Transcript Refleksjon og brytning (Snells koffert)

Refleksjon og brytning (Snells koffert)
Refleksjon og brytning 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 benytte Snells kar med grademåler og legge et speil i
bunnen av karet. Videre skal vi fylle 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. Benytt 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.
Brytningsloven
I denne øvingen skal vi se at lyset forandrer retning nå lyset går fra luft til vann. Vi skal også i
denne øvingen benytte Snells kar med speilet plassert i på bunnen, denne gangen skal karet
være halvfullt med “melkevann” , i luften over melkebandingen skal vi tilføre røyk. Tenn fire
fyrstikker, blås flammen vekk, sett lokket litt på gløtt og blås røyken 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
fra vann til luft. Totalrefleksjon oppstår når vinkelen mellom vannflatenormalen og
stråleretningen blir tilstrekkelig stor.
Refleksbrikken og trippelspeil
Vi kjenner til at refleksbrikken reflekterer lyset tilbake, lyset fra bilen treffer brikken og den
reflektere lyset 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 benytte 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 øyet ditt.
Glass stav og laserlys
I denne øvingen skal elevene (dere) se at glass også kan lede lyset, dette tilfelle lyset fra
laseren. La lysstrålen treffe den ene enden av glasstaven og se om lyset blir ledet bort til den
andre enden. Hva ser du? Hvordan forklarer du det som skjer?
Speilbilde av en knappenål og et stearinlys
Stearinlys:
Vi skal i denne øvingen se på speilbilde av et stearinlys med flamme. Monter pleksiglasset til
trelisten og plasser de to lysene i “lysestaken”. En riktig montering av trelistene fører til at de
to stearinlysene får lik avstand til pleksiglasset. Sett deg ned foran pleksiglasset og tenn det
lyset som står nærmest. Hva ser du? Kan du forklare det du ser? Er det riktig at vi tenner det
bakre lyset uten fyrstikk og at dette lyset brenner uten flamme? (se “Fysikk 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 utstyr : Laser, Snells kar med grademåler, speil (4 x 7 cm), vann (450ml), pipette,
skummet melk (1ml), fyrstikker, trippelspeil, glassrør med loop, stearinlys, pleksiglass, trelist,
lysestake med to hull, knappenål, rutepapir, speil (9x7 cm)
2
Speilloven og brytningsloven - litt teori
Lyskilder
I disse elevøvingene skal vi benytte lyskildene: stearinlys (bruker stearin og lyser når gassen
brenner), sollyset ( Solen bruker hydrogen og lyser på grunn av høy temperatur), glødelampe
(bruke elektrisk energi, elektronene varmer opp motstandstråden og den gløder) , lysrør
(bruker elektrisk energi når neongassen inne i røret lyser) og lyspenn (Lyspenn er en laser,
den bruker elektrisk energi, det er atomene inne i laseren som sender ut lyset, det er speilene
inne i laseren som lager strålen).
Speilbildet
En del av oss liker å speiler oss. Det er lyset fra ansiktet vårt som treffer speilet, dette lyset
blir sendt tilbake(reflekteres) og vi ser speilbilde av ansiktet. Legg merk til at vårt høyre øre er
blitt til venstre øre på speilbildet. Ansiktet er speilvendt. (“Fysikk på Roterommet” side 2329)
Lysbrytning
Øyelinsene endrer retningen på lyset, en egenskap som synet baserer seg på. Kikkerten,
mikroskopet, lupen og fotoapparatet baserer seg også på lysets kursendring når det går fra luft
til glass og fra glass til luft.
Linsebilde
Øyelinsen bryter lyset 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 lyse
Willebrord Snellius (1591-1626)
Han fant en lov som kunne forutsi hvilken retning lyset ville ta når lyset passerte gjennom
Optiske fibre
Se artikkelen i http://www.verdensrommet.org (Nobelprisen i fysikk 2009).
Optiske fibre benytter totalrefleksjon i praksis. En optisk fibertråd er like tynn som et
menneskehår, den leder lys fra den ene enden av tråden til den andre. Lysstrålene
totalreflekteres i overgangen fra tråden til luft og av den grunn ikke ut av tråden, lyset 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 brytes i overgangen og treffer overflaten med en vinkel
større grensevinkelen for totalrefleksjon som er ca. 38 grader (n=1,64).
