LYS

Hva er lys?

Lys blir av dagens fysikere enten sett på som bølger eller som partikler. Vi skal først jobbe med lys som bølger. Deretter, i kaptittelet om atomfysikk, skal vi se på lys som partikler.

En lysstråle som går gjennom et stoff og treffer et annet stoff vil bli

Reflektert
Absorbert
Transmitert

Lysstråle

Refleksjon

Typer refleksjon

speilingsrefleksjon
diffus refleksjon

Refleksjonsloven

Den reflekterte strålen ligger i innfallsplanet
α_i=α_r

Brytning

I tillegg til at et stoff har egenskaper som massetetthet, skal vi nå se at stoff også har en egenskap som kalles for brytningsindeks. Brytningsindeksen kalles også for optisk tetthet.

Brytningsindeksen til vakuum (tomt rom) er definert til å være 1. I 2FY bruker vi at brytningsindeksen for luft også er 1, selv om den egentlig er 1,0003.

Snells lov på generell form

Når lys går fra et stoff med brytningsindeks n1 til et stoff med brytningsindeks n2, gjelder

$n_{1} \times {sin α}_{1} = n_{2} \times {sin α}_{2}$

der α₁ er innfallsvinkelen og α ₂ er brytningsvinkelen.

Det går an å se fra denne formelen at en lysstråle som går fra et stoff med lav optisk tetthet (lav brytningsindeks) til et stoff med høy optisk tetthet, så vil lysstrålen bli brutt mot innfalssloddet. Omvendt, når en lysstråle går fra et stoff med høy optisk tetthet til lav optisk tetthet, så vil lysstrålen bli brutt vekk fra innfallsloddet.

Snells lov

Ettersom brytningsindeksen for vakuum er 1, kan Snells lov på generell form skrives som følger (kalles for Snells lov) når en lysstråle går fra vakuum til et annet stoff:

$\frac{{sin α}_{1}}{{sin α}_{2}} = n_{2}$

der α₁ er innfallsvinkelen, α₂ er brytningsvinkelen og n₂ er brytningsindeksen til stoffet lysstrålet går inn i.

Ettersom vi bruker at brytningsindeksen for luft er den samme som for vakuum, kan vi benytte oss av denne loven for å regne ut brytningsindekser for stoff.

Omvendingsloven

For en stråle som blir reflektert eller brutt, gjelder det at hvis strålen blir sendt tilbake i motsatt retning, følger strålen den opprinnelige veien tilbake.

Tegn figur:

Totalrefleksjon

Totalrefleksjon kan oppstå når en lysstråle går fra et stoff med høy optisk tetthet til et stoff med lav optisk tetthet. Dette fordi lysstrålen blir brutt vekk fra innfallsloddet. Den innfallsvinkelen som har en tilhørende brytningsvinkel på 90° kalles for grensevinkelen.

Lysbrytning og farger

Lys av forskjellig farge brytes forskjellig.

Bølger

Bølge

En bølge er i likevekt når den er i ro.

Utslaget til et punkt på en bølge er avstanden til det punktet fra likevekstpunktet, på et gitt tidspunkt.

Amplituden er det største utslaget til et punkt fra likevekstpunktet.

Svingetilstanden er retningen og utslaget til et punkt ved et gitt tidspunkt.

Når to punkter på en bølge har samme svingetilstand, sier vi at de er i fase.

Svingetiden/perioden T er tiden det tar fra et punkt er i en svingetilstand til neste gang det er i samme svingetilstand.

Frekvensen f er definer som $f = \frac{1}{T}$

Bølgelengden λ er korteste avstand mellom to punkter i samme svingetilstand.

Bølgefarten c er $c = \frac{λ}{T}$ eller $c = fλ$ hvis man erstatter $\frac{1}{T}$ med f.

Bølger hvor utslaget til punktene er på tvers av bølgefarten kalles for tversbølger (transversale bølger).

Bølger hvor utslaget til punktene er langs med bølgefarten kalles for langsbølger (longitudinale bølger).

Når en svingebevegelse blir tilført energi i takt med dets frekvens kaller vi det for resonans.

Lys og bølgemodellen

Når en gjør forsøk med vannbølger, finner en at bølger brytes når de går fra dypt til grunnt vann, eller omvendt.

Målinger viser at sammenhengen er som følger:

$\frac{{sin α}_{1}}{{sin α}_{2}} = \frac{λ_{1}}{λ_{2}}$

Ved å multiplisere med $\frac{f}{f}$ på høyre siden i denne ligningen, får vi ved å bruke definisjonen for bølgefart, følgende sammenheng:

$\frac{{sin α}_{1}}{{sin α}_{2}} = \frac{λ_{1} f}{λ_{2} f} = \frac{c_{1}}{c_{2}}$

Hvis vi kombinerer dette med Snells brytningslov, får vi at forholdet mellom lysfarten i det stoffet lyset kommer fra, og lysfarten i det stoffet lyset går inn i, tilsvarer forholdet mellom brytningsindeksen til det stoffet lyset går inn i og brytningsindeksen til det stoffet lyset kommer fra:

$\frac{{sin α}_{1}}{{sin α}_{2}} = \frac{λ_{1} f}{λ_{2} f} = \frac{c_{1}}{c_{2}} = \frac{n_{2}}{n_{1}}$

Hvis vi tar for oss tilfellet hvor lys går fra vakuum/luft og inn i et annet stoff, vil brytningsindeksen til et stoff være lik forholdet mellom lysfarten i vakuum/luft og lysfarten i stoffet (fordi n₁ da er 1, nevneren i formelen over er 1):

$\frac{c_{1}}{c_{2}} = n_{2}$

Forsøk viser at dette stemmer!

I følge tilhengerne av partikkelmodellen for lys (blant annet Isaac Newton), skulle det være omvendt. Lys skulle gå sakte i stoff med lav optisk tetthet/brytningsindeks (f.eks. vakuum) og fort i stoff med høyere optisk tetthet (f.eks. vann/glass).

På den tiden hvor Newton levde, klarte de ikke å måle hastigheten til lys. Men, senere har man klart å gjøre dette, og det har vist at lyshastigheten går saktere i stoff med høy optisk tetthet.