Ljus, Lasrar och Optik - Skolpaket
Skolpaketes innehåll:
1 rött laserblock, 635nm, <1mW
1 grönt laserblock, 532nm, <1mW
1 ljusblockset (röd, grön, blå)
1 vit LED
1 set med 3 frostade glaslinser
10 gradskivor
10 diffraktionsgitter 500 linjer/mm
3 speglar
3 spegelhållare
1 påse röda, gröna och
genomskinnliga gummibjörnar
1 spruta
1 aktivitetsguide
Lektionsförteckning
:
LEKTIONSTITEL
ÅRSKURS/NIVÅ
TID
1. Monokromatiskt ljus
7-9, gymnasiet
30 minuter
2. Kollimerat ljus
7-9, gymnasiet
20-30 minuter
3. Koherent ljus
7-9, gymnasiet
20-30 minuter
gymnasiet
45-60 minuter
5. Lasermikroskop
4-9, gymnasiet
20-45 minuter
6. Reflektion och brytning
4-9, gymnasiet
45 - 60 minuter
4-7
30-45 minuter
8. Mätning av laserns våglängd
gymnasiet
45-60 minuter
9. Mätning av tjockleken på
ett hårstrå med laser
gymnasiet
45-60 minuter
4. Absorption transmission,
reflektion och gummibjörnar
7. Färgseparation och
blandning
Lektion ett: Monokromatiskt ljus
Sammanfattning
Genom att jämföra spektrumet av vitt ljus med
färgat LED-ljus samt laserljus, kommer
eleverna att observera att laserljuset är
monokromatiskt och består av en enda
våglängd (färg).
Tid: 30 minuter
Nivå: 7-9, gymnasiet
Material
* ett ljusblockset (röd, grön, blå) med slitslock
* ett rött och ett grönt laserblock
* flera vita ljuskällor (LED, ficklampor, taklampor)
* 10 stycken diffraktionsgitter
Förberedelser
1. Ställ ljusblocken längst fram i klassrummet, riktade mot eleverna så att de kan se ljuset när
du tänder dessa (senare)
2. Ställ lasrarna så att de emitterar sitt ljus BORT från eleverna och istället lyser på en vägg
när du sätter på dem (senare)
3. Dela ut ett diffraktionsgitter till varje elev
Diskussion och bakgrund
Be eleverna att dela med sig av sina svar på frågan: Hur skiljer sig laserljus från annat ljus?
Vad är det som gör en laser till just en laser?
Utan att kommentera eller korrigera, skriv upp elevernas svar på tavlan synligt för alla. Om du
kommer att fortsätta någon annan dag, skriv gärna upp dessa svar även på papper t.ex.
Introducera lektionen genom att tala om för eleverna att de idag kommer att undersöka en
egenskap hos laserljus. Tala inte om vilken egenskap som avses. Vi ska se om eleverna kan
benämna denna egenskap genom att undersöka och observera.
Undersökning och observationer
1. Påminn eleverna att vitt ljus består av ”alla” våglängder av ljus – vitt ljus är vad vi ser när
dessa olika våglängder av ljus detekteras samtidigt i våra ögon (i lagom proportion).
2. Introducera diffrationsgittret – förklara att ett diffraktionsgitter separerar ljuset vi ser igenom
det så att vi ser ett spektrum – en unik ”signatur” av våglängderna som ingår i ljuset vi ser på.
3. Demonstrera för eleverna om hur man använder diffrationsgittret; håll upp gittret vid ena
ögat och titta emot en ljuskälla (OBS! titta ALDRIG rakt emot solen eller rakt in i en laser) –
titta nu åt sidan för att observera spektrumet.
4. Be eleverna att öva på att leta upp spektra från de olika tillgängliga “vita” ljuskällorna –
lysrör, glödlampor, en ficklampa t.ex.
5. Be eleverna att beskriva vad de ser – “en regnbåge”. Be dem berätta vilka färger de ser,
och i vilken ordning de syns. Be dem att berätta ifall färgerna är i samma ordning för alla
ljuskällor eller om det varierar. Försäkra dig om att de kommer fram till att färgen lila alltid är
närmast själva ljuskällan.
6. Berätta nu att eleverna ska observera ljusspektra från olika färgade LED källor. Sätt på
ljusblocken och be eleverna att observera att det finns ett rött, ett grönt och ett blått ljusblock
som innehåller en röd, en grön och en blå LED.
7. Be eleverna förutspå vad de kommer att se när de tittar på LED-ljusblocket. Kommer de att
se ett spektrum? Eller bara en färg? Består LED-ljuset av flera våglängder, likt vitt ljus, eller är
det bara en vånglängd? Be en elev som förutspår att de kommer att se ett spektrum att dela
med sig av sitt resonemang. Likaså för en som förutspår inget spektrum.
8. Utan att kommentera eller korrigera – be eleverna att själva se efter genom att använda
diffraktionsgittret för att observera LED-ljuset från de röda, gröna och blåa ljusblocken.
Eleverna kan behöva komma närmare för att kunna se ordentligt.
9. Be eleverna att dela med sig av sina observationer och förklara att även rött, grönt eller blått
LED-ljus består av sina egna unika våglängder.
