14 Lys Refleksjon. Absorpsjon. Transmisjon Brytning

Transkript

1 Lys 14.1 Refleksjon. bsorpsjon. Transmisjon Gi eksempler på stoffer som reflekterer mye, reflekterer lite, absorberer mye, absorberer lite På figuren er to speil plassert vinkelrett på hverandre. En lysstråle blir reflektert fra begge speilene slik figuren viser. Speil Du står mellom to parallelle plane speil som vender speilflatene mot hverandre. Kan du da se ditt eget bakhode? En lysstråle faller vinkelrett på et plant speil. a) Hvor stor vinkel danner den reflekterte strålen med den inn fallende strålen? Så dreier vi speilet slik at innfallsvinkelen blir 24. b) Hva er nå vinkelen mellom den reflekterte og den innfallende strålen? D Speil Forklar at den reflekterte strålen D alltid er parallell med innfallsstrålen, uansett hva innfallsvinkelen er a) Ta utgangspunkt i figuren nedenfor og finn ut hvor høyt speilet minst må være for at jenta skal kunne se seg selv fra topp til tå. Hun er 1,64 m høy En lysstråle faller inn mot et gjennomsiktig stoff. Hvordan går det med andelen av lys som blir reflektert, når innfallsvinkelen varier er? To plane, vertikale speil, S 1 og S 2, står parallelt 1,5 m fra hverandre. Så tar vi speilet S 2 i øverste kant og dreier det 10,0 slik at det heller vekk fra speilet S 1, se figur. S 1 S 2 b) Har avstanden til speilet noen betyd ning? 10, rytning P 1,5 m En horisontal lysstråle blir sendt gjennom et lite hull P i den nederste kanten av speilet S 1. Strålen blir reflektert av S og sendt tilbake mot S. 2 1 a) Hvilken vinkel danner lysstrålen med de to speilene? b) Hvor høyt over P treffer lysstrålen S 1? a) eskriv et forsøk som gjør at vi kan undersøke sammenhengen mellom inn fallsvinkelen og brytningsvinkelen for en stråle som går fra luft og inn i glass. Hva finner vi? b) Skriv Snells lov på generell form. ruk en figur til å forklare hva bokstavene står for.

2 Lys Hvordan vil du gjøre forsøk som bekrefter omvendingsloven for lys? Figuren nedenfor viser en lysstråle som går fra luft og inn i en væske En stråle av ensfarget lys går fra vakuum og inn i glass. Vi måler sammenhørende verdier av vinkelen a 0 i vakuum og vinkelen a g i glass: 30 a 0 30,00 45,00 60,00 45 a g 19,47 28,12 35,26 Vis hvilken lovmessighet vi kan finne ved slike målinger, og skriv loven I oldtida arbeidet Ptolemaios med lysbryt ning. Tabellen nedenfor viser de måle resul tatene han fikk da han studerte brytningen av lys fra luft til vann. Disse resultatene er de eldste som er bevart fra målinger innenfor fysikken. Finn brytningsindeksen til væsken En lysstråle L treffer en plan grenseflate mellom to gjennomsiktige medier der brytningsindeksen n 2 > n 1, se figuren. L g f a luft a vann e 10,0 7,8 20,0 15,5 30,0 22,5 n 1 n 2 d 40,0 29,0 50,0 35,0 a b c 60,0 40,5 70,0 45,5 80,0 50,0 Undersøk om de resultatene Ptolemaios fikk, er i samsvar med Snells lov. Hvilken brytningsindeks gir de i så fall for vann? Lyset fortsetter i to av de markerte retningene a g. Hvilke? På figuren er L en lysstråle som går fra luft til plast. L Plast Gjør nødvendige målinger på figuren og finn brytningsindeksen til plasten.

