Tre demonstrationer...
1. ”Skiftnyckel”-gem
2. Magneter i kopparrör
3. Gausskanon
• Bilda grupper 3-5 pers, välj en demontration,
diskutera er fram till en så kort och enkel
förklarting som möjligt (högst en minut!)
EN FYSIKALISK MINIATYR
MED FETT-FRI MJÖLK
Mats Braskén
[email protected]
www.skoresurs.fi
Experimentuppställning
fettfri m jölk
vit skärm
Gla s eller plastkä rl
fyllt m ed vatten
ljuskälla
polarisationsfilter
(t.ex. solglasögon)
Varför ser man ljusstrålen?
För att ljusstrålen skall
synas från sidan, måste en
del av ljuset spridas.
Situationen kan jämföras med
vattenvågor som träffar ett
flöte.
spridda
vågor
inkommande
vågor
flöte
Ljusspridning
ljus in
spritt
ljus
Flötet gungar upp och ner
och åstadkommer vågor
Vad är ljusspridning?
En elektromagnetisk våg växelverkar med en atom, som om den
vore en elektrisk dipol.
atom
+
dipol
modell
+
_
+
-
ljus = elektromagnetisk våg
Ljusets varierande elfält får
den negativa laddningen i
dipolen att svänga.
Elfält E
Ma gnetfält B
En svängande dipol ger
upphov till nya em-vågor.
På detta sätt sprids den
inkommande ljusvågen.
dipolen
åstadkommer
em-vågor
Elfält E
_
+
a tom
Ljusspridning från en dipol
Den totala utstrålade effekten
från en dipol är*
2 e2
2
P
z (t )
3
3 4 0 c
där laddningens acceleration fås av
eEz sin(t )
2
z 0 z
m
Resultat:
P
1
4
(Rayleigh 1871)
Det spridda ljuset är
helt polariserat när q 90o
*Härledningen antar att ljusets våglängd är
mycket större än dipolens storlek och att << 0
z
kraften p å
la ddningen e
Fz= eEz(t)
dipolens fria
svängningsfrekvensen 0
_
E
+
dipol
spritt ljus
opolariserat
ljus in
_
q
+
helt polariserat
o
vid q= 90
Rayleighspridning
Ljusspridning från atomer, molekyler och
större partiklar (bara de är avsevärt mindre
än våglängden), kallas Rayleighspridning.
Att den spridda effekten varierar med
våglängden som 1/4 , innebär att
4
Pblå röd 650 nm
4,4
Pröd blå 450 nm
4
dvs. de blå våglängderna sprids
4,4 gånger mer än de röda.
Varför är mjölken inte violett?
violett 400 430 nm
ÖGATS KÄNSLIGHET
Varför är vatten
genomskinligt?
ordna de atomer (kristall, vätska)
ljus in
konstrukiv
interferens
enda st ra kt
framå t
Varför är inte vatten blått, eftersom
vattenmolekylerna Rayleighsprider?
Svaret är att vattenmolekylernas
rörelse är ordnad; det finns alltid en
vattenmolekyl en halv våglängd bort
som gör att vi får destruktiv interferens*.
Mjölkmolekylerna däremot är utspridda
och deras rörelse oordnad, varför det inte
alltid uppstår destruktiv interferens.
*Alla rena vätskor, som inte absorberar
ljus i det synliga området, är därför genomskinliga liksom vatten (aceton, alkohol,…).
a lltid destruktiv
interferens till sidan
ljusets vå glä ngd
a vstå ndet mella n
a tomerna
oordnade gasatomer eller inhomogen vätska
ljus in
vattenmolekyl
mjölkmolekyl
ibla nd konstruktiv
interferens till sidan
Varför är mjölk vit?
När tätheten hos mjölkmolekylerna blir stor, sprids
det inkommande ljuset flera
gånger innan det når vårt öga.
De blå våglängderna sprids
visserligen oftare än de röda,
men i genomsnitt når lika
mycket av de blåa som de röda
våglängderna vårt öga.
Multipelspridningen gör att
vi uppfattar mjölken som vit.
Multipelspridning
vitt
ljus in
mjölkmolekyl
Vitt!
Blå himmel och röda solnedgångar
Luftens molekyler Rayleighsprider solens
ljus, varför himlen en klar dag är blå och
och ljuset polariserat.
luftm olekyler
130 km *
När vi ser ljusstrålarna
från den nergående
solen, är det endast de
långa, röda våglängderna
kvar i solljuset.
Mitt på dagen, nära horisonten,
byts de blå tonerna i ett disigt vitt,
eftersom ljuset som når oss har en
lång väg och sprids flera gånger.
rött (650 nm )
grönt (520 nm )
violett (410 nm)
53 km
20 km
Vilken blå
him m el!
* Sträc ka n för vilken ljusintensiteten
m inska r m ed 50% (torr, ren atm osfär)
Att mäta atmosfärens tjocklek
Man kan uppskatta atmosfärens
(ekvivalenta) tjocklek på följande sätt:
- Se på ett avlägset, mörkt föremål
genom en nigrometer, vilken gör det
lättare att se de svaga, blå tonerna i
det spridda ljuset.
Glaset reflekterar ca. 5% av
det inkommande ljuset. När
därför den direkta och reflekterade
intensiteten är lika gäller att
höjden y =
luftm olekyler
- Håll en liten, på ena sidan svärtad,
glasskiva framför öppningen. Håll
skivan så att du samtidigt ser himlen
och det avlägsna, mörka föremålet.
- Rör dig mot, eller från, det mörka
föremålet tills det att det reflekterade
ljuset har samma intensitet som det
direkta. Mät avståndet x.
x
0,05
y
nigrom eter
(svartm ålat rör
m ed två, sm å
öppningar)
x
glasskiva
(svärtad på
en sida)
m örk
ba kgrund
(öppet fönster,
m örk skog, ..)
Stående vågor
Vågrörelsens grundekvation
v = f
v = hastighet
= våglängd
f = frekevns