10. Till slut, be eleverna att förutspå av de kommer att se när de tittar på ljuset från den gröna
och den röda lasern. Be eleverna att dela med sig av sina svar och resonemang.
11. Sätt på lasrarna – riktade BORT från eleverna, och istället mot väggen.
12. Tala om för eleverna att de ALDRIG får titta direkt in i NÅGON laser – NÅGONSIN!
13. Berätta för eleverna att de kommer att observera laserljusets spektrum genom att låta
laserljuset passera genom diffraktionsgittret.
14. Placera diffrationsgittret framför varje laser och låt eleverna observera att det bara finns en
enda färg även efter att diffrationsgittret har fått “separera laserljuset”.
15. Be eleverna att dela med sig och spekulera kring vad de ser.
16. Fråga – Alltså … vad är det för speciell egenskap hos laserljuset som vi har observerat
idag?
EN FÄRG, EN VÅGLÄNGD eller MONOKROMATISKT!!
Lektion två: Kollimerat ljus
Sammanfattning
By comparing LED light to LASER
light, students will observe that
LASER light is collimated (travels in
parallel rays)
Tid: 20-30 minuter
Nivå: 7-9, gymnasiet
Material
• ett grönt laserblock
• ett rött laserblock
• ett grönt ljusblock med slitslocket borttaget
• ett rött ljusblock med slitslocket borttaget
• en linjal
• vitt papper
Diskussion och bakgrund
Berätta för eleverna att de kommer att observera en grundläggande egenskap hos laserljus
idag – en egenskap som gör lasrar mycket farligare och kraftfulla än andra ljuskällor de är
vana vid – även när lasers skickar ut väldigt lite effekt – i stil med lasrarna som du har med
dig (laserblocken).
Laserljus är kollimerat – strålarna är parallella med varandra. Jämför med ”vanligt” ljus, som
sprids ut eller divergerar när det utbreder sig. Den här lektionen demonstrerar resultatet av
kollimering.
Förberedelser
1. Dela upp eleverna i grupper om 5
2. Ge varje grupp en ljuskälla (antingen ett ljusblock eller ett laserblock), en linjal och ett ark
vitt papper
3. Under tiden som eleverna samlar data, rita upp följande tabell på tavlan eller ett stort vitt
papper längst fram i rummet.
Undersökning och observationer
1. Berätta för eleverna att de kommer att mäta ytan
(arean) på ljuset som deras ljuskälla producerar på 3
olika avstånd från källan: 5, 10 och 15 cm.
2. Be eleverna att skriva ner formeln för ytan av:
a. en rektangel: arean = b·h
(där b är bredden och h är höjden på
rektangeln)
b. en cirkel: arean = π·r·r = π·r2
(där r är radien på cirkeln)
c. an ellips: arean = π·A·B
(där A och B är stor- respektive lillaxelns längd
på ellipsen, se figuren bredvid)
3. Be eleverna att lysa med sina ljuskällor på ett tomt vitt papper från olika avstånd (5, 10
och 15 cm) och beräkna ytan på “fläcken” med ljus vid varje avstånd.
4. Be en elev från varje grupp att komma fram och lägga in deras grupps data i tabellen.
5. Fråga klassen – vad lägger ni märke till? Hur skiljer sig laserljuset från LED-ljuset?
Det är kollimerat!
Datablad för elever
Ljuskälla
Avstånd
Röd LED
5 cm
Grön LED
5 cm
Blå LED
5 cm
Grön LASER
5 cm
Röd LASER
5 cm
Röd LED
10 cm
Grön LED
10 cm
Blå LED
10 cm
Grön LASER
10 cm
Röd LASER
10 cm
Röd LED
15 cm
Grön LED
15 cm
Blå LED
15 cm
Röd LASER
15 cm
Grön LED
15 cm
Yta
Lektion tre: Koherent ljus
Sammanfattning:
Genom att jämföra LED-ljus med laserljus
kommer eleverna att observer att laserljus är
koherent (utbreder sig i fas, eller ”i takt”).
Tid: 20-30 minuter
Nivå: 7-9, gymnasiet
Material
• ett grönt laserblock
• ett rött laserblock
• ett grönt ljusblock med slitslocket borttaget
• ett rött ljusblock med slitslocket borttaget
• vitt papper
Förberedelser
1. Dela in eleverna i grupper om 4
2. Ge varje grupp en ljuskälla (antingen ett ljusblock eller ett laserblock), en linjal och ett ark
vitt papper
Diskussion och bakgrund
Laserljus är koherent – vilket betyder att det är “i fas eller i takt”.
Detta betyder att alla ljusvågens toppar och dalar
blir upplinjerade med varandra.
Rita ett diagram på tavlan för att demonstrera:
Undersökning och observationer
1. Be varje grupp att hålla sin ljuskälla väldigt nära papperet, vid en liten vinkel, och observer vad
de ser. Be dem diskutera med varandra och komma överens om en observation som de skriver
ner.
2. Se till att grupperna byter ljuskälla med en annan grupp nu … om gruppen hade en LED bör de
nu få en laser … om de hade en laser bör de nu få en LED. Be eleverna att upprepa steg ett med
sina ”nya” ljuskällor och jämföra.
