. Avståndet från linsens mittpunkt = Brännpunkt, fokus till brännpunkten kallas brännvidd. En konvex lins kallas också samlingslins, eftersom den samlar ihop inkommande strålar. Parallella strålar som passerar genom en konvex lins bryts och skär varandra i brännpunkten. Ytterligare ett namn på en konvex lins är positiv lins. Om det till exempel står +12 på kanten av en lins, så är det en konvex lins med brännvidden 12 cm. Konkava linser kallas även för spridningslinser eller negativa linser. Parallella strålar som passerar genom en konkav lins sprids. En lins som är märkt med beteckningen 10, är en konkav lins med brännvidden 10 cm. Bilder med konvexa linser Vi placerar ett ljus framför en konvex lins. Bakom linsen placerar vi en vit skärm. Om vi håller skärmen på ett visst avstånd från linsen, kan vi på skärmen se en bild av ljuset. Men bilden är upp- och nervänd. En bild, som vi på det här sättet kan fånga upp på en skärm, kallas för en verklig bild. Om bilden blir förstorad eller förminskad beror på hur nära linsen som ljuset är. Ju närmare linsen är, desto större blir bilden. Om den konvexa linsen kommer så nära att ljuset hamnar innanför brännpunkten, syns ingen bild på skärmen. Däremot kan vi se en bild av ljuset, om vi tittar genom linsen. Vi ser då en bild som är förstorad och rättvänd. En sådan här bild, som inte kan fångas upp på en skärm, kallas skenbild. Linsen fungerar i det här fallet som ett förstoringsglas, en lupp. brännpunkt brännpunkt 104
8. l j us Bilder med konkava linser Om vi upprepar försöket med en konkav lins blir resultatet helt annorlunda. Vi kan då inte fånga någon verklig bild på skärmen. En konkav lins kan nämligen inte ge någon verklig bild utan bara en skenbild. Skenbilden ser vi genom att titta på ljuset genom linsen. Skenbilden är en förminskad och rättvänd bild av ljuset. Det är kunskapen om hur linser skapar bilder som gjort att vi kan konstruera kikare och mikroskop. testa dig själv 8.2 Kan du begreppen? ljusets brytning tätare ämne optisk fiber konvex lins konkav lins verklig bild skenbild 1. Rita en bild som visar vad som händer när en ljusstråle går från luft och vidare ner i vatten. 2. Varför ändrar en ljusstråle riktning när den går till exempel från 7. Hur fungerar optiska fibrer? 8. a) Vad för slags lins är det här? b) Hur lång är brännvidden? c) Rita av bilden och rita strålarnas fortsatta väg. luft till glas? 3. Vilka av linserna nedan är konvexa? A B C D E 9. Parallella strålar träffar en lins med brännvidden 3 cm. Rita vad 4. Nämn ett annat namn för en som händer med strålarna om det är en konkav lins. a) konkav lins b) konvex lins 10. a) Är bilden rättvänd eller upp- och nervänd? b) Hur förändras bilden när du flyttar linsen närmare ljuset? 5. Vilken typ av lins används som förstoringsglas? 6. Bilden visar hur några ljustrålar träffar en vattenyta underifrån. Rita av bilden och rita strålarnas fortsatta väg. luft vatten Du avbildar ett ljus med en lins. På en skärm ser du en bild. 11. örklara skillnaden mellan verklig bild och skenbild. 12. Om du tittar på en fisk som finns i vatten så ser fisken ut att vara närmare vattenytan än vad den är. Den ser även större ut. örsök att förklara detta genom att rita en bild. 13. Rita den bild som uppkommer i en konvex lins när föremålet är a) utanför linsens brännpunkt b) innanför linsens brännpunkt Rita föremålet som en pil. 105 Kap 8.indd 105 2013-04-03 11.52
8.3 Optiska instrument Holländaren van Leeuwenhoek handlade med tyger på 1600-talet. ör att inte bli lurad, tillverkade han ett mikroskop för att avslöja om ett tyg hade rätt kvalitet. 300 år senare tittade forskarna på den första digitala mikroskopbilden. Det var möjligt tack vare den elektroniska bildsensorn. Digital film har numera i princip ersatt all fotografisk film. Två nya tekniker, skapade med 300 års mellanrum, kunde plötsligt samverka och för alltid förändra människors sätt att filma och fotografera. örstoringsglas har konvexa linser. Lupp En lupp eller ett förstoringsglas är det enklaste optiska instrumentet. Det är helt enkelt en konvex lins med kort brännvidd. Ju kortare brännvidden är, desto mer förstorar luppen. objektiv prismor okular Vanliga kikare innehåller prismor som vänder bilden rätt. Därför kallar man dem för prismakikare. Kikare Kikare används för att vi ska kunna se föremål på långt håll. Den enklaste typen av kikare är en så kallad astronomisk kikare. Den består av två konvexa linser som kallas objektiv och okular. Objektivet ger en bild av föremålet inne i kikaren. Sedan tittar du på bilden genom okularet. Man kan alltså säga att okularet förstorar den bild som objektivet skapat. Objektivet är en lins med lång brännvidd och okularet är en lins med kort brännvidd. Astronomiska kikare ger upp- och nervända bilder. Men det spelar ingen större roll när man studerar månen och planeterna. De kikare som vi vanligtvis använder oss av kallas för prismakikare och ger förstås rättvända bilder. En prismakikare innehåller två prismor av glas som ljuset passerar innan det träffar okularet och våra ögon. Prismorna har till uppgift att vända bilden rätt. 106
