Refleksjon og brytning (Snells koffert)

Transkript

1 Refleksjon og brtning (Snells koffert) Refleksjon og brtning i Snells kar (Nat 104 Grimstad våren 2011; Gruppe 5) Speilloven Vi skal i denne øvingen la en laserstråle treffe et speil og undersøke hva som skjer med strålen etter at den har truffet speilet. Vi skal bentte Snells kar med grademåler og legge et speil i bunnen av karet. Videre skal vi flle karet med vann (450ml). Send laserstrålen gjennom vannet, du vil da ser luftbobler, etter en stund vil disse forsvinne, de stiger opp. Ta deretter pipetten og mål ut ca. 1ml (milliliter) skummet melk, denne melkeskvetten skal blandes med vannet når alle luftboblene er forsvunnet. Bentt pipetten som rører og bland melken godt med vannet. Sendt laserstrålen gjennom vannet langs 30-streken på grademåleren, vi sier at strålens innfallsvinkel er 30 grader. Hvilken vinkel danner laserstrålen med normallinjen (refleksjonsvinkelen) etter den har truffet speilet? Øk innfallsvinkelen og se hva som skjer med refleksjonsvinkelen. Brtningsloven I denne øvingen skal vi se at lset forandrer retning nå lset går fra luft til vann. Vi skal også i denne øvingen bentte Snells kar med speilet plassert i på bunnen, denne gangen skal karet være halvfullt med melkevann, i luften over melkebandingen skal vi tilføre røk. Tenn fire frstikker, blås flammen vekk, sett lokket litt på gløtt og blås røken inn i kammeret over vannet og lukk lokket igjen. Laserstrålen skal denne gangen gå gjennom topplokket, deretter til bunnspeilet og ut gjennom topplokket. Tegn strålen, hva skjer i overgangen fra luften til vannet? Send deretter laserstrålen gjennom den korte sideveggen på snellkaret, la strålen reflektere fra bunnspeilet og opp til vannflaten. Forsøk om du kan oppdage totalrefleksjonen i overgangen 1

2 fra vann til luft. Totalrefleksjon oppstår når vinkelen mellom vannflatenormalen og stråleretningen blir tilstrekkelig stor. Refleksbrikken og trippelspeil Vi kjenner til at refleksbrikken reflekterer lset tilbake, lset fra bilen treffer brikken og den reflektere lset tilbake til bilen og den som bærer refleks blir sett. En refleksbrikke er satt sammen av mange trippelspeil, vi skal plassere et forstørret trippelspeil i hjørne av Snells kar, vi skal bentte samme melkeblanding som i tidligere. La laser strålen først treffe bunnspeilet, sørg for at den reflekterte strålen deretter treffer det ene vertikalspeilet, den reflekterte strålen fra dette vertikalspeilet skal deretter treffe det andre vertikalspeilet. Strålen blir da sent tilbake parallelt med den retningen den kom inn. Det er litt vanskelig å få justert strålen slik at den treffer alle tre speilene, vær litt tålmodig så vil du klare det. Pass på at laserstrålen ikke treffe øet ditt. Glass stav og laserls I denne øvingen skal elevene (dere) se at glass også kan lede lset, dette tilfelle lset fra laseren. La lsstrålen treffe den ene enden av glasstaven og se om lset blir ledet bort til den andre enden. Hva ser du? Hvordan forklarer du det som skjer? Speilbilde av en knappenål og et stearinls Stearinls: Vi skal i denne øvingen se på speilbilde av et stearinls med flamme. Monter pleksiglasset til trelisten og plasser de to lsene i lsestaken. En riktig montering av trelistene fører til at de to stearinlsene får lik avstand til pleksiglasset. Sett deg ned foran pleksiglasset og tenn det lset som står nærmest. Hva ser du? Kan du forklare det du ser? Er det riktig at vi tenner det bakre lset uten frstikk og at dette lset brenner uten flamme? (se Fsikk på Roterommet side 25) Knappenål: Vi skal i denne øvingen se på speilbilde av en knappenål som ligger på bordet. Legg rutepapir på bordet og plasser speilet oppå rutepapiret med speilflaten i vertikalplanet. Det kan være lurt å la kanten av speilet ligger parallelt med en av linjene på rutepapiret. Plasser deretter knappenålen foran speilet og se inn i speilet. Hva ser du? Kan du konstruere speilbildet av knappenåla? Nødvendig utstr : Laser, Snells kar med grademåler, speil (4 x 7 cm), vann (450ml), pipette, skummet melk (1ml), frstikker, trippelspeil, glassrør med loop, stearinls, pleksiglass, trelist, lsestake med to hull, knappenål, rutepapir, speil (9x7 cm) 2