3. Det som eleverna borde observera är ett speckelmönster med laserljuset och inget
speckelmönster med LED-ljuset. De kan behöva en del vägledning och/eller skicka ljuskällan fram
och tillbaka mellan grupperna några gånger för att lägga märke till den subtila skillnaden.
4. Förklara att ljus utbreder sig som vågor – när vågorna är i fas (koherenta) kan de interferera
med varandra på ett särskilt sätt. Koherenta vågor kan släcka ut varandra (destruktiv interferens)
eller förstärka varandra (konstruktiv interferens).
5. Ett mönster av ljusa och mörka fläckar (väldigt, väldigt små) produceras av det koherenta
laserljuset tack vare denna interferens – men detta mönster produceras inte av LED-ljuset på
grund av att LED-ljuset inte är koherent, eller i fas.
Lektion fyra: Absorption, transmission,
reflektion och gummibjörnar
Med inspiration från denna video som skissar processen http://www.youtube.com/watch?v=DThUKDM_Wtk
Sammanfattning:
Gummibjörnar, visar det sig, är jättebra för att
demonstrera de grundläggande men något
abstrakta begreppen för interaktion mellan ljus
och materia: absorption, transmission och
reflektion.
Tid: 45-60 minuter
Nivå: gymnasiet
Material
• ett grönt laserblock
• ett rött laserblock
• en vit LED lampa
• 3 röda gummibjörnar
• 3 gröna gummibjörnar
• 3 genomskinnliga gummibjörnar
• 1 blad vanligt vitt papper
• 1 blad vaxat papper (smörgåspapper)
• 1 OH blad eller genomskinlig plastpåse
Diskussion och bakgrund
Ett vanligt missförstånd bland elever är att färg är en materialegenskap. Denna underliggande
missuppfattning leder till alla möjliga missförstånd – som idén att när vitt ljus passerar genom
ett grönt objekt och därmed skapar ett grönt sken på papperet, att det skulle vara detta gröna
objekt som ”lägger till färg” till en annars klar, ”naturlig” ljusstråle. Oavsett hur många gånger
man säger det … det är svårt för elever att greppa idén att när de ser ett rött objekt, det som
verkligen händer är att de flesta av våglängderna som utgör det vita ljuset har absorberats av
det röda objektet, och bara våglängder som vi kalla röda reflekteras. Det som eleverna ”ser” är
det röda ljuset som reflekteras till deras ögon.
När laserljus, som är monokromatiskt (består av en enda färg eller våglängd) träffar något, så
absorberas det och ljusets energi omvandlas till värme, eller så reflekteras det, eller så
transmitteras ljuset. Men det som de flesta elever är bekanta med är vitt ljus, som utgörs av
många färger eller våglängder. Hur ljuset växelverkar med ett objekt beror på ljusets
våglangd(er) och egenskaperna hos atomerna i objektet.
Ett material absorberar ljusfrekvenser som matchar vibrationsfrekvensen hos elektronerna i
atomerna som materialet består av. Eftersom olika material består av atomer vars elektroner
vibrerar vid olika frekvenser, så absorberar olika material olika ljusfrekvenser. Detta bryter ner
idén att anledningen till att ljus passerar genom ett material eller inte skulle bero enbart på
dess ”tjocklek”.
Ljus som inte absorberas av ett material kommer att antingen reflekteras eller transmitteras.
Hur vi uppfattar färg är starkt beroende av hur ljus växelverkar med materia. Så färgen fanns
aldrig i objektet … bara i ljuset som belyste det och slutligen reflekterades in i våra ögon.
Följande hands-on demonstration kommer att ge eleverna en intuitiv känsla för detta fenomen
och börja bryta igenom deras missuppfattningar rörande ljus och färg.
Demonstration
1. Lys med den vita LED-lampan mot eleverna och påminn dem att vitt ljus består av många
(”alla”) våglängder eller frekvenser av ljus. Förklara att en LED är en ljuskälla – och att de kan
se ljuset som emitteras direkt ifrån LED-lampan.
2. Fråga … vad händer när det vita ljuset växelverkar med “någonting”?
3. Vänd dig mot eleverna och lys med LED-lampan emot det vita pappersarket och fråga –
vad händer med ljuset?
4. Upprepa med det vaxade papperet och med en genomskinlig plastpåse.
5. Diskutera i termer av transmission, reflektion och absorption.
Förberedelser
Dela in eleverna i 3 grupper och ge varje grupp ett Elevdatablad.
Gör i ordning 3 “stationer” – vid varje station ska det finnas en ljuskälla (ett grönt laserblock, ett
rött laserblock eller en vit LED-lampa), en ark med vitt papper och 3 gummibjörnar (ett grönt,
ett rött och ett ofärgat).
Undersökning och observationer
1. Påminn eleverna om lasersäkerhets reglerna.
2. Berätta för eleverna att de kommer att skriva ner sina observationer av hur olika ljuskällor
växelverkar med olika material – 3 olika färgers gummibjörnar.
3. Instruera eleverna om att de ska lysa med ljuset ifrån varje ljuskälla på varje färgs
gummibjörn och skriva ner sina observationer. De ska leta särskilt efter hur och om ljuset
transmitteras, reflekteras och absorberas av de olika gummibjörnarna.
