SPEKTRUM FYSIK ingår i en serie naturvetenskapliga böcker för grundskolans årskurs 7-9. I serien finns även Spektrum Biologi och Spektrum Kemi. I den här fjärde upplagan hittar du: • • • • • • • •
SPEKTRUM
Centralt innehåll i linje med Lgr 11 Kapitelingresser som lyfter fram kursplanens förmågor Målbeskrivningar Perspektiv som uppmuntrar till värdering och ställningstagande Testa dig själv-frågor med begreppsträning Faktarutor med olika teman Sammanfattningar till varje kapitel Finaler som ger träning inför ämnesproven
FYSIK
I varje ämne finns en Grundbok, en Lightbok och en lärarhandledning. Ligthboken är parallell med grundboken och kan användas av elever som vill ha en lättare kurs med mindre textmängd. Böckerna finns även som Onlineböcker.
FYSIK
Best.nr 47-08596-5 Tryck.nr 47-08596-5
Lennart Undvall Anders Karlsson
Omslag-Fysik_Grundbok-Spektrum.indd 1
2013-04-30 07.43
FYSIK GRUNDBOK
Lennart Undvall Anders Karlsson
LIBER
001-005 Fysik Framvagn.indd 1
2013-04-30 08.51
ISBN 978-91-47-08596-5 © 2013 Lennart Undvall, Anders Karlsson och Liber AB Redaktion: Conny Welén Formgivare: Lotta Rennéus, Patrik Sundström Bildredaktör: Mikael Myrnerts, Mattias Josefsson Teckningar: Typoform, Anders Nyberg sid 47, 67, 179, 183, 186, 189, 198, 324. Produktion: Adam Dahl Fjärde upplagan 1 Repro: Repro 8 AB, Stockholm Tryck: Kina 2013
KO P I E R I N G S FÖ R B U D Detta verk är skyddat av upphovsrättslagen. Kopiering, utöver lärares och elevers rätt att kopiera för undervisningsbruk enligt BONUS-avtal, är förbjuden. BONUS-avtal tecknas mellan upphovsrättsorganisationer och huvudman för utbildningsanordnare, t.ex. kommuner och universitet. Intrång i upphovsmannens rättigheter enligt upphovsrättslagen kan medföra straff (böter eller fängelse), skadestånd och beslag/förstöring av olovligt framställt material. Såväl analog som digital kopiering regleras i BONUS-avtalet. Läs mer på www.bonuspresskopia.se.
Liber AB, 113 98 Stockholm Tfn 08-690 92 00 www.liber.se kundservice tfn 08-690 93 30, fax 08-690 93 01 e-post: kundservice.liber@liber.se
001-005 Fysik Framvagn.indd 2
2013-05-02 09.30
Bildförteckning 2004 LuABB 245 Adlercreutz, Rolf/Scanpix 316 (2) Ahlin, Ewa/Johner/Getty Images 173 Aj Photo/Science Photo Library/IBL 213 (2) Allatka 233 Allen, Steve/Brand X/Getty Images Andersson, Staffan/IBL 296 (1) Andersson, Torbjörn/Scanpix 141 (1) APL/Nordic Photos 188 (1) Arbetsmiljöverket 75 (1) Arenius, Olof ”Anders Celsius” Oljemålning 106 (1) Armstrong Roberts, H./ClassicStock/Corbis/ Scanpix 152 (2) Artmann, Edite/IBL 241 Atkinson; David/Jetta Productions/Tetra Images/Getty Images 76 Bally, Gaetan/Keystone/Scanpix 153 (1), 273 (1) Bartee, Rob/Index Stock/Scanpix 277 Belmonte/BSIP 285 (1) Bennhage, Stefan/Scanpix 198 Berge, Elin/Scanpix 48 Bjørholt, Nils-Erik/ Scanpix Norway 93 