Mikroskop Mikroskop används när vi vill få förstorade bilder av små föremål. Även ett mikroskop har två konvexa linser, ett objektiv och ett okular. Precis som i en kikare så ger objektivet en bild av det föremål som man vill titta närmare på, till exempel en mygga. Okularet förstorar sedan den bild som objektivet skapat. Kamera ör att få en bild på en skärm, behövs bara en låda med ett litet hål i. Om du låter de reflekterade ljusstrålarna från en flaska falla in mot hålet får du en upp- och nervänd bild av flaskan på lådans bakre vägg. En sådan enkel kamera brukar kallas för camera obscura, vilket egentligen betyder mörkt rum. Moderna kameror finns i en mängd olika utföranden och modeller. Men i alla kameror finns det fyra viktiga delar: objektiv, slutare, bländare och ccd-celler. I gamla kameror används fotografisk film istället för ccd-celler. Den enklaste typen av objektiv består av en enda lins, en konvex lins. Linsens uppgift är att skapa en bild av det föremål som ska fotograferas. Slutarens uppgift är att öppna och stänga kameran. Den tid som kameran är öppen och släpper in ljus kallas exponeringstid. När du trycker på slutaren, öppnas kameran och en bild skapas med hjälp av linsen. Bilden registreras av ccd-cellerna. Om du har en mer avancerad kamera kan du variera kameraöppningens storlek med hjälp av bländaren. På så sätt reglerar du hur mycket ljus som ska träffa filmen. När det är soligt och ljust, ska du använda en liten bländaröppning. Om det är mulet gör du bländaröppningen större. I de flesta kameror och mobiltelefoners kameror ställs exponeringstid, bländare och avstånd in automatiskt. Sådana kameror har dessutom ofta inbyggd blixt eller LED-belysning som kommer till användning om ljusförhållandena är dåliga. öremål Linser Ett mikroskop ger en förstorad bild av små föremål och används därför att till exempel studera små insekter. Bild Bländare ilm Slutare Linserna skapar en bild på filmen. Slutaren styr hur länge filmen ska träffas av ljus. Med bländarens hjälp kan du variera kameraöppningens storlek. 107
Närsynthet Ögat kan liknas vid en kamera Ett öga kan liknas vid en kamera. Ögonlocket är ögats slutare och pupillen motsvarar kamerans bländare. När ljuset är starkt är pupillen liten, och när ljuset är svagt är pupillen stor. Efter att ljuset passerat pupillen träffar det ögonlinsen kamerans objektiv. Ögonlinsen har till uppgift att bryta ljusstrålarna så att de bryts och sammanstrålar på näthinnan och skapar en bild. Ccd-cellernas motsvarighet i ögat är näthinnan. I ett normalt fungerande öga bryts ljusstrålarna så att bilden av föremålet hamnar exakt på näthinnan. Då ser vi en tydlig bild av föremålet. Men precis som i en kamera är bilden på näthinnan upp- och nervänd. Att vi uppfattar bilden rättvänd beror på att vår hjärna vänder på bilden. Vid närsynthet hamnar bilden lite framför näthinnan. Med konkava linser sprids ljusstrålarna så att bilden hamnar på näthinnan. Närsynthet vanligt hos yngre Många människor har något slags synfel. Då behöver ögat hjälp för att kunna se bättre. Det kan gälla både unga och gamla. Bland unga är det vanligt med närsynthet. Om man är närsynt ser man bra på nära håll men inte på långt håll. Vid närsynthet är ögongloben för lång och ljuset bryts till en punkt framför näthinnan. elet kan avhjälpas med glasögon som har konkava linser. De sprider ljusstrålarna innan de når ögat. Det gör att bilden hamnar på näthinnan. En del forskare tror att närsynthet är medfött. Andra forskare tror att man blir närsynt om man läser mycket eller sitter för mycket framför TV:n och datorn. Det skulle i så fall kunna vara förklaringen till varför närsynthet blir allt vanligare. ler och fler unga blir närsynta, det vill säga de ser bra på nära håll. Kan det bero på att vi sitter mer och mer framför datorn? 108