3 En lysstråle faller inn mot grenseflaten mellom glass med brytningsindeks 1,50 og luft. En del av strålen blir reflektert tilbake inn i glasset, og en del går ut i luft, se figuren På figuren går lysstråler fra luft til glass og omvendt. Vi prøver å finne ut om det er feil på tegningen. Hvis vi går ut fra at stråle 1 er riktig, hva da med stråle 2? Fortsett med stråle 2 3, 4 5, 5 6 osv ,0 α 1 5 Glass Finn vinklene a og b. β En lysstråle går fra luft inn i en gjennomsiktig væske. Innfallsvinkelen er a 1, og brytnings vinkelen i væsken er a 2. Den brutte strålen blir reflektert av et plant speil slik at lysstrålen følger samme vei tilbake, se figuren nedenfor. α Det ligger en mynt på bunnen av en kopp. Slik øyet er plassert på figuren, kan vi ikke se mynten når koppen er tom. Vi fyller vann i koppen til høyden H. Da kan øyet så vidt se mynten. Hva er vannets brytningsindeks? 3,0 cm 4,0 cm 8,0 cm H α 2 6,0 cm Hva er vinkelen mellom speilet og væske overflaten? 1) 0 2) a 1 3) a 1 + a 2 4) a 2 5) a 1 a 2 Hva er rett? En planparallell glassplate med brytnings indeks 1,54 er omgitt av ett eller to av følgende stoffer: luft, vann, karbon disulfid. rytningsindeksen er 1,00 for luft, 1,33 for vann og 1,63 for karbon disulfid. Finn ut hva som er over og under glass plata i de to tilfellene nedenfor Du ser på to mynter som ligger like langt fra øyet. Den ene mynten ligger nede i 40 cm dypt vann, den andre ligger under en 40 cm tykk glassplate. Hvorfor ser det ut som om den ene mynten er nærmere enn den andre? a) 50,0 b) 50,0 54,2 29,8 50,0 35,1

4 Lys To glassprismer av samme slags glass er senket ned i to ulike væsker og slik figurene viser Et glassprisme, se figuren nedenfor, har et tverrsnitt som er en likebeint trekant. Stråle gangen er symmetrisk. Væske Væske estem ut fra figurene hvilken av de to væskene som har størst brytningsindeks. Husk å begrunne svaret ditt En lysstråle treffer en planparallell glass plate slik figuren nedenfor viser. Glass plata, som henger i luft, har brytningsindeksen 1,60. eregn brytningsindeksen til glasset Et speil står på skrå nede i en beholder med vann. Speilflaten danner en vinkel på 9,0 med horisontalplanet. En lysstråle kommer fra luft og faller loddrett ned mot vannflaten. Hvilken retning har den strålen som kommer ut av vannflaten? Figuren viser en lysstråle som passerer en grenseflate mellom en væske og luft. Gjør nødvendige beregninger og tegn strålegangen til strålen har passert glassplata. Væske I et basseng er vanndybden H = 1,80 m. 30 Gjør målinger på figuren og beregn brytnings vinke len for den andre strålen. Tegn figuren og den videre stråle gangen for stråle. h H Hvor dypt, h, ser vannet i bassenget ut til å være når strålegangen er slik figuren viser?

5 To laserstråler blir rettet mot en glassplate slik figuren viser. Glasset har brytnings indeksen 1,50. 50,0 mm På figuren er vist tre lysstråler, og som faller inn mot en halvsirkelformet plast sylinder. D, E og F er strålene etter at de har passert plastsylinderen. 50,0 mm 45, D Hvor langt bak glassplata møtes de to lysstrålene etter at de har passert glassplata? 14.3 Totalrefleksjon a) Hva mener vi med totalrefleksjon? b) Hvilken vei må lyset gå ved en totalreflek sjon? Hva er grensevinkelen for total reflek sjon mellom luft og vann? En lysstråle går gjennom tre forskjellige gjennomsiktige stoffer med brytnings indekser n 1, n 2 og n 3 slik figuren viser. 38,3 a) Hvordan hører D, E og F sammen med, og? b) eregn brytningsindeksen til plasten. c) Tegn inn stråler som mangler på figuren Hva er den minste verdien brytnings indeksen for glasset i prismet på figuren nedenfor kan ha for at lysstrålen skal bli totalreflektert? Prismet er omgitt av luft. 45 F E n 1 45 n 2 n 3 Hvilken av følgende påstander er rett? 1) n 1 > n 3 > n 2 2) n 1 = n 2 > n 3 3) n 1 > n 2 > n 3 4) n 1 > n 2 = n 3 5) n 1 < n 2 < n a) Forklar hvordan vi definerer brytnings indeksen til et stoff. Rødt lys blir sendt mot overgangen mellom stoffene flintglass og vann. b) Hvordan må lysgangen være for at vi skal få totalrefleksjon i dette tilfellet? c) Finn grensevinkelen for en slik total refleksjon.