3 Speilloven og brtningsloven - litt teori Lskilder I disse elevøvingene skal vi bentte lskildene: stearinls (bruker stearin og lser når gassen brenner), sollset ( Solen bruker hdrogen og lser på grunn av hø temperatur), glødelampe (bruke elektrisk energi, elektronene varmer opp motstandstråden og den gløder), lsrør (bruker elektrisk energi når neongassen inne i røret lser) og lspenn (Lspenn er en laser, den bruker elektrisk energi, det er atomene inne i laseren som sender ut lset, det er speilene inne i laseren som lager strålen). Speilbildet En del av oss liker å speiler oss. Det er lset fra ansiktet vårt som treffer speilet, dette lset blir sendt tilbake(reflekteres) og vi ser speilbilde av ansiktet. Legg merk til at vårt høre øre er blitt til venstre øre på speilbildet. Ansiktet er speilvendt. ( Fsikk på Roterommet side 23-29) Lsbrtning Øelinsene endrer retningen på lset, en egenskap som snet baserer seg på. Kikkerten, mikroskopet, lupen og fotoapparatet baserer seg også på lsets kursendring når det går fra luft til glass og fra glass til luft. Linsebilde Øelinsen brter lset og et bilde av det vi ser på dannes på netthinnen, dette bilde kaller vi for linsebilde. Thomas A Edison I 1879 klarte han å få en glødetråd til å lse Willebrord Snellius ( ) Han fant en lov som kunne forutsi hvilken retning lset ville ta når lset passerte gjennom Optiske fibre Se artikkelen i (Nobelprisen i fsikk 2009). Optiske fibre bentter totalrefleksjon i praksis. En optisk fibertråd er like tnn som et menneskehår, den leder ls fra den ene enden av tråden til den andre. Lsstrålene totalreflekteres i overgangen fra tråden til luft og av den grunn ikke ut av tråden, lset ledes gjennom tråden selv om vi slår knute på tråden. Figuren viser en stråle i luft ( n=1) som trenger inn i trådens endeflate, den brtes i overgangen og treffer overflaten med en vinkel større grensevinkelen for totalrefleksjon som er ca. 38 grader (n=1,64). 3

4 Luft 50 grader Glass En optisk kabel blir ofte kalt for en light pipe i engelsk litteratur, en slik lspipe kan bestå av flere tusen individuelle fibre når store datamengder skal overføres over store avstander. Det er ikke uvanlig at telefonsamtaler kan overføres samtidig, slik lspiper ligger på havbunnen over Atlanterhavet fra Amerika til Europa. Stadig blir n teknologi utviklet også på dette området, kablene blir tnner, bedre overflatebehandling hindrer lekkasje av ls til omgivelsene, lset inne i en fiber reflekterer flere tusen ganger pr. meter, det er derfor viktig å unngå denne lekkasjen. I framtiden vil fibermaterialet bli enda renere, lset vil av den grunn trenge lettere gjennom trådene og man kan redusere antall forsterkere langs kabelen. Atlanterpipen har en forsterkerenhet for hver 50 km. (ref: Phsics of scientists and engineers side 975). Figuren til høre viser hvordan det er mulig å overføre bilder via en optisk kabel. Kvaliteten på bilde er avhengig av antall tråder i kabelknippe, jo flere tråder jo bedre oppløsning. På skehus er slike fiberskop benttet, skopet kan føres gjennom tkk tarmene til tnntarmen, inn i blodårene og inn i urinblæren. Alt ls som treffer trådens endeflate brtes og går inn i fibertråden når tråden har en brtningsindeks større enn roten av 2 (~1,4). Brtningindeksen for en optisk kabelkabel er normalt ~1,6. Refleksjonsloven (speilloven) En lsstråle i luft går rett fram uten å endre retning. Nå en lsstråle treffer et speil blir den reflektert, hvordan strålen blir reflektert er bestemt av refleksjonsloven: innfalsvinkelen er lik refleksjonsvinkelen. Legg merke til at alle gjenstander som ikke er lskilder og som kan sees er speil, vi ser tavla fordi lset fra sola og lampene i klasserommet treffer tavla og tavla reflekterer lset til vårt øe. 4