4. När alla grupper hunnit samla in data från alla tre stationer, be dem att titta igenom sina
observationer och sin data för att komma fram till en eller flera slutsatser om hur ljuset beter
sig. Be dem skriva ner sina slutsatser på sina datablad.
Slutsatser och diskussion
Be eleverna att dela med sig av sina observationer:
○Uppförde sig alla ljuskällor på samma sätt?
○När observerade du absorption, transmission och reflektion?
○Varför kunde inte det gröna ljuset passera genom den röda gummibjörnen? Och
varför kunde inte det röda laserljuset inte passera genom den gröna
gummibjörnen?
○Varför blev det vita ljuset rött när det hade passerat genom den röda
gummibjörnen, och blev istället grönt när det passerade genom den gröna
gummibjörnen?
Eleverna kanske föreslår att gummibjörnarna ”färgar” det vita ljuset, som man färglägger ett vitt
papper. Påminn eleverna att vitt ljus består av alla synliga våglängder på ljus. Hjälp dem att
koppla tanken att den röda gummibjörnen egentligen bara tillåter de röda våglängderna på
ljuset att transmitteras eller reflekteras – alla andra våglängder (färger) absorberas (och vi
kan inte se ljuset som har absorberats av gummibjörnen). Detta resulterar i att det enda
ljuset som kan passera genom gummibjörnen är det röda ljuset. (Eleverna kanske inser att
det också är anledningen till att gummibjörnen ser röd ut: när vitt ljus studsar mot den, så är
det bara de röda våglängderna som når fram till våra ögon; de andra våglängderna
absorberas.) Samma sak gäller för gröna gummibjörnen – men med grönt istället för rött.
Eleverna upptäcker att strålen från det röda laserblocket passerar igenom den röda
gummibjörnen, men inte den gröna! Påminn dem om att gröna gummibjörnen endast
släpper igenom grönt ljus och blockerar andra våglängder – och därför kan det röda
laserljuset inte passera igenom den gröna gummibjörnen.
Lektion fem: Lasermikroskop
Adapterad från Gorzad Planinsic, Water-Drop Projector
http://www.fmf.uni-lj.si/~planinsic/articles/planin2.pdf
Sammanfattning:
En enkel experimentuppställning omvandlar
en droppe vatten ifrån t.ex. en damm till en
sfärisk lins för att synliggöra den
mikroskopiska världen däri. Effekten är
dramatisk och blir en engagerande
introduktion till linser och geometrisk optik.
Tid: 20-45 minuter
Nivå: 4-9, gymnasiet
(beroende på matematiken)
Material
• ett grönt laserblock
• en spruta
• ett labbstativ
• tejp
• tom vägg
• vatten från en damm, bäck, sjö, flod eller hav
• en stadig hand och lite tålamod
En liten droppe
vatten från t.ex. en
damm ihop med en
laserstråle från ett
laserblock blir till en
sfärisk lins med en
kraftig förstoring.
Förberedelser
För att ställa i ordning denna enkla med starkt engagerande demonstration, fyll en
spruta med vatten från t.ex. en damm eller bäck. Bor man nära kusten kan man gärna
hämta lite havsvatten. Är man inte i närheten av en damm, flod eller annat vattendrag kan
man samla in vatten ifrån en pöl eller annan stillastående vattenansamling som troligtvis
innehåller några små (0,2 – 0,5 mm) levande organismer.
Fyll en spruta med det insamlade vattenprovet. Sätt fast sprutan i ett labbstativ så att en
droppe vatten hänger ifrån spetsen. Positionera vattendroppen så att den är upplinjerad
med strålen från ett grönt laserblock så att strålen passerar genom mitten av droppen,
vinkelrätt mot väggen.
Din uppställning borde vara ungefär två meter ifrån en skärm eller tom vit vägg där en
grön ljusfläck kommer att uppvisa en imponerande samling av encelliga djur, larver och
loppor som flyter omkring och simmar.
Detta är vanligtvis tillräckligt engagerande för att väcka elevernas intresse för den starka
optiken som möjliggör denna imponerande syn.
Diskussion och bakgrund
För att en droppe vatten, hängande från en
spruta, som vi har här, syns strålgången i
figuren här till höger där man ser hur ljuset
kommer in i och sedan ut ur linsen. Strålen
som går genom mitten bryts inte – alla andra
strålar däremot bryts in mot normalen när de
passerar från luft, med brytningsindex n1 = 1
till vatten med brytningsindex n2.
För små vinklar, som vi har här, kan vi
använda Snells lag: n1sin⊖1 = n2sin⊖2
som då blir n1⊖1 = n2⊖2.
Alltså kan avvikelsen mot normalen vid ena ytan skrivas som:
Detta är en generell ekvation som används för mycket små vinklar, och är användbar för att
följa strålar (”ray tracing”) genom komplicerade system, som, trots vår enkla
experimentuppställning, är just vad vi har här. För detta exempel, är avvikelsen när strålen
passerar ifrån luften och in i vår droppe (första ytan):
Vid bortre ytan av droppen är strålen 2r gånger deviationen närmare optiska axeln – alltså
når den bortre ytan på en höjd h’ ifrån optiska axeln:
Ändringen i strålens vinkel när den lämnar droppen är samma som vinkeländringen när den
kommer in i droppen. Slutligen gäller att:
När man tittar närmare på hur detta generella fenomen av ljus som passerar genom en
sfärisk lins och därmed skapar en magnifik förstoring blir det snabbt rätt komplicerat och väl
invecklat för gymnasieelever. Figuren nedan visar ett enkelt stråldiagram för situationen.
