Fullstendig fasit 7 Bølger og stråler rundt oss 7.1 Bølger Lyd 7.2.

Transkript

1 7 Bølger og stråler rundt oss 7.1 Bølger En bølgebevegelse er svingninger som brer seg. Når en lydbølge brer seg, er det molekylene i det stoffet bølgen brer seg i, som svinger Se figuren på side Se figuren på side a) I en langsbølge går svingningene i samme retning som bølgen brer seg. I en tversbølge går svingningene på tvers av bølgeretningen. b) Lydbølger i luft er langsbølger, for luftmolekylene svinger fram og tilbake (og lager fortynninger og fortetninger i lufta) i den retningen som lydbølgen går i. Bølger som vi kan lage med et tau som svinger opp og ned, er tversbølger a) En bølgelengde er avstanden mellom to bølgetopper. I en langsbølge i luft er en bølgetopp der molekylene i lufta blir presset tettest sammen. b) Bølgelengde måler vi vanligvis med enheten meter Et tau som svinger opp og ned, bølger i vannet, lydbølger i luft, i vann og i faste stoffer (f.eks metaller) Se forklaring i boka på side 160 i andre avsnitt a) Frekvens er antall hele svingninger per sekund. b) Enheten for frekvens er hertz (Hz). 1 s 1 = 1 Hz Frekvensen: f = 10 / 5 s = 2 s 1 = 2 Hz Periode eller svingetid er tiden det går mellom hver gang en bølgetopp passerer Perioden / svingetiden T er: T = 1/f = 1 / 2 s = 0,5 s Se tabellen side Lyd Lyd er en bølgebevegelse. Lydbølger er fortetninger og fortynninger som brer seg i luft eller et stoff Se eventuelt forklaring side a) Se eventuelt forklaring side 163 og nederst side 160. b) For å få ideer til en skisse av langsbølger: Studer venstre del av figuren side 165. Den viser langsbølger som brer seg fra en gitarstreng mot et øre Basstoner har lange bølgelengder og lav (liten) frekvens. Diskanttoner har korte bølgelengder og høy frekvens a) Lyder med frekvenser under 20 Hz eller over Hz kan øret vårt ikke oppfatte. Mange åringer har hørselsskader som gjør at de ikke kan oppfatte lyder som har frekvenser over Hz. b) Barn og unge kan høre lyder i frekvensområdet fra 20 til Hz. Når vi blir eldre, hører vi mange diskanttoner dårligere, og

2 mennesker over 40 år hører vanligvis ikke lyd som har mer enn svingninger per sekund ( Hz). c) Vi hører best i frekvensområdet fra 250 til 4000 Hz. I dette området er de fleste lydene i tale og musikk a) Lyder med de høyeste frekvensene fra fioliner og cymbaler, kan være vanskelig å høre for voksne mennesker. b) CD-spilleren gir toner som er for lave til at ørene våre kan oppfatte lyden. Både CD-spilleren og forsterkeren gjengir tonehøyder som er på grensen av hva mennesker kan oppfatte Etter hvert som lydbølgen brer seg, vil en del av svingeenergien gå over til andre energiformer. Lyden blir derfor svakere fordi svingningene blir mindre a) 330 Hz er 330 hele svingninger (fram og tilbake) per sekund. b) Frekvensen til denne bølgebevegelsen er: f = 2200 / 5 s = 440 s 1 = 440 Hz Bruk for eksempel Caplex på Internett og søk på ordene infralyd og ultralyd Se på side 165. Flaggermusa sender ut lydbølger og tolker de lydsignalene som blir reflektert fra omgivelsene (dyr, planter, gjenstander) I dette frekvensområdet hører vi best Ved god hørsel kan et øre oppfatte lyder i dette frekvensområdet Mennesker som er over 40 år, hører vanligvis ikke disse lydene Dette kalles ultralyd Under 20 Hz Hz X Hz X Over Hz X Over Hz Dette kalles infralyd X Se på side a) I luft: om lag 340 (nøyaktig: 344) m/s ved 20 C og 331 m/s ved 0 C. b) I vann om lag 1500 m/s, i forskjellige steinsorter m/s, i stål opp mot 5000 m/s, i noen trearter opp mot 5000 m/s b) Det er mange faktorer som avgjør hvor stor lydfarten er i et stoff, bl.a. temperaturen, strukturen i stoffet og hvor tett stoffpartiklene er pakket. c) I mange faste stoffer ligger stoffpartiklene tett og har fast plassering i forhold til hverandre. Dette gjør blant annet at lydbølgene lettere kan bre seg ved at stoffpartiklene lettere kan presses mot hverandre. I væsker kan også lyden bre seg raskt på grunn av de samme årsakene. X