6 Lys En lysstråle kommer normalt inn mot siden i et glassprisme med brytnings indeks 1, Figuren nedenfor viser et fibermateriale som har brytningsindeksen 1,30. Lysfiberen er sylinderformet, og lyset treffer det sirkulære tverrsnittet. α Fiber α a) Finn den verdien vinkelen α kan ha for at strålen akkurat skal bli totalreflektert når den kommer til siden. Prismet er omgitt av luft. Er dette den største eller den minste vinkelen vi må ha for å få totalrefleksjon? b) Samme spørsmål som i oppgave a, men nå er prismet nedsenket i vann. Hva er den største verdien α kan ha for at lys strålen skal fortsette inne i lysfiberen ved hjelp av gjentatte totalrefleksjoner? Figuren nedenfor viser snittet av et terningformet glasslegeme i luft. Terningsidene er 60,0 mm. Glasset har brytningsindeksen 1,50. En lysstråle faller inn mot en sideflate slik figuren viser En fisk som ser rett oppover mot overflaten, mottar lysstråler innenfor en kjegle, og den ser en lyssirkel fylt med bilder av himmelen, skip og hva som ellers måtte være der oppe. Det sirkelformede lysfeltet er omgitt av mørke ,0 mm 30,0 mm Gjør beregninger og tegn strålegangen til noe av lysstrålen er kommet ut i luft igjen Et trekantet glassprisme med vinklene 45, 45 og 90 står i luft. Glasset har brytnings indeksen 1,50. En lysstråle faller inn mot prismet slik figuren viser. a) Forklar dette og finn vinkelen mellom kjegleflaten og en vertikallinje. b) Fisken er 0,50 m under overflaten. Finn radien i kjegleflaten Glass 45 Når lysstrålen går ut av glassprismet, har den fått en annen retning. eregn vinkelen mellom den innfallende og den utgående lysstrålen.

7 Lysstrålene (1), (2) og (3) faller vinkelrett inn mot et halvsirkelformet glassprisme slik figuren viser. eregn den videre gangen for lysstrålene. (3) 1 cm 14.4 Lysbrytning og farger Lys går inn eller ut av et stoff. Er det noen sammenheng mellom fargen til lyset og brytningsindeksen til stoffet? Forklar. (2) (1) 1 cm 1 cm 1 cm α α 1 =? g Rødt lys med bølgelengde 656 nm har brytningsindeks i vann på 1,331. lått lys med bølgelengden 485 nm har brytningsindeksen 1,337. estem for hver farge grensevinkelen for totalrefleksjon. n = 1, Et trekantet glassprisme er dekket av etanol på den ene siden og er ellers omgitt av luft. En lysstråle faller vinkelrett inn mot en av sidene i prismet og treffer grenseflaten mot etanol ved punktet P, se figuren. d 63,2 Etanol n = 1,36 Glass P Undersøk om det går an å finne en verdi for glassets brytningsindeks som gjør at ikke noe lys trenger inn i etanolen ved P, og slik at strålen går ut av prismet parallelt med grense flaten mot etanol. estem i så fall denne verdien. En lysstråle treffer et likesidet krystallprisme midt på den ene siden med en innfallsvinkel på 55. lle sidene i prismet er 20 cm. Tegn den videre lysgangen i prismet og videre ut av prismet til en vertikal skjerm 20 cm fra prismets høyre hjørne, først for en lysstråle med rødt lys, n = 1,60, så for fiolett lys, n = 1,63. eregn alle nødvendige vinkler og lengder for å finne avstanden d mellom de to treffpunktene på skjermen. landede oppgaver En lysstråle treffer en glassplate med innfallsvinkel 60. Glassplata er 5,0 mm tykk og ligger på et speil. Glasset har brytningsindeksen 1,54. Regn ut avstanden på figuren. 60 Glass Speil a) En stråle av ensfarget lys går fra ett medium til et annet. Skriv de lovene som gjelder for brytningen. b) Det ene mediet har brytningsindeksen n 1, og det andre har brytningsindeksen n 2. For klar forutsetningene for at det kan bli totalrefleksjon, og vis hvordan vi kan bestemme grensevinkelen. c) For en stråle av grønt lys er forholdet mellom brytnings indeksene til de to mediene 0,680. estem grensevinkelen for total refleksjon.