Om ni vill undersöka matematiken bakom detta finns det en utmärkt artikel av Gorazd
Planinsic som omnämndes i början av denna lektion.
Adapterad från Gorzad Planinsic, Water-Drop Projector
http://www.fmf.uni-lj.si/~planinsic/articles/planin2.pdf
Lektion sex: Reflektion och brytning
Sammanfattning:
Reflektion och brytning är två av de mest
grundläggande begreppen om ljus som
eleverna ska lära sig. Att lägga en del
”hands-on” tid på att jobba med ljus och
linser ger eleverna möjlighet att greppa
dessa fundament innan de går vidare till
mer komplicerade idéer.
Tid: 45-60 minuter
Nivå: 4-9, gymnasiet
Material
• ett set med ljusblock med slitslocken på
• ett rött och ett grönt laserblock (för äldre
elever)
• gradskivor
• ett set med glaslinser
• 3 speglar med hållare
• 3 ark med aluminiumfolie
Reflection
Förberedelser
Dela in eleverna i grupper om 3 och ge dem var sitt ljusblock, en gradskiva, en spegelremsa
och ett ark med aluminiumfolie. Om du har en grupp äldre elever, använd även laserblocket.
Påminn eleverna om att vara uppmärksamma på vart de reflekterade stålarna hamnar!!
Undersökning och observationer
Be eleverna att lysa med ljusblocket mot spegeln och undersöka hur ljuset studsar. Be dem att
justera vinkeln för ljuset som träffar spegeln och fråga:
”Vad la du märke till om hur ljuset studsar?”
- en förutspåbar, rak linje som rör sig när ljuskällan rör sig
- se till att de lägger märke till att det är vinkeländringen, inte avståndet, som ändrar hur ljuset
studsar.
Mer avancerade elever kan kvantifiera sina observationer – be eleverna placera spegeln i
hållaren, i mitten på gradskivan så att spegeln är parallell med gradskivans 90-graders axel.
Be eleverna att rikta in strålen i en 30-graders vinkel ( i förhållande till vertikala riktningen) rakt
mot mitten av spegeln, och mät reflekterade strålens riktning i förhållande till vertikala
riktningen. Be eleverna att anteckna sina resultat och upprepa med ytterligare två valfria
vinklar.
Håll en gruppdiskussion om det som eleverna kommit fram till. Eleverna borde lägga märke till
att infallsvinkeln = reflektionsvinkeln.
Därefter, be eleverna att vika aluminiumfolien snyggt för att göra en platt, blank yta. Upprepa
ovanstående uppgift, precis som med spegeln. Eleverna kommer att observera att folien
påverkar ljuset på liknande sätt som spegeln.
Be eleverna att skrynkla ihop folien till en boll och upprepa undersökningen. Eleverna kommer
snart att lägga märke till att ljuset sprids och studsar i alla riktningar. Förklara att, när en yta är
rugglig, som den skrynkliga foliebiten, så studsar ljuset enligt samma regler som de just
observerat: i en rak linje med infallsvinkel = reflektionsvinkel. Men, många strålar studsar mot
många olika ytor, som därmed sprider stålarna när de träffar olika delar av den skrynkliga
folien.
Nu kan du förklara att ljus studsar ifrån allt vi ser. Allt ljus studsar som raka strålar. Allt vi
någonsin ser är ljus – som studsar mot olika ytor och skiner in i våra ögon.
Refraktion - Diskussion och bakgrund
Förklara för eleverna att, trots att ljus vanligtvis bara åker rakt fram som raka linjer, så böjs det,
det bryts (refrakteras) när det passerar ifrån ett medium (t.ex. luft) och in i ett annat (t.ex.
vatten). Yngre elever kommer att få nytta av en del ”hands-on” tid för att observera detta
fenomen, medan mer avancerade elever kan lära sig att böjningen sker enligt Snells lag:
n1·Sinθ1 = n2·Sinθ2
där n är brytningsindex för det medium som ljuset utbreds igenom och θ1 är vinkeln mellan
infallande strålen och normalen, och θ2 är vinkeln mellan den brutna (refrakterade) strålen och
normalen. (Normalen betyder riktningen vinkelrätt mot ytan.)
Material
Brytningsindex, n
Luft
1.00029
Vatten
1.33
Glas
1.50
Bensin
1.31
Plast
1.47 - 1.6
Diamant
2.5
Brytningsindex (n) varierar också med
våglängden på ljuset.
Brytningen uppstår på grund av att ljuset saktar in när det passerar ifrån luft och in i ett annat
medium (t.ex. vatten eller glas). Ändringen i hastighet orsakar ändringen i riktningen för ljusets
utbredning.
Undersökning och observationer - Nybörjare
1. Sätt på slitslocken på var och en av de 3 ljusblocken så att de projicerar en linje.
2. Placera trapetslinsen ungefär 5 cm framför den av ljusblocken så att stålen går igenom
linsen.