3 I gasser er det lengre avstand mellom stoffpartiklene, og dette medfører at lydbølgene ikke så lett brer seg a) Lyd trenger stoffpartikler for å kunne bre seg. I verdensrommet er det vakuum. Dette hindrer lyden i å forplante seg ut i verdensrommet. b) På grunn av vakuumet i verdensrommet kan lyder fra f.eks. eksplosjoner i verdensrommet ikke høres på jorda Vi bruker at strekning = fart tid Vi får at lyden har tilbakelagt strekningen s = v t = 1500 m/ s 0,4 s = 600 m Dybden er derfor 600 m : 2 = 300 m a) Lyset går mye fortere enn lyden. Vi ser derfor lynet før vi hører tordenen. b) Lydfarten i luft er om lag 340 m/s. Avstanden til lynet eller tordenværet er derfor s = v t = 340 m/s 5 s = 1700 m Et godt overslag for avstanden til lynet eller tordenværet er 300 m/s 5 s = 1500 m Bølgelengden er lengden mellom bølgetoppene: λ = 8 m. Svingetida (perioden) er tida mellom bølgetoppene: T = 4 s. Frekvensen er da: f = 1 / T = 1 / (4 s) = 0,25 s 1 = 0,25 Hz. Bølgefarten er gitt ved: v = f λ = 0,25 Hz 8 m = 2 m/s a) Bølgelengden: λ = v / f = ( m/s) / ( s 1 ) = 3,3 m b) Enstrøken c (c'): λ = v / f = (344 m/s) / (264 Hz) = 1,30 m Tostrøken c (c''): λ = v / f = (344 m/s) / (528 Hz) = 0,65 m Se på side 167. Ekko er lyd som kastes tilbake fra en fjellvegg. Veggen må være rett og bratt, og avstanden til veggen må være slik at lyden bruker minst 1/10 sekund tilbake til oss Lyden går om lag 34 m i løpet av 1/10 sekund, og avstanden til fjellveggen må derfor minst være 17 meter Lydintensiteten måles som effekt per arealenhet. Effekten måles i watt, og arealet i kvadratmeter (m 2 ). Enheten for lydintensitet er derfor W/m 2. Den svakeste lyden vi kan høre, har intensiteten I 0 = W/m 2. Er intensiteten I for en lyd, er lydnivået, L, målt i desibel definert som L = 10 log (I : I 0 ) a) Lydstyrke måles i desibel (db). b) Lydstyrken er et mål for intensiteten i lyden eller hvor stort bølgeutslag (amplitude) lyden har. Intensiteten i lyden måler vi som effekt per arealenhet. c) Høreterskelen er den minste lydstyrken som et øre med normal hørsel kan registrere. Høreterskelen varierer med ulike lydfrekvenser. d) Smertegrensen er den lydstyrken som skader øret og som gir smerteopplevelser. Vanligvis blir hørselen skadet av lyder med styrke lavere enn smertegrensen.

4 a) Se forklaring på side 168. Desibelskalaen er bygd opp slik at hver gang lydstyrken øker med 10 db, tilsvarer dette en tidobling av lydintensiteten. b) Når lyden øker fra 60 db til 70 db, tilsvarer dette derfor en tidobling av lydintensiteten Du finner mye om Bells arbeider hos The Library of Congress i USA. Her kan du også se skisser av oppfinnelsene hans Svarene finner du ved å studere figuren i margen på side b) Skru ned volumet på musikkanlegg, lommespillere og bærbare CDspillere. Bruk propper i ørene når du vet at lydnivået blir høyt, og bruk hørselsvern under arbeid som gir mye støy og høy lyd a) Om lag 90 db. (En vanlig samtale er om lag 50 db.) b) 90 db er i risikoområdet, og hyppig bruk kan skade hørselen a) Øret registrer dette som en endring i tonehøyden. Lyden oppfattes på to ulike steder i sneglehuset i det indre øret, og hørselssenteret i hjernen tolker dette som toner med ulik høyde. (Enstrøken) c' har frekvensen 264 Hz, og (tostrøken) c'' har 528 Hz. b) Dette oppfattes som en kraftig økning i lydstyrke Ultralyd er lyder med frekvenser som er større enn Hz a) Bruk oppslagsverk, Internett eller se side 170. b) Vev med forskjellig tetthet i kroppen reflekterer ultralyd på ulik måte, slik at dette kan benyttes til å lage bilder av indre organer i kroppen c) Ultralyd er energirik og avgir varme. Dette gjør at kroppen lettere kan få tilført stoffer til det aktuelle kroppsvevet. Varmen lindrer også smerte ) Pytagoras d 2) Pollio Vitrivius c 3) Galileo Galilei b 4) Thomas Johann Seebeck e 5) Jean Biot a 6) Colladon g 7) August Kundt f 7.3 Det stråler overalt Når solstråler treffer kroppen vår, merker vi at vi blir varme. Når andre personer er varme, merker vi at de sender ut varmestråling De to viktigste modellene de siste 400 årene har værtpartikkelmodellen og bølgemodellen. (Se på side ) I tillegg til det som står der, kan vi nevne at partikkelmodellen for lys fikk ny aktualitet gjennom arbeidene til Max Planck og Albert Einstein om varmestråling og lys. I 1905 la Einstein fram en forklaring på fotoelektrisk effekt der han brukte en modell av lyset som en strøm av partikler. Se også oppgave