5 Konstruksjon av nålens speilbilde: Speil Speilbidet av spissen B Snål A C Øet Innfallsloddet står loddrett på speilet og deler vinkelen ABC i to like store deler. Den reflekterte strålen (CD) ligger i planet gitt av lsstrålen (AB) og innfallsloddet. Det er den reflekterte strålen (CD) som treffer øet. Brtningsloven En lsstråle vil endre retning når den går fra luft til glass eller vann. Figuren i margen viser at vinkelen mellom innfallsloddet og retningen på lsstrålen i glass (brtningsvinkelen) er mindre enn innfallsvinkelen. Det var Willebrord Snell ( ) som fant at forholdet mellom katetene x og er konstant. For glass og vann er dette forholdet henholdsvis 1,5 og 1,3. 5

6 x Luft Glass Dette forholdet mellom x og kalles for brtningsindeksen for overgangen mellom luft og glass/vann: n x Snells brtnings lov på matematisk form for overgangen mellom luft og glass/vann. n x r r ( ) ( ) sin α i sin α r Finn vinklene α i (innfallsvinkelen) og α r (refraksjonsvinkelen eller brtningsvinkelen) på figuren n sin( α r ) sin( α i ) 6

7 Totalrefleksjon Lsstrålen kan bli totalreflektert nå den går fra vann (glass) til luft. Vi kan finne grensevinkelen for totalrefleksjon når brtningsvinkelen er 90 grader. Vi bentter Snells brtningslov når strålen går fra vann (glass) til luft: n sin( α i ) sin( α r ) 90 grader Luft 50 grader Glass Brtningsindeksen for vann er 1,3 - denne indeksen gir en grensevinkel på 50 grader. For glass er tilsvarende vinkel 42 grader, glass har brtningsvinkel 1,5 n sin( α i ) sin( α r ) Gir α i 50 deg Fotografiapparat (linseformelen) Fotografiapparatet er velkjent både for studenter, lærer og elever. Vi tar bilder, sender dem til framkalling og betaler. Av og til tar vi bildene fram og gleder oss over dem. Noen av oss er ikke alltid like gode til å ta bilder, bildene kan enten være uskarpe eller for lse, eller begge deler. I gamle dager var kasseapparatet mest brukt, bildene ble fine, særlig når motivet 7

8 (objektet) stod noen meter fra kameraet, nærbildene ble som regel dårlige selv om motivet var godt. Figuren under viser hvordan et fotografiapparat fungerer, Pilen til venstre for linsen er objektet (motivet), det har lengden (). Pilspissen på objektet sender ut ls i alle retninger, to av disse retningene er tegnet inn på figuren. Den ene strålen går parallelt med linseaksen og brtes til brennpunktet (f). Den andre strålen treffer sentrum av linsen uten å brtes (det forutsettes at linsen er tnn). Bilde (1) som dannes bak linsen, der hvor de to stråler krsser hverandre kan fanges opp på en skjerm (film eller lssensor). Samlelinse f 1 Lupe Det er av og til nødvendig å observere detaljer i naturen som er mindre enn 0,1mm, skal vi få det til kan vi bruke lupe. Når vi bentter en samlelinse som lupe er det vanlig å at øet fokuserer på 25 cm (leseavstand), vi skal se at forstørrelsen er avhengig av lupens brennvidde. Forstørrelsen øker når brennvidden avtar: m = 25 (cm) / f Lupen i Snells koffert hadde tre samlelinser med brennvidde på henholdsvis 3, 6 og 9 (cm), forstørrelsen er da henholdsvis 8, 4 og 3. 8

9 Samlelinse/lupe f1 1 Et teleskop (refraktor) består av en samlelinse (objektivet) og et lupe (okular). Objektivet samler lset av Månen (for eksempel) i brennplanet. Vi ser et forstørret bilde av Månene gjennom okularet (lupen). 9