3. Observera att ljuset ”böjs” när det når linsen, och sedan ”böjs” igen när det lämnar linsen.
Denna böjning kallas för brytning eller refraktion.
4. Förklara att ljus byter riktning för att den ändrar hastighet när den rör sig från ett medium
(luft) till ett annat (glas).
5. Linjera sedan upp alla tre ljusblock så att de projicerar 3 parallella linjer.
6. För in konvergerande (konvexa) linsen genom att placera den cirka 5 cm framför de tre
ljusblocken, och observera att linsen böjer ihop ljuset till en brännpunkt (fokalpunkt).
7. Upprepa med divergerande (konkava) linsen.
Mera om Linser
Linser ger oss möjlighet att använda det vi vet om
hur ljuset bryts. Elever kan observera hur ljuset går
igenom en konvex och en konkav lins för att
fokusera ljuset till en ”fokalpunkt” (brännpunkt).
Fokalpunkten är där man vanligtvis tänker sig att
bilden formas: vi använder alla möjliga sorters
linser för att fokusera bilder. Exempel inkluderar:
våra ögon, en kamera, ett mikroskop eller ett
teleskop. Linser är en kraftful metod för att
kontrollera och förstå ljus så att vi kan få
användning för det.
Det finns 4 faktorer som avgör fokallängden på en
lins:
1.
2.
3.
4.
linsens brytningsindex nlins
brytningsindex för linsens omgivning nomg
krökningsradien på linsens främre yta r1
krökningsradien på linsens bakre yta r2
Matematiskt uttryckt, kan linsens fokallängd i luft beräknas med hjälp av:
LINSMAKARENS EKVATION
1/f =((nlins/nomg) – 1)·(1/r1 – 1/r2)
Notera att när linsen är konvex, blir fokallängden positiv och när linsen är konkav, blir
fokallängden negativ.
Undersökning och observationer – Mer avancerat
1. Skapa två parallella stråla med hjälp av två laserblock med linjeskapande linser insatta.
2. Placera konvergerande linsen i mitten på gradskivan som visas nedan, med 0 grader som
normalen
3. Markera fokalpunkten, brännpunkten, där dessa två strålar konvergerar (korsar varandra).
4. Mät avståndet från linsens mittpunkt till fokalpunkten – detta är fokallängden eller f i
linsmakarens ekvation.
5. Använd detta värde och värden för n från tabellen ovan för glas och luft för att beräkna r.
Notera att, eftersom båda ytor har samma krökningsradie, blir R1 = R2.
Tänk efter …
Om du skulle träffa en fisk med en laserstråle, borde du sikta strålen över,
under eller rakt mot fisken för att få en direkt träff?
Lektion sju: Färgseparation och blandning
Sammanfattning:
Två enkla aktiviteter introducerar grunderna
för ljus och färg till elever i grundskolan. Se
hur vitt ljus består av många färger, och hur
flera färger kan kombineras för att skapa vitt
ljus.
Tid: 30-45 minuter
Nivå: 4-7
Material
• en vit LED lampa
• 3 ljusblock med slitslocken på
• 10 diffraktionsgitter
• rumsbelysning
• solljus
• vitt papper
• vaxkritor eller märkpennor
Förberedelser
1. Dela in eleverna i 5 grupper och ge varje grupp 2 diffraktionsgitter att dela på.
2. Längst fram i klassrummet, sätt på den vita LED lampan och rikta den mot eleverna.
Undersökning och observationer
1. Be eleverna att turas om med att titta på LED ljuset genom diffraktionsgittret. Fråga: vad ser
du? Hjälp eleverna att hitta ”regnbågarna” mot sidorna av diffraktionsgittret.
2. Be eleverna att titta runt i rummet på andra ljuskällor. Tala om för eleverna att aldrig titta rakt
mot solen under denna eller vilken annan aktivitet som helst.
3. Fråga eleverna hur färgerna är ordnade? Vilken färg är närmast ljuskällan? Vilken är längst
ifrån? Är färgerna alltid i samma ordning, oavsätt vilken ljuskälla de tittar på, eller byter
färgerna position?
4. Be eleverna att rita en bild av ljuset och regnbågen (regnbågarna) som de ser, med färgerna i
rätt ordning.
5. Ställ sedan upp ljusblocket, med slitslocken på, längst fram i klassrummet.
6. Särr på det röda, gröna och blåa ljusblocket och be eleverna att upprepa övningen med varje
färg – titta på ljuskällorna genom diffraktionsgittret och rapportera vad de observerar.
7. Förklara att färgade LED lampor består bara av några av färgerna – inte ett helt spektrum – så
de borde kunna se smala band med enskilda färger.
Diskussion och övergång till nästa aktivitet
Fråga – Varifrån kommer färgerna i regnbågen? Förklara – färgerna var redan där – gömda i
det vita ljuset och diffraktionsgittret separerade dem i sina individuella färger. Regndroppar
kan också separera solljus i många färger så att vi kan se en regnbåde. Dessa färger är alltid
där, inuti det ”vita” ljuset som vi ser hela tiden, men vi kan inte se dem för att de vanligtvis är
hopblandade för att ge oss det vita ljuset vi är vana vid.