5 7.3.3 a) Alle typer EM-stråling kan forklares ved bruk av de samme modellene og likningene eller formlene. EM-stråling kan bre seg gjennom vakuum (trenger ikke å bre seg i stoff), og bølgene transporterer energi. To hovedmodeller brukes: bølgemodellen og partikkelmodellen. Partikkelmodellen er god når det gjelder kortbølget og energirik EM-stråling. b) Jo kortere bølgelengde, desto høyere energi har den elektromagnetiske strålingen Bruk eventuelt teksten side til å finne aktuelle stikkord som beskriver elektromagnetisk stråling For EM-stråling med bølgelengder som er større enn det synlige lyset, bruker vi både stråling og bølger. Stråling bruker vi alltid om EM-stråling med bølgelengder som er kortere enn det synlig lyset a) nm, 1 nm = 10 9 m. b) Alle farger, vi bruker å nevne dem slik: rødt, oransje, gult, grønt, blått, indigo, fiolett c) Blått lys a) Rød, oransje, gul, grønn, blå, indigo og fiolett. Huskeregel: ROGGBIF b) Hos løvetann reflekterer blomsten det gule lyset, mens de andre fargene i det synlige spekteret blir absorbert. Det reflekterte gule lyset registreres av øynene våre slik at vi registrerer (ser) at blomsten er gul Gammastråling har korte bølgelengder og høy energi. Radiobølger har lav energi, lange bølgelengder og lav frekvens. Det synlige lyset har bølgelengder fra 400 nm til litt over 700 nm, og UV-stråling har bølgelengder fra om lag 200 nm til 400 nm a) EM-stråling med bølgelengder som er større enn det synlige lyset. b) Alle legemer sender ut varmestråling. Denne varmestrålingen fordeler seg over et bredt spekter av ulike bølgelengder. c) Temperaturstråling, termostråling og infrarød (IR-) stråling B (Mikrobølger har kortere bølgelengde og høyere frekvens.) C (IR-stråling bruker vi gjerne om den temperaturstrålingen som har høyere bølgelengder enn synlig lys.) Studer tekst og figur på sidene Blått lys: E = (h c) / λ = (6, Js m/s) / ( m) = 4, J Rødt lys: E = (h c) / λ = (6, Js m/s) / ( m) = 2, J Strekning = fart tid s = v t dvs. t = s / v Vi får t = (149, km) / ( km/s) = 499 s = 8,3 min = ca. 8 min 20 s

6 7.4 Vår strålende hverdag 7.5 Skadelige eller ikke-skadelige stråler ) Demokritos c 2) Heron f 3) Ptolemaios g 4) Ole Rømer a 5) Christiaan Huygens d 6) Isaac Newton b 7) Heinrich Hertz e Se på side Laser er lys med én bestemt bølgelengde, og strålene har samme retning og ingen spredning. Bølgelengden er avhengig av kilden for laserlyset Se på side Se på side En mobiltelefon er en sender og mottaker av EM-stråling, og dette kan ha innvirkning på hvordan instrumentene virker i et fly a) Group Spécial Mobile b) Identiteten til en mobiltelefon registreres ved hjelp av SIM-kode: Subscriber Identity Module Se figur og tekst på side Se siste avsnitt på side a) Røntgenstråling er EM-stråling med svært høy frekvens. b) Se på side 178. c) Røntgenstrålingen har svært kort bølgelengde og kan derfor trenge inn i kroppen vår. Den går ikke like lett gjennom vev med stor tetthet, og bein stopper strålingen. Vi kan derfor få bilder av indre strukturer i kroppen. d) Røntgenstråling er energirik kortbølget stråling, og strålingen kan derfor skade cellene og kjemiske stoffer i kroppen vår a) Ultrafiolett stråling (UV-stråling) er elektromagnetisk stråling med bølgelengde nm. b) UV-A, UV-B og UV-C er stråling med ulik energi og dermed ulik evne til å trenge inn i huden. UV-A: bølgelengde nm, mest energirik UV-B: bølgelengde nm UV-C: bølgelengde nm, minst energirik c) UV-strålingen med de korteste bølgelengdene (UV-C) blir absorbert i atmosfæren av ozonlaget og når ikke ned til jordoverflaten a) UV-A og UV-B bruner huden, UV-B kan gjøre oss solbrent, mens UV-A endrer elastisiteten til fibrer i huden slik at huden eldes raskere. b) Vi bør begrense solbadingen og smøre huden med solkrem som gir god beskyttelse.