Bobrovsky, Martin/IBL 200 (1) Bonnierarkivet/Scanpix 168 Bridgeman Art Library/IBL 86 Broze, Pascal/Reporter/Scanpix 188 (2) BSIP/Universal Images Group/Getty Images 145, 148 Callius, Anja/Bildhuset/Scanpix 58 Carlos F. Gutierrez/Patagonia Press/ Scanpix 42 Carlsson, Jan E./Scanpix 33 (1), 321 (2) CERN 272 Charity, Roger/Photonica/Getty Images 205 (1) Cherry, Camilla/Scanpix 97 Chmura, F/Tiofoto/NordicPhotos 132 (2) Clinton, Chris/Stone/Getty Images 251 (2) Coffrini, Fabrice/AFP/Scanpix 169 (2) Comstock Images/Getty Images 220 Cooper, Ashley/SpecialistStock/Scanpix 313 (2) Crackphotos/Scanpix 191 (1) Dahlin, Bo/Scanpix 311 (1) Del Guercio, Michelle/Photographer’s choice/Getty Images 141 (2) Diamond Sky Images/Photodisc/Getty Images 211 Dittrich, Rainer/IBL 155 (5) DPA/Scanpix 271 (3) Dusegard, Ola/E+/Getty Images 307 Eliasson, Pär/Scanpix 171 (1) Engberg, Leif/Scanpix 291 Erlandsson, Åke/SVT/Scanpix 190 ESA 7 (2) Flickr/Getty Images 218 Fochesato, Giorgio/Vetta/Getty Images 250 Forsberg, Jonas/Naturfotograferna/IBL 312 (2) Forsell, Stephan 44 Frei, Franz Marc/LOOK/IBL 330 6 Fstop Images/Getty Images 191 (2) Gambarini, Maurizio/DPA/Scanpix 176 (1) Gay, John/US Navy/AFP/Scanpix 79 (1) Ghiotti/Stone+/Getty Images 235 Giblin;Sheri L/Foodpix/ 41 (2) Gibson, Jim/IBL 98 Giles, John/PA Wire/Scanpix 172 Goldsmith, Lynn/Corbis/Scanpix 81 Gow, Jessica/Scanpix 182, 239 (2) Grandadam, Sylvain/IBL 106 (2) Granger Collection/Scanpix 271 (1,4) Greune, Jan/LOOK/IBL 227 (2) Grundsten, Claes/Scanpix 312 (1)
Bildförteckning.indd 350
Grönborg, Malin/Scanpix 89 Gunn, Chris/NASA 330 (9) Gustafson, Göran/Scanpix 314 Gustafsson, Jeppe/Scanpix 243 Gustavsson, Göran/Scanpix 119, 120 Gusto/Science Photo Library/IBL 43 (3), 155(2) Hallberg, Stefan/IBL 17 (2) Hammarstedt, Stig/Scanpix 62 Hanno, Johanna/Bildhuset/Scanpix 164 (3), 194 (2), 216 (1), 267 (1), 301 (4), 325 (1) Hanzén, Björn/SMHI 117 Harris, Holly/Stone/Getty Images 84 (2) Hart-Davis, Adam/Science Photo Library/ IBL 45 Hay Jones, David/IBL 308 (1) Hecker, F./IBL 273 (2) Hedberg; Bengt/Naturbild/Johner 124 Helbig, Jakob/Cultura/Getty Images 251 (1) Henriksson, Jan-erik/Scanpix 177 Hjerpe, Mikael/IBL 296 (2) Hjort, Håkan/Johner/Gettty Images 114 Hoppe, Sven/DPA/Scanpix 167 (1) Hoppe, Sven/DPA/Scanpix 181 Horn, Mark/Photonica/Getty Images 131 (1) Howard, Stephanie/Riser/Getty Images 79 (2) IBL 225 (2), 279 Idreamstock/IBL 317 Image Source/Getty Images 83 Instituto e Museo di Storia della Scienza 337 (1) Istockphoto/Getty Images 136 Jacobson, Julie/AP/Scanpix 153 (2) Janssen, Herr/Boliden 221 (2) Johner/Getty Images 261 Johnson, Broke/Queline Photography/Flickr/ Getty Images 57 Johnston, Don/IBL 149 (1) Julien, Gerard/AFP/Scanpix 294 Jupiter Images/FoodPix/Getty Images 131 (2) Jurka, Jan/Naturfotograferna/IBL 16 (1) Jönsson, Stig-Åke/Scanpix 43 (2) Karin, Dejan/Flickr/Getty Images 132 Karlsson, Anders 50 (2), 52, 88, 103, 108, 110 (1), 112 (2), 199, 205 (2), 206, 252, 315, 316 (1) Killig, Oliver/DPA/Scanpix 201 (2) Kimmel, Christopher/Flickr/Getty Images 196 Klopp von, Henrik/Scanpix 308 (2) Kohvakka, Kari/Johnér 115 Koschel, Philip/IBL 160 Kristofer Sandberg/Scanpix 12 Kyodo News/AP/Scanpix 283 (1) Lamotte, Sebastian/Scanpix 56 Lander, Michael/Nordic Photos/Getty Images 156 Landerberg, Mats/IBL 234 (1) Larrea, Javier/IBL 270 Larsson, Kjell-Arne/IBL 104 (1) Laski Diffusion/Gamma/IBL 320 Lennart Håwi/Expressen/Scanpix 289 Leschinsky, Greg/Glasshouse Images/ Johner 129 Lessing, Erich/IBL 330 (2) Liber Arkiv 104 (1), 139, 238 Lija, Torbjörn/Naturfotograferna/IBL 105 (3) Lindgren, Håkan/Scanpix 147 (1), 264 Liszt Collection/Heritage-Images/IBL 330 (3) Living Earth, Inc/Nasa 9 Lukhanina, Nataliya/Hemera/Getty Images 144 (2) Lundahl, Pontus/Scanpix 310 Löwstedt, Staffan/SvD/Scanpix 278 Macia, Rafael/Photo Researchers/IBL 335
Magnusson, Roine/Naturbild/Johnér 197 (2) Mammey, Jan/Stock4B Creative/Getty Images 112 (1) Marcus Führer/DPA/Scanpix 22 Marsh, B.W./Photo Researcher /IBL 330 (5) Mary Evans Picture Library/IBL 209 Maslennikov, André/IBL 49, 111 May, Frank/DPA/Scanpix 240 McIntyre, Deni/Will &amp/IBL 286 Mikrut, Jack/Scanpix 171 (2) Montgomery, Henrik/Scanpix 51, 169 (1) Mueller, Marc/DPA/Scanpix 178 Myhr, Steinar/NN/Samfoto/Scanpix 113 Mårtensson, Erik/Scanpix 304 Mächler, Frank/DPA/Scanpix 154 (1) Nackstrand, Jonathan/AFP/Scanpix 234 (2) Nantell, Anette/Scanpix 90 (2), 133 (2), 149 (2) Nasa 6, 15, 21, 23, 26—32, 39, 77, 157, 269(2), 287, 293, 326—329, 330 (7), 331—332, 334 (1), 338—341 Nilsson, Bengt/Scanpix 92 Nilsson, Johan/Scanpix 40, 169 (3) Nordahl, Peter/IBL 275 Nordin, B O/SCB 322 Nordström, Bengt/Saab/Scanpix 187 Norén, Lars-Ove/Megapix 110 (3) Novosti, Ria/Science Photo LIbrary/IBL 7 (1), 107 (1) Okänd fotograf 88 Olsson, Bengt Olof/Bildhuset/Scanpix 75 (2) P-M Hedén/Scanpix 19 Parker, David/Science Photo Library/IBL 130, 138 Parr, Martin/Magnum/IBL 154 (3) Pavlicek, Lubos /CTK/Scanpix 90 (1) Pelaez, Jose Luis/Iconica/Getty Images 54 Persson, Fredrik/Scanpix 147 (2), 202 Photodisc/Getty Images 87 Photoresearchers/IBL 224 Picard, Maria/Corbis/Scanpix 295 Pleul, Patrick/DPA/Scanpix 155 (3) Priest, Chris/Science Photo Library/IBL 285 (2) Print Collector/Scanpix 271 (2) Purestock/Getty Images 78 Push/Photodisc/Getty Images 59 Ragnvid, Magnus/Johner/Getty Images 164 (2), 216 (2), 248 (2), 267 (2) Rex Features/IBL 18 RIA Novosti/Scanpix 33 (2) Richards, Paul J./AFP/Scanpix 50 (1) Riser/Mother Image/Getty Images 146 Rizzo, John/Blend Images/Getty Images 41 (1) Robinson, Lisa M. /Photonica/Getty Images 105 (1) Rogers, Helene/IBL 249 Rohrschnei, Bernd/FLPA/IBL 319 Rouwkema, Jeroen 144 1 Royal Astronomy