6A Bølger

6A

UTFORSK!

Bølger

Transport av energi

Bølger i en fjær

Spenn opp en lang, elastisk skruefjær mellom deg og en stol. Hold fjæra stram og i ro før du gjør en rask bevegelse opp og ned med hånda. Observer pulsen som beveger seg opp og ned langs fjæra. Hva er det egentlig som brer seg langs fjæra?

Tenk deg at du sitter ved et tjern en stille sommerkveld. Vannflaten på tjernet er speilblank. Så løfter du en stein og kaster den ut i midten av tjernet. Du blir sittende og observere bølgene som brer seg. Tenk på den mekaniske energien som steinen hadde gjennom kastet. Hvor er denne energien nå? Bølgene fortsetter å bre seg utover og passerer et blad som ligger stille og flyter på vannflaten. Bladet dupper opp og ned, men blir liggende stille igjen etter at bølgene har passert. Med ett går det opp for deg: Bølgene må føre med seg energi! Bølgene oppsto da steinen gjorde et arbeid på vannmolekylene, og bladet fikk meka-Vurderingseksemplarnisk energi da det ble truffet av bølgene. Alle bølger transporterer energi. For at en bølge skal oppstå, må den få energi fra en bølgekilde.

VIKTIG!

Bølger og bølgekilder

Alle bølger transporterer energi. Energien kommer fra bølgekilden.

Noen bølger, som for eksempel bølger på en fjær, lydbølger i lufta eller bølger på overflaten av vann, har én ting til felles: De beveger seg gjennom et medium, altså et fast stoff, en væske eller en gass. Slike bølger kaller vi mekaniske bølger. En pistol avfyrt i et rom uten luft vil være helt lydløs fordi mekaniske bølger er avhengige av et medium å bevege seg gjennom.

Når en mekanisk bølge brer seg i et medium, vil partiklene i mediet svinge i en periodisk bevegelse. Se for deg at du holder i enden av et langt tau som er bundet til en vegg. Hvis du svinger hånda opp og ned vil en bølge forflytte seg langs tauet. Tauet er mediet som bølgen brer seg i. Partiklene i tauet beveger seg på tvers av fartsretningen til bølgen: opp og ned. Når partiklene i et medium svinger på tvers av fartsretningen til bølgen, danner bevegelsene til partiklene tversbølger.

Når en høyttaler spiller musikk, skaper den vibrasjoner i luftmolekylene.

Lyden brer seg som fortetninger og fortynninger av luftmolekylene. Bølger der partiklene i mediet svinger i samme retning som fartsretningen til bølgen, kaller vi langsbølger. Vurderingseksemplar

VIKTIG!

Tversbølger og langsbølger

Tversbølger er bølger der svingningene går på tvers av fartsretningen til bølgen. Langsbølger er bølger der svingningene går i samme retning som fartsretningen til bølgen.

VIKTIG!

Beskrivelse av bølger

Hvis du fester en lang fjær i et fast punkt på en vegg og holder i den andre enden, vil du kunne sende en puls nedover fjæra med en enkel, rask håndbevegelse. Pulsen beveger seg langs med fjæra, og du kan følge den med øynene der den beveger seg fram og tilbake. Hvis du lar hånda bevege seg opp og ned i en periodisk bevegelse, vil du se en bølge bre seg i fjæra. Alle punktene på fjæra vil begynne å svinge opp og ned. En bølge er svingninger som brer seg.

Når en bølge brer seg langs en fjær, vil et punkt på fjæra begynne å svinge om posisjonen den hadde før bølgen traff punktet. Denne posisjonen kaller vi likevektsstillingen. Avstanden punktet har fra likevektsstillingen ved et gitt tidspunkt, kaller vi utslaget, y. Det maksimale utslaget i en bølge er amplituden, A. Du kan finne amplituden til en bølge ved å måle avstanden et punkt har fra likevektsstillingen når det er i en bølgetopp eller en bølgebunn. Amplituden skal alltid oppgis som en positiv verdi.

y / m Amplitude Likevektslinje x / m

1,5 3 4,5 Utslag Likevektsstilling, utslag og amplitude

Når en mekanisk bølge brer seg gjennom et medium, vil partiklene i mediet svinge om likevektsstillingen. Utslaget y til et punkt på bølgen er avstanden som partiklene i punktet har fra likevektsstillingen. Amplituden A til bølgen er det maksimale positive utslaget som et punkt på bølgen kan ha.

6 Vurderingseksemplar

Hvert punkt på fjæra vil svinge opp og ned med en frekvens f og en periode T. Hvis du fortsetter håndbevegelsen en stund, vil du kanskje legge merke til at flere punkter på fjæra med jevne mellomrom er i den samme svinge til -

standen. Vi sier at to punkter på fjæra som har det samme utslaget og samme svingeretning, er i samme fase. For eksempel er en bølgetopp i samme fase som en annen bølgetopp, og en bølgebunn er i samme fase som en annen bølgebunn. Avstanden mellom to nabopunkter på fjæra som er i samme fase, for eksempel mellom to nabobølgetopper, kaller vi bølgelengden .