Skapa vitt ljus
1. Ta bort slitslocken från ljusblocken så att de projicerar breda stråk med färgat ljus.
2. Ställ ljusblocken uppe på en bänk eller ett bord med en skärm eller vit vägg framför så
att eleverna kan se det projicerade ljuset.
3. Sätt på det röda och det blåa och be eleverna att förutspå vilken färg de kommer att se
när du kombinerar dem.
4. Blanda ljuset från det röda och blåa ljusblocket för att visa rosa eller magenta.
5. Sätt på det blåa och det gröna och be eleverna att förutspå vilken färg de kommer att
se när du kombinerar dem.
6. Blanda grönt och blått för att skapa ljusblått eller cyan.
7. Sätt på det gröna och det röda och be eleverna att förutspå vilken färg de kommer att
se när du kombinerar dem.
8. Blanda det röda och det gröna för att bilda gult.
9. Sätt på alla tre ljusblock och be eleverna att förutspå vilken färg de kommer att se när
du kombinerar dem.
10. Blanda alla tre för att avslöja hur man skapar vitt ljus.
Lektion åtta: Mätning av laserns våglängd
Sammanfattning:
Eleverna kommer att bestämma
våglängden på laserblocket genom
att samla in sex set med mätningar
som kommer att ge dem möjlighet att
lösa ut våglängden.
Type to enter text
Tid: 45-60 minuter
Nivå: gymnasiet
Material
• rött laserblock
• grönt laserblock
• 10 diffraktionsgitter
• tom vägg eller skärm
• linjal/måttstock
Diskussion och bakgrund
Diffraktion är ett fenomen som beskriver hur ljus böjs
när det passerar genom väldigt smala spalter eller
förbi en väldigt liten barriär (som ett hårstrå). Se
bilden till höger som visar diffraktion (böjning) av
vågor runt ett ”hörn”. Tänk på ljuset som en våg, och
betänk att när ljus passerar mycket små hinder (som
ett hårstrå), så formas två separata vågmönster.
Dessa mönster interfererar med varandra för att
antingen förstärka vågmönstret (konstruktiv
interferens) eller dämpa vågmönstret (destruktiv
interferens).
Undersökning och observationer
1. Dela ut diffraktionsgitter och låt eleverna observera
spektrumet de ser när de tittar mot olika ljuskällor
genom gittret.
2. Förklara att gittret har många, många (vi kommer
att se hur många strax) små ”repor”, som ljuset
måste böja sig runt när det passerar. När det vita
ljuset böjs, kommer dess ingående våglängder att
böjas och interferera med varandra och separeras
som ett spektrum.
3. Vad händer när monokromatiskt (en enda färg/våglängd) ljus passerar genom den mycket
smala slitsen av ett diffraktionsgitter? Vad skulle du förvänta skulle hända när en enda
våglängd interfererar? Du kommer inte att se ett spektrum av färger – därför att
monokromatiskt ljus inte består av många våglängder.
4. Sätt ett rött laserblock på en stabil yta och lys med den genom diffraktionsgittret mot en tom
vägg. Tejpa fast diffraktionsgittret på framsidan av laserblocket för att fästa det.
5. Göt samma sak med gröna laserblocket på en annan vägg.
6. Förklara att mönstret de ser beror på interferensmönstret av ljusvågen när den passerar
igenom slitsen.
7. Introducera matten som beskriver detta fenomen: λ = (X) (d)/ L ; där d = avståndet mellan
slitsarna (cm/linje), L = avståndet från gittret till skärmen och X = avståndet från ett
maximum till nästa maximum.
8. Dela in klassen i två grupper, en kommer att arbeta med röda laserblocket och den andra
arbetar med det gröna laserblocket.
9. Ge varje grupp ett elevdatablad.
10.
Be varje elevgrupp skriva ner antal linjer/mm och konvertera till cm för att bestämma
slitsbredden.
11. Eleverna kommer därefter att skriva upp
avståndet från gittret till skärmen (L).
12. Därefter kommer eleverna att mäta avståndet
från ett maximum (ljusfläcken starkaste
position) till ett angränsande maximum (X).
13. Instruera eleverna till att utföra och tabellera
dessa mätningar vid tre olika avstånd från
skärmen eller väggen.
14. Jämför elevernas experimentella resultat
med verkliga våglängden på laserblocken –
635nm för rött och 532nm för grönt.
Datablad för elever
LASERFÄRG:________________________
_
Diffraktionsgitter
Linjer/mm
Slitsbredd (d)
cm/linje
Avstånd från gitter
till skärm (L) i cm
Avstånd från
maximum till
maximum (X)
Välj 3 avstånd från skärmen för mätningarna.
Bestäm våglängden på lasern
Använd värden på X, d och L från datan ovan och dubbelslits formeln:
λ = (X) (d)/ L
för att bestämma våglängden på lasern. Medelvärdesbilda era tre beräknade värden och
bestäm ett slutligt medelvärde för våglängden.
λ = (X) (d)/ λ = (X) (d)/ λ = (X) (d)/
L
L
L
Visa all
insättning av
mätdata i
formeln
Slutligt värde
(cm)
Slutligt värde
(mikrometer)
Medlevärde på
våglängd
Lektion nio: Mätning av tjockleken på ett
hårstrå med laser
Sammanfattning:
Eleverna får bestämma tjockleken på
ett hårstrå genom att anväda
diffraktion och ett laserblock med
känd våglängd.