3
Luft
50 grader
Glass
En optisk kabel blir ofte kalt for en “light pipe” i engelsk litteratur, en slik lyspipe kan bestå
av flere tusen individuelle fibre når store datamengder skal overføres over store avstander.
Det er ikke uvanlig at 40000 telefonsamtaler kan overføres samtidig, slik lyspiper ligger på
havbunnen over Atlanterhavet fra Amerika til Europa. Stadig blir ny teknologi utviklet også
på dette området, kablene blir tynner, bedre overflatebehandling hindrer lekkasje av lys til
omgivelsene, lyset 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, lyset 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: Physics of scientists and engineers side 975).
Figuren til høyre 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
sykehus er slike “fiberskop” benyttet, skopet kan føres gjennom tykk tarmene til tynntarmen,
inn i blodårene og inn i urinblæren. Alt lys som treffer trådens endeflate brytes og går inn i
fibertråden når tråden har en brytningsindeks større enn roten av 2 (~1,4). Brytningindeksen
for en optisk kabelkabel er normalt ~1,6.
Refleksjonsloven (speilloven)
En lysstråle i luft går rett fram uten å endre retning. Nå en lysstråle 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 lyskilder og som kan
sees er “speil”, vi ser tavla fordi lyset fra sola og lampene i klasserommet treffer tavla og tavla
reflekterer lyset til vårt øye.
4
Konstruksjon av nålens speilbilde:
Speil
Speilbidet av spissen
B
Synål
A
C
Øyet
Innfallsloddet står loddrett på speilet og deler vinkelen ABC i to like store deler. Den
reflekterte strålen (CD) ligger i planet gitt av lysstrålen (AB) og innfallsloddet. Det er den
reflekterte strålen (CD) som treffer øyet.
Brytningsloven
En lysstråle vil endre retning når den går fra luft til glass eller vann. Figuren i margen viser
at vinkelen mellom innfallsloddet og retningen på lysstrålen i glass (brytningsvinkelen) er
mindre enn innfallsvinkelen. Det var Willebrord Snell (1591-1626) som fant at forholdet
mellom katetene x og y er konstant. For glass og vann er dette forholdet henholdsvis 1,5 og
1,3.
5
x
Luft
Glass
y
Dette forholdet mellom x og y kalles for brytningsindeksen for overgangen mellom luft og
glass/vann:
n
x
1.5
y
1.0
1.5
Snells brytnings lov på matematisk form for overgangen mellom luft og glass/vann.
x
n
r
y
( )
sin ( αr )
sin αi
r
Finn vinklene αi (innfallsvinkelen) og αr (refraksjonsvinkelen eller brytningsvinkelen) på figuren
( )
n⋅ sin αr
( )
sin αi
6
Totalrefleksjon
Lysstrålen kan bli totalreflektert nå den går fra vann (glass) til luft. Vi kan finne
grensevinkelen for totalrefleksjon når brytningsvinkelen er 90 grader. Vi benytter Snells
brytningslov når strålen går fra vann (glass) til luft:
( )
n⋅ sin αi
( )
sin αr
Luft
90 grader
50 grader
Glass
Brytningsindeksen for vann er 1,3 - denne indeksen gir en grensevinkel på 50 grader. For
glass er tilsvarende vinkel 42 grader, glass har brytningsvinkel 1,5
( )
n⋅ sin αi
( )
sin αr
Gir αi 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 lyse, eller begge
deler. I gamle dager var “kasseapparatet” mest brukt, bildene ble fine, særlig når motivet
7
(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 (y). Pilspissen på objektet sender ut lys i alle retninger, to
av disse retningene er tegnet inn på figuren. Den ene strålen går parallelt med linseaksen og
brytes til brennpunktet (f). Den andre strålen treffer sentrum av linsen uten å brytes (det
forutsettes at linsen er tynn). Bilde (y1) som dannes bak linsen, der hvor de to stråler krysser
hverandre kan fanges opp på en skjerm (film eller lyssensor).
Samlelinse
y
f
y1
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 benytter en samlelinse som lupe er det vanlig å at øyet
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
Samlelinse/lupe
f1
y1
y
Et teleskop (refraktor) består av en samlelinse (objektivet) og et lupe (okular). Objektivet
samler lyset av Månen (for eksempel) i brennplanet. Vi ser et forstørret bilde av Månene
gjennom okularet (lupen).
9