8 Lys d) Vi sender en stråle med rødt lys fra det ene mediet mot det andre mediet med innfalls vinkelen lik den vinkelen vi fant i c. Forklar hva som vil skje med denne lysstrålen a) Figuren viser en lysstråle som går fra ett medium til et annet. n a) Skriv lovene som gjelder for lys brytning på grensen mellom to stoffer. Utled deret ter vilkåret for at en lysstråle skal bli total reflektert. Figuren viser et snitt D gjennom en rek tangelformet glassplate. Snittet er parallelt med plateoverflaten. Sidekantene i snittet er 30 mm og 90 mm. Plata har en utskjæring med halvsirkelformet snitt. Radien i halvsir kelen er 10 mm, og sentrum, S, ligger midt på. rytningsindeksen for glasset er 1,50. v 1 = 50 n 2 v 2 = 70 S estem forholdet mellom brytnings indeksene n 1 og n 2. b) Et plant speil har et reflekterende belegg som speilflate på den ene siden. Speilet er 0,50 cm tykt, og glassets brytnings indeks er 1,50. En lysstråle faller inn på speilet i. Strålen danner 35 med speilet. Lysstrålen forlater speilet i et punkt. D P b) Finn grensevinkelen for totalrefleksjon i glassplata. En lysstråle går ut fra punktet S og inn i glassplata i planet D. Den danner en vinkel på 45 med SP, som står vinkelrett på D. c) Vis at lysstrålen vender tilbake til S. 35 Glass Reflekterende belegg estem beliggenheten av punktet. Tegn strålegangen. c) Figuren nedenfor viser et speil som er neddykket i en væske. Speilflaten danner vinkelen 20 med væskeoverflaten En sylinder av glass har et hulrom formet som et regulært trekantet prisme som det bare er luft i. To lysstråler (1) og (2) av ensfarget gult lys blir sendt gjennom glasset. Strålene ligger i et plan som står normalt på sidekantene i prismet, og treffer prismet i side flaten. Innfallsvinkelen er 0 for (1) og 55 for (2). rytnings indeksen for det gule lyset er 1,81. (1) S Væske 20 Speil (2) Glass En lysstråle faller normalt inn på væsken, blir så reflektert fra speilet og forlater væsken med vinkelen 65 i forhold til normalen på væske overflaten. Vi dreier speilet slik at vinkelen mellom speilet og væskeover flaten blir endret. Hvor stor må denne vinkelen minst være hvis den reflekterte strålen skal bli total reflektert ved væskeoverflaten? a) Vis på figur og ved beregning hvordan strålene fortsetter. Stråler som treffer sylinderflaten S, skal du ikke forfølge videre. b) Hva vil skje med strålene (1) og (2) hvis de inneholder hvitt lys fra for eksempel en gløde lampe?

9 a) Skriv opp Snells brytningslov. Gjør kort greie for et forsøk som bekrefter denne loven. b) Hvilke betingelser må være oppfylt for at lys skal bli totalreflektert i grense flaten mellom to stoffer? c) estem grensevinkelen for total refleksjon for overgangen glass luft når brytnings indeksen for glasset er 1,50. d) Figuren viser en rektangulær glassplate av samme glass som i c. I den er det et hull som har form som et likebeint, rettvinklet prisme. Det er luft i hullet og rundt glass plata. Vi lar monokromatisk lys falle inn mot glassplata slik figuren viser. Glass Vi har lagt et regulært glassprisme på bunnen av et kar som er delvis fylt med vann. Vannet står godt over prismet. Vi sender så en laserstråle ned gjennom vannet og inn i glassprismet. Innfalls vinkelen ved overgangen vann glass blir 34,8. Pleksiglasset i prismet har brytningsindeksen 1,49. a) Tegn en skjematisk figur av den situasjonen som er omtalt ovenfor. b) Hva blir brytningsvinkelen i glasset? I et annet forsøk har vi fortsatt pleksiglassprismet nede i et kar med vann slik som ovenfor. Vi gjør forsøk med å sende laserstrålen gjennom vannet og prismet slik at vi kan observere totalrefleksjon. c) estem grensevinkelen for totalreflek sjonen i dette tilfellet. d) Gi en kort omtale av et par eksempler på teknologisk bruk av totalrefleksjon. En gruppe studenter fikk som oppgave å tegne den videre strålegangen. Figurene 1 5 nedenfor viser noen av svarene a) Gjør rede for hva totalrefleksjon av lys er. Hvilke betingelser må være oppfylt for å få totalrefleksjon? Figuren viser tverrsnittet av et prisme. Glasset i prismet har brytningsindeksen 1,49. Vinkel er 60, E = 4,0 cm og E = 2,0 cm D 4 5 Gi kommentarer til hvert av forslagene. påpek eventuelle feil. 60 E En lysstråle kommer inn vinkelrett midt på siden. b) Forklar at lysstrålen blir totalreflektert når den treffer siden. c) Regn ut hvor lystrålen kommer ut av glassprismet. Tegn figur. Hvilken vinkel danner da lysstrålen med glasset? d) Vi lar lysstrålen fortsatt treffe midt på siden. Etter at strålen har passert, treffer den siden. Hvor stor må innfallsvinkelen mot siden være for at vi ikke skal få totalrefleksjon ved siden? Tegn figur.

10 Lys Figuren til høyre viser et snitt gjennom sent rum av en massiv glasskule der vi har skåret vekk en skalk (et segment) slik at vi får en plan, horisontal flate. Glasset i kula har bryt ningsindeksen 1,60. Radien i kula er 8,0 cm, og avstanden er 12,0 cm. lle lysstrålene som blir drøftet i oppgaven, er i dette snittplanet. En lysstråle (1) går normalt inn mot den plane flaten, 4,0 cm fra. a) eregn strålegangen videre. b) I hvilke avstander fra måtte strålen treffe normalt på for at den skulle bli totalreflektert? Tegn en figur som viser retningene til en slik stråle. Vi antar nå at brytningsindeksen for glass legemet er ukjent. Vi plasserer legemet med flaten oppå et plant, horisontalt speil. En stråle (2) sendes loddrett ned mot kuleflaten. Den treffer kuleflaten i et punkt loddrett ovenfor punktet. Se figuren nedenfor. På egen hånd Med lommelykt. Legg en påslått «flat» lommelykt nedi en glassbeholder med vann (for eksempel et akvarium) slik figuren i margen viser. Vannet bør stå cm over lykta. (Lommelykta tåler å fylles med vann, men husk å ta den helt fra hverandre etter forsøket og la den tørke natten over før du setter den sammen igjen.) Strø fin sagflis eller sikt hvetemel på vannflaten. Hva ser du på vannflaten? (Prøv å gjette hva du vil få se, før du gjennomfører forsøket.) Hvordan stemmer det du ser, med lovene for totallrefleksjon? Forklar. (2) R = 8,0 cm (1) c) Hva måtte brytningsindeksen for glasset ha vært dersom strålen (2) skulle bli reflektert mot sentrum av kula fra speilet ved? Med stearinlys. Sett et tent stearinlys på et bord ca. 30 cm fra bordkanten. Sett så et glass med loddrette vegger fylt med vann på en stabel med bøker på bordkanten, slik at vannflaten er høyere enn lysflammen. Se opp gjennom vannet mot vannoverflaten og juster synsvinkelen (eller flytt på lyset) til du kan se et bilde av lysflammen. Prøv om du kan lage et likedan bilde med et speil som du holder horisontalt.

11 Finn fram to like syltetøyglass som er tomme. Fyll det ene med vann og sett lokk på begge syltetøyglassene. Plasser dem oppå hver sitt kronestykke. Forklar hvorfor den ene mynten «forsvinner» Når du ser ned i vann, har du sikker erfart at du ofte blir lurt på dybden. Øynene vurderer avstanden til en gjenstand på grunnlag av vinkelen mellom lysstrålene som når hvert av øyene våre. Øynene blir lurt til å tro at en gjenstand under vann ligger mye nærmere enn den egentlig gjør. De kan ikke registrere at lysstrålene fra gjenstanden som treffer hornhinna, har endret retning underveis. ruk to like bøtter og legg en stor mynt i bunnen av hver av de to like bøttene. Fyll den ene bøtta med vann og plasser bøttene ved siden av hverandre. Når du ser ned i hver av bøttene, virker avstanden ned til mynten forskjellig i de to bøt tene. Hev eller senk bøttene i forhold til hverandre ved å plassere bøker e.l. under den ene av dem helt til det ser ut som om avstanden fra øyet ditt ned til myntene er den samme i begge bøttene. Forklar fenomenet ved hjelp av en tegning. Hvordan blir det hvis du heller ut halvparten av vannet i den bøtta som det er vann i? Må du da heve eller senke den bøtta som er uten vann, for igjen å få samme tilsynelatende avstand? Gjett først, prøv etterpå.