Tid: 45-60 minuter
Nivå: gymnasiet
Material
• rött laserblock
• grönt laserblock
• tejp
• tom vägg eller skärm
• linjal/måttstock
• hårstrå (från en människa)
Diskussion och bakgrund
Se föregående lektion för en introduction till diffraction.
Laser diffraktion kan användas för att mäta mycket små saker – som hårstrån! Trots att vi
vanligtvis tänker på diffraktion i termer av ljus som passerar genom en mycket smal slits, så
sker diffraktion också när ljus passerar ett mycket smalt hinder.
Undersökning och observationer
1. Dela in klassen i två grupper.
2. Ge varje grupp ett laserblock, en lijal eller måttstock, ett
ark med vitt papper och lite tejp.
3. Be varje grupp välja någon som donerar ett hårstrå att
mäta. Hårstrået borde vara minst 25 cm lång.
4. Introducera formeln:
Hårstråets tjocklek = (våglängd) x (avstånd till väggen) /
(avstånd mellan närliggande mörka fläckar)
5. Tejpa fast hårstrået på laserblocket så att hårstrået
korsar strålöppningen (som på bilden).
6. Ställ laserblocket på ett bord eller annan yta ungefär 1m
ifrån en tom vägg eller skärm.
7. Visa eleverna hur man mäter avståndet mellan de första
två områden med destruktiv interferens på var sin sida
om centrala maximat (avstånd mellan närliggande
mörka fläckar).
8. Be eleverna genomföra mätningar och fylla i databladet
och beräkna tjockleken på hårstrået för minst 5 olika
hårstrån.
9. Be eleverna beräkna medelvärdet på tjockleken på
mänskliga hårstrån. Därefter, be eleverna undersöka,
via internet, allmänt accepterade värden på tjockleken
av ett mänskligt hårstrå och jämföra sina medelvärden
med det allmänt accepterade värdet.
Datablad för elever
Mätning nr.
Våglängd på
laserblock
Avstånd till vägg
(W)
Avstånd mellan
första 2 mörka
fläckarna (D)
1
2
3
4
5
6
7
8
Skriv in minst 5 omgångar av mätningar i tabellen ovan; beräkna och skriv in tjockleken för
varje mätning i tabellen nedan.
Mätning nr.
Hårstråets tjocklek = (våglängd) (W) / D
1
2
3
4
5
6
7
8
Beräkna och skriv upp medelvärdet för hårstråstjockleken:
Hur jämför sig detta värde med det “accepterade värdet” för tjockleken på mänskliga hårstrån?
“EPIC Adopt a Classroom Kit” – Adoptera ett Klassrum Skolpaket
EPIC samarbetar med Laser Classroom för att sprida “Light, Lasers and Optics”, en utbildnings
outreach kit till elever over hela Europa. Skolpaketen, sponsrade av företag, kostar 195 EUR
och görs tillgängliga för lärare. Nationella forskning organisationer och fotonik klusters arbetar
ihop med EPIC för att översätta skolpaketet till andra språk och identifiera lärare som är
motiverade att använda skolpaketer i sina klassrum för att inspirera barn och ungdomar om
naturvetenskap generellt och speciellt om fotonik. Lärarna behöver inte betala för skolpaketet;
en gång per år behöver de rapportera tillbaka till EPIC om antalet barn och ungdomar som
använt skolpaketet, skicka en bild, och en berättelse utarbetad i klassrummet som
rekommendation till andra.
Stödjande organisationer
Översättningen är gjord vid Institutionen för Mikroteknologi och nanovetenskap, MC2, som är en
del av Chalmers tekniska högskola. Chalmers ligger i Göteborg, och har totalt cirka 10000
studenter och 2000 anställda lärare och forskare. Fotonik laboratoriet på MC2 har både
forskning och utbildning om lasrar och fiberoptisk kommunikation. Sheila Galt, biträdande
professor vid Fotonik laboratoriet, har utfört översättningsarbetet från det engelska underlaget.
Hon är även starkt engagerad på hemmaplan för att inspirera barn och ungdomar inom
naturvetenskap och teknik, med egna laserexperiment för skolklasser.
www.chalmers.se
EPIC är ett Europeiskt fotonikindustri konsortium, ett medlems-styrt icke-vinstdrivande
industrisammarbete som främjar den hållbara utvecklingen av organisationer som arbetar inom
fotonikområdet. Våra medlemmar omfattar hela värdekedjan från LED belysning, PV solenergi,
Kiselfotonik, optiska komponenter, lasrar, sensorer, displayer, projektorer, optisk fiber, och
andra fotonikrelaterade teknologier. Vi fostrar ett livskraftigt fotoniskt ekosystem genom att
upprätthålla ett starkt nätverk och agera katalysator och facilitator för teknologiska och
kommersiella framsteg. EPIC arbetar nära med relaterade industrier, universitet, och offentliga
myndigheter för att bygga en mer konkurrenskraftig fotonisk industrisektor, kapabel att växa
både ekonomiskt och teknologiskt i en start konkurrenskraftig världsomfattande marknad.
Översättning version 1.0 2013-06-01 Sheila Galt