VIKTIG! Periode, frekvens og bølgelengde Perioden T er tiden som et punkt på bølgen bruker på å svinge fra ett Vurderingseksemplar

ytterpunkt og tilbake til det samme ytterpunktet. Enheten for periode er sekunder, s. Frekvensen f er antallet svingninger et punkt på bølgen gjør i løpet av ett sekund:

f

1 T

Enheten for frekvens er Hz = 1 / s = s −1 .

Bølgelengden er avstanden fra et punkt i en bølge til det neste punktet

som svinger i samme fase. Enheten for bølgelengde er meter, m.

Svingningene i en bølge brer seg med bølgefarten v. I løpet av en periode T flytter bølgen seg én bølgelengde . Vi finner et uttrykk for bølgefarten med formelen v = s / t:

v λ = = = s 1 λ λ ⋅ = ⋅ t T T f

Dette er den mest grunnleggende formelen i bølgefysikken. Formelen gjelder både for langsbølger og for tversbølger.

VIKTIG!

Bølgefart

Bølgefarten v er lik bølgelengden λλ multiplisert med frekvensen f:

Når et fly beveger seg raskere enn bølgefarten til lyden i luft, brytes lydmuren og vi kan høre høye smell. λλ== v f Vurderingseksemplar

6.1 a Hva er en bølge? b Hva mener vi med tversbølger? Og med langsbølger? c Hva kan du si om energitransporten i en bølge?

6.2 a Hva mener vi med bølgelengde? b Hva er sammenhengen mellom bølgefart, bølgelengde og frekvens? c Hva mener vi med mekaniske bølger? Gi eksempler.

EKSEMPEL 1

Lydbølger i jern og i luft

Lydbølger med frekvensen 440 Hz kaller vi kammertonen. Hvor stor bølgelengde har kammertonen i jern og i luft når lydfarten er v1 = 5100 m/s i jern og v2 = 340 m/s i luft? Løsning: Av formelen v f λ= finner vi bølgelengden 1 i jern og 2 i luft: λ

= = = v f = = = v f

1 5100m/s 440Hz 11,6m 340m/s 440Hz 0,773m

1 2

2 6.3 a Regn ut bølgelengden for kammertonen i ferskvann der lydfarten er 1480 m/s. b Regn ut bølgelengden for bølger som har farten 1,6 m/s og λ Vurderingseksemplar frekvensen 0,85 Hz. c Bølger kommer inn med 4,5 sekunders mellomrom mot en strand.

Avstanden mellom bølgene er 12 m. Finn bølgefarten.

Mekaniske bølger og elektromagnetiske bølger

Du lurer kanskje på om det finnes bølger som kan bevege seg i vakuum, altså uten et medium? Svaret er ja! Elektromagnetiske bølger trenger ikke noe medium, de er ikke-mekaniske bølger. Det elektromagnetiske spektret inneholder bølger med mange ulike bølgelengder og består av både synlig og usynlig stråling.

Det elektromagnetiske spektret viser hvordan vi har kategorisert forskjellig elektromagnetisk stråling ut fra bølgelengden. Strålingen strekker seg fra gammastråling via røntgenstråling og ultrafiolette stråler til synlig lys, og videre til infrarød stråling og radiobølger.

Lys oppfører seg ikke alltid som en bølge, men har egenskaper som både bølger og partikler. I noen forsøk oppfører elektromagnetisk stråling seg som partikler, mens andre forsøk tyder på at elektromagnetisk stråling er bølger. Vi har altså to modeller for å beskrive elektromagnetisk stråling: bølgemodellen og partikkelmodellen. I Fysikk 1 skal vi konsentrere oss om bølgemodellen. I Fysikk 2 skal du lære mer om hva denne modellen innebærer og også bli kjent med partikkelmodellen. Vurderingseksemplar

VIKTIG!

Elektromagnetisk stråling

Det finnes to modeller for elektromagnetisk stråling: partikkelmodellen og bølgemodellen.

Elektromagnetisk stråling har partikkelegenskaper i noen eksperimenter og bølgeegenskaper i andre eksperimenter.

Lysfarten

Allerede på 1500-tallet prøvde Galileo Galilei å måle lysfarten. Etter mange forsøk måtte han gi opp. Lysfarten var større enn han klarte å måle.

I dag vet vi at lysfarten er omtrent 300 000 km/s i vakuum. På ett sekund tilbakelegger lyset en strekning som er 170 ganger lengden av Norge! Dette er ikke bare en enorm fart, det er den høyeste farten noe kan bevege seg gjennom universet med. Det er en absolutt og universell fartsgrense!

Siden lysfarten er konstant og universell uansett hvordan du måler den, har den fått sitt eget symbol, c.

VIKTIG! Det var den danske astronomen Ole Rømer (1644–1710) som først målte lysfarten. På Aunivers.no kan du lese mer om hvordan han klarte dette. Lysfarten For elektromagnetiske bølger i vakuum er bølgefarten konstant lik c = 299 792 458 m/s ≈ 3,00 ⋅ 108 m/s Bølgeformelen for lys blir da c f λλ== 6.4 Sadia sykler 2,0 km på 6,0 minutter. Hvor lang tid bruker lyset på samme strekning? 6.5 Regn ut frekvensen til den elektromagnetiske strålingen som har bølgelengde Vurderingseksemplar lik a 401 nm b 56 μm c 290 pm d 1 cm e høyden din 6.6 Hvilke typer elektromagnetisk stråling er stråling med de bølgelengdene som er oppgitt i oppgave 6.5?