Society/Science Photo Library/IBL 336, 337(2) Royer, Rev. Ronald/Science Photo Library/ IBL 20 Rune, Klas/Naturfotograferna/IBL 17 (1) Sandford, John/Science Photo Library/ IBL 34 Sarkis, Sami/Photographer›s choice/Getty Images 215 Savenok, Ilya S./Getty Images 85 Scanpix 242 Schederin, Roger/Scanpix 167 (2), 176 (2), 281 Schuermann, Sascha/AFP/Scanpix 221 (1) Schutt, Martin/DPA/Scanpix 134 Science Photo Library/IBL 8, 140, 222, 230, 232 (1), 268, 271 (5), 283 (2), 284, 330 (4,8), 334 (2)
Science Source/Photo Researchers/IBL 330 (1) Sedmak, Joel/IBL 197 (1) Shearer, Philip/AP/Scanpix 203 (2) Shout/Rex Features/IBL 227 (1) Shutterstock omslag, 73, 91, 101, 107 (2), 133(1), 135,150, 151, 155 (4), 164 (1), 165, 194 (1,4), 195 (2,3), 200 (2), 201 (1), 203 (1), 204 (1,2), 213 (1), 216 (3), 219 (1), 226 (1), 236 , 239 (1), 248 (1,3,4), 260, 262, 263 (1,2), 267 (3), 269 (1), 288, 296 (3), 301 (1,2,5), 309, 325 (2—3), 344 (1—3) Silkeborg Museum, Danmark/Munoz-Yague/ Science Photo Library/IBL 282 Silvan, Mats/Flickr/Getty Images 61 Souders, Paul/Corbis/Scanpix 311 (2) SpaceX 184 Stadener, Sam/Scanpix 110 (2) Svendsen, Jörgen/Scanpix 171 (3) Sveriges Tekniska forsknings Institut 100 Swns/Scanpix 166 Sännås, Per-Olof/Aftonbladet/IBL 13 Sölvberg, Jens/Samfoto/Scanpix 67, 82 Taylor, Paul/Stone Sub/Getty Images 152 (1) TEPCO/Xinhua Press/Corbis/Scanpix 297 Terry, Sheila/Science Photo Library/IBL 232 (2) Thoermer, Val/Imagebroker/Getty Images 195 (1) Thomas, Mark/Science Photo Library/IBL 154 (2) Tomalty, Mark/Masterfile/Scanpix 155 (1) Topps trading card series illustrerad av Wallace Wood 1962 334 (3) Trezzini, Martial/Keystone/Scanpix 46 Troncoso, David/Nonstock/Scanpix 35 Trons/Scanpix 68, 313 (1) Tryman Kentaroo/Getty Images 99 (1) Tsiara, Alexander/Science Photo Library/ IBL 159 (1) Ugander, Peter/Naturfotograferna/IBL 16 (2) Upitis, Alvis/Photographer›s choice/Getty Images 84 (1) Valkonen, Jorma/IBL 308 (3) Vattenfall 219 (2) Visual7/Getty Images 217 Waltham, Tony/Robert Harding/Getty Images 99 (2) Warga, Jake/Corbids/Scanpix 210 (1) Warmuth, Angelika/DPA/Scanpix 74 Weber,Marcel/Cultura/Getty Images 170 Welén, Conny 210 (2) West, William/AFP/Scanpix 43 (1) Wibeck, Sören/IBL 225 (1) Wiklund, Anders/Scanpix 303 (1) Wikström, Jeppe/Johner/Getty Images 302 Wikström, Jeppe/Scanpix 292 Wilkes, Stephen/The Image Bank/Getty Images 318 Wilson, Dale/Photographer’s choice/Getty Images 265 Wingborg, Johan/Scanpix 116 Winkelmann, Bernard/Stockfood/Scanpix 69 Winters, Charles D./Photoresearchers/Getty Images 226 (2) Wolfram, Heiko/DPA/Scanpix 161 Workbook Stock/Getty Images 109 Xiaowei, Zhang/Xinhua/Eyevine/IBL 229 Xinhua News Agency/Eyevine/IBL 321 (1) Yu, Anna/Photographer’s Choice/Getty Images 194 (3), 216 (4), 267 (4), 301 (3), 325 (4), 344 (4) Zich, John/Time & Life Pictures/Getty Images 159 (2)
2013-05-02 08.46
Välkommen till Spektrum Fysik Den fjärde upplagan av Spektrum Fysik tar avstamp i Lgr 11. Kursplanens förmågor möts med nya moment, och det centrala innehållet med uppdaterat stoff och nya kapitel. I kapitelingresserna har förmågorna lyfts — dels med bilder och frågor, dels med målbeskrivningar baserade på det centrala innehåll och de förmågor som behandlas i kapitlet. De nya Perspektiven lockar till diskussion och ställningstagande. Här tränas förmågan att skilja värderingar från fakta och att utveckla ett kritiskt tänkande kring argument och källor. Faktarutor med ”Fördjupning”, ”Historia” eller ”Vetenskap i utveckling” ger intressanta utblickar och visar på mångsidigheten hos fysiken. Varje avsnitt avslutas med Testa dig själv-frågor och begreppsträning — Förklara begreppen. Begreppsträningen kan varieras från att till exempel gruppera begrepp till att föra mer avancerade resonemang. Varje kapitel avslutas med en Sammanfattning följd av Finalen med kapitelövergripande uppgifter i ämnesprovens anda. En bra möjlighet att testa kunskaperna och få träning inför de nationella ämnesproven. I enlighet med Lgr 11 har den fjärde upplagan av Spektrum Fysik lagt mer fokus på att visa hur kunskaper i fysik har stor betydelse för samhällsutvecklingen inom till exempel energiförsörjning och medicinsk behandling. Med kunskaper i fysik får människor bättre förutsättningar att kritiskt granska andras argument och påståenden i sammanhang där kunskaper i fysik har betydelse, till exempel i frågor om radioaktivitet eller strålning från mobiltelefoner. Energibegreppet löper som en röd tråd igenom boken och sammanfattas till sist i kapitel 11 — Energiförsörjning. Författare till Spektrum Kemi är Lennart Undvall och Anders Karlsson. Lennart Undvall är en erfaren grundskolelärare och läromedelsförfattare. Han har fått Ingvar Lindqvist-priset för sin pedagogiska kompetens och sitt starka engagemang inom det naturvetenskapliga området. Anders Karlsson är fysiker, lärarutbildad och har arbetat som redaktör på Bonnier Lexikon samt Forskning & Framsteg. Spektrum Fysik finns i två versioner — en Grundbok och en Lightbok. Ligthboken är parallell med Grundboken och kan användas av elever som vill ha en lättare kurs med mindre textmängd. Böckerna finns även som Onlineböcker.
3
001-005 Fysik Framvagn.indd 3
2013-04-30 08.51
Innehåll 1
Solsystemet 6 1.1 Jorden — vår planet 8 1.2 Månen — vår närmaste granne 13 1.3 Vårt solsystem 22
3
PERSPEKTIV Är det viktigt att resa till planeten Mars? 28
3.1 Vad är ljud? 76 3.2 Toner och musik 82
Sammanfattning 36
3.3 Ljud — på gott och ont 87
Finalen 38 2
PERSPEKTIV Är hörlurar i trafiken en dödsfara? 93
Elektricitet 40
Sammanfattning 94
2.1 Elektrisk laddning 42
Finalen 95
2.2 Spänning och ström 48 PERSPEKTIV Mer och mer elavfall