7 7.6 Radioaktiv stråling a) og b) Studer figuren i margen på side a),b) og c) Studer tekst og figurer på sidene Den energirike UV-strålingen er med og driver dannelsen og spaltingen av ozon i stratosfæren. Dette gjør at en stor del av den mest energirike UV-strålingen blir absorbert og ikke når ned til jordoverflaten. Det er mange reaksjoner i atmosfæren i denne prosessen. I boka har vi vist et par av disse reaksjonene «Hull» i ozonlaget er egentlig ikke hull, men en betegnelse som vi bruker på områder der ozonlaget er redusert KFK-gasser (klorfluorkarboner). Frigjorte kloratomer fører til at ozonmolekyler blir spaltet. NO kan også spalte ozon Se reaksjonslikninger på side a) NO reagerer med ozon slik at ozonmolekylene blir spaltet. NO 2 kan reagere med oksygenatomer og danne NO. Ringen er nå sluttet fordi NO på nytt kan spalte ozon. b) NO (gulbrun) og NO 2 (fargeløs) kommer ofte fra forbrenning av avfallsstoffer som inneholder nitrogen, fra kunstgjødselindustri og bileksos Se på side 181 om KFK og NO som spalter ozon. Stoffer som kan spalte av OH, NO, Cl, Br ofl., kan bryte ned ozon. Kaller vi slike atomer eller atomgrupper for X, kan vi skrive disse reaksjonene slik: X + O 3 XO + O Her må jo ordene bli dine egne, men du bør vel få med at det er tre typer stråling: α-partikler, som er heliumkjerner og derfor store og tunge med kort rekkevidde, β-partikler, som er energirike elektroner og derfor har lengre rekkevidde enn α-strålingen, og γ-stråling, som er svært energirik EM-stråling Fra latin: radius = stråle og aktivus = virksom α-stråling er heliumkjerner, og de er bygd opp av to protoner og to nøytroner. Ved α-stråling får kjernen derfor to færre protoner og to færre nøytroner. Ved β-stråling omdannes et nøytron til et proton, og det sendes ut elektroner med stor fart fra kjernen, n p + + β (elektron). Protontallet øker med én, nukleontallet er det samme som før. Ved γ-stråling blir kjernens energi mindre, og dermed blir kjernen mer stabil a) Se reaksjonslikning på side 182: Uran-238 Thorium α-partikkel b) Se reaksjonslikning på side 182: Thorium-234 Protactinium β (elektron) a) 1 kg kjøtt inneholder radioaktivt stoff som har 400 omdanninger per sekund. b) Du finner mye stoff om radioaktiv stråling på hjemmesidene til Statens strålevern.

8 7.6.9 Studer teksten på side Studer teksten på side Studer teksten og faktasetningen på side For hver 24. dag som går, blir mengden av thorium halvert. Vekstfaktoren er 0,5 per 24 dager. Etter 24 dager er det derfor 10 g 0,5 = 5 g igjen. Etter 48 dager er det 5 g 0,5 = 2,5 g igjen. Etter 72 dager er det 2,5 g 0,5 = 1,25 g igjen. Etter 96 dager er det 1,25 g 0,5 = 0,63 g igjen a) α-partikler er heliumkjerner ( 4 2He) som består av to protoner og to nøytroner, til sammen fire nukleoner. Nukleontallet minker derfor med fire, og protontallet minker med to når et grunnstoff spaltes ved å sende ut alfastråling (α-stråling). b) Ja c) Po 82Pb + α-partikkel ( 4 2He) d) β-stråling er elektroner med stor fart som kommer fra kjernen der et nøytron omdannes til et proton. Protontallet øker derfor med én, mens nukleontallet forblir det samme. n p + + β (elektron) e) Ja Pb 83Bi + β (elektron) Bi 84Po + β (elektron) a) Radium-226 har 88 protoner og 138 nøytroner, til sammen 226 nukleoner. b) Radium-226 utstråler α-partikler og omdannes til radon Ra 86Rn + α-partikkel ( 4 2He) c) Radonisotopen har 86 protoner og 136 nøytroner, til sammen 222 nukleoner a) Vi lar t være tida i minutter og får f(t) = 0,0010t 2 0,186t + 9,78 b) g(t) = 10 0,977 t c) Halveringstida er 30 minutter Om lag år. ( år) Se på side Bruk for eksempel Caplex på Internett. Søk på ordene fisjon og fusjon.