Lys
Vi bruger lys til at se!
synligt lys er den del af det elektromagnetiske spektrum, som vores øjne kan se:
det er kun en lille del af det fulde spektrum, er det ikke?
synligt spektrum
synligt lys: de bølgelængder, der er synlige for de fleste menneskelige øjne.
hovedfarverne, i rækkefølge, gå “Roy G Bv”: rød Orange gul grøn blå Violet
Som vi ser på denne smukke regnbue:
lys har bølgelængder på omkring 380 nm til 750 nm
nm betyder nanometer, en milliarddel af en meter.
eksempel: rødt lys har en bølgelængde på omkring 700 milliarddele af en meter. Lille!
definitioner varierer, men her er en grov vejledning:
| Color | Wavelength Range (nm) |
|---|---|
| Red | 620–750 |
| Orange | 590–620 |
| Yellow | 570–590 |
| Green | 495–570 |
| Blue | 450–495 |
| Violet | 380–450 |
The frequency of red light is about 400 THz (and for violet is about 800 THz)
THz means teraHertz, a trillion cycles per sekund
så rødt lys vibrerer med omkring 400 millioner millioner cyklusser pr. Hurtigt!
højere frekvens (med kortere bølgelængde) har mere energi:
- rødt lys har lavere frekvens, længere bølgelængde og mindre energi
- blåt lys har højere frekvens, kortere bølgelængde og mere energi
lysets hastighed
lys bevæger sig ved næsten 300.000.000 meter i sekundet (for at være præcis: 299.792.458 meter i sekundet) i et vakuum.
det er 300 millioner meter hvert sekund, eller:
- 3 liter 108 m/s
- 300.000 km/s
- 186.000 miles per sekund
Ved den hastighed lys rejser:
| afstand | tid | |
|---|---|---|
| 1 meter | i | 3.3 ns (3.3 milliardedele af et sekund) |
| omkring jordens ækvator | i | 134 ms (134 tusindedele) |
| fra jord til måne | i | 1.3 s |
| overflade af sol til jord | i | om 8 minutter |
det er så hurtigt, men tager stadig cirka 8 minutter fra overfladen af Solen til Jorden. olen til jorden.
symbolet for denne hastighed er c:
c = 300.000.000 m/s
lys kan rejse langsommere
Vi burde virkelig ikke kalde det lysets hastighed, for det første fordi det gælder for hele det elektromagnetiske spektrum og tyngdekraftsbølger og meget mere! (Måske kunne vi kalde det “maksimal hastighed”!)
men også fordi lys kun bevæger den hastighed i et vakuum! Det kan rejse langsommere …
| medium | hastighed million m/s |
|---|---|
| vakuum | 299.8 |
| luft | 299.7 |
| Ice | 228 |
| 225 | |
| Ethanol | 220 |
| glas | 205 |
| olivenolie | 204 |
| diamond | 123 |
bølgelængde og frekvens er forbundet
bølgelængden og frekvensen er relateret:
frekvens = hastighedbølgelængde
bølgelængde = hastighedfrekvens
forudsat at lyset er i et vakuum, er hastigheden lysets hastighed:3,108 m/s
lad os prøve et simpelt eksempel (i dette tilfælde ikke en bølgelængde af lys):
Forestil dig en meget lang bølgelængde på 75.000 km
frekvens = 300.000 km/s75, 000 km
= 4 /s
= 4 hs
Vi kan passe 4 af disse bølgelængder i 300.000 km, så det vibrerer 4 gange i 1 sekund.
så frekvensen er 4 HS (4 per sekund)
eller omvendt, hvis vi ved, at den vibrerer 4 gange i sekundet, kan vi beregne dens bølgelængde:
bølgelængde = 300.000 km/s4 /s
= 75.000 km
eksempel: blåt lys har en bølgelængde på ca.480 nm (480 liter 10-9 m)
så frekvensen er:
frekvens = 3 liter 108 m/s480 liter 10-9 m
= 6.25 1014 /s
= 6.25 1014 hs
hvilket er 625 teraherts
lys bevæger sig i lige linjer
lys bevæger sig i en lige linje, indtil den rammer noget, eller dens sti ændres af forskellige tætheder eller af tyngdekraften.
lys fra solen strømmer over vejen.skyggerne viser også, at lyset bevæger sig i lige linjer.
dette lys spredes lidt ud og spredes af atmosfæren.
laserstråler gør lige linjer.
bølge
lys opfører sig som en bølge, så det kan:
- reflect (bounce off),
- scatter (bounce off i alle retninger),
- refract (skift hastighed og retning)
- diffract (spredt ud forbi en åbning)
- transmit (pass straight through)
- eller få absorberet
fotoner
lys opfører sig også som pakker af energi kaldet fotoner.
- Vi kan måle en fotons position og momentum.
- fotoner har ingen masse, men hver foton har en mængde energi baseret på dens frekvens (antal vibrationer pr.sekund)
- hver foton har en bølgelængde
så det er som en partikel og også som en bølge. Dette kaldes “bølge-partikel dualitet”.
Einstein skrev:
“det ser ud som om vi nogle gange skal bruge den ene teori og nogle gange den anden, mens vi til tider kan bruge enten.”
intensitet
intensitet er strøm pr.område, normalt i vand pr. kvadratmeter:
intensitet = m/m2
eksempel: sol på et lille 100 kvadratmeter hus
omkring 150 til 300 vand af energi modtages fra solen pr.
lad os vælge det mindre antal:
intensitet = 150 m/m2
hvor meget strøm er det over hele taget?
effekt = 150 vægt/m2 liter 100 m2
effekt = 15.000 vægt
så et lille hus får omkring 15 kilovat på sit tag,hvilket er flere gange mere end en husstand bruger.
men det er kun mens solen skinner, og kun omkring 20% kan fanges af typiske solpaneler
men det er stadig masser af energi fra solen.
invers firkant
|
invers firkant: når en værdi falder som kvadratet af den anden værdi. |
eksempel: lys og afstand
jo længere væk Vi er fra et lys, jo mindre lyst er det.
lysstyrken falder som kvadratet af afstanden. Fordi lyset spreder sig i alle retninger:
- energien dobbelt så langt væk er spredt over 4 gange området
- energien 3 gange så langt væk er spredt over 9 gange området
- etc
polarisering
lys er normalt fri til at vibrere i enhver retning vinkelret på dens sti.
men polariseret lys vibrerer kun i et plan:
lys bliver delvist polariseret, når det
springer af overflader som vand eller glas.
polariserende linser kan blokere lys fra dette plan for at skære ned på reflekteret lys og gøre det lettere at se i vand:
uden og med en polariserende linse
fiberoptik
lys og infrarød kan sendes langs fiberoptiske kabler, der bærer information kodet ind i bølgelængden.
fiberoptiske kabler
lyset forbliver inde på grund af en særlig egenskab ved brydning: når brydningsindeks er lavere på ydersiden, og den vinkel er ikke alt for stejl, lysstrålen har total indre refleksion på indersiden:
Lys, der reflekteres fra vægge inde i kablet
Fiberoptiske kabler er langt bedre end el-ledninger:
- Ledninger få mere “støj” (andre signaler, der fordrejer eller blande sig med den oprindelige) fra højspændingsledninger, FJERNSYN, radio, lynnedslag etc.
- fotoner har ingen masse, så kan skifte mellem 0 og 1 hurtigt. Elektroner har masse og er langsomme i sammenligning
- glas har meget mindre modstand mod lys end kobber gør mod elektriske signaler, så kan gå meget længere uden at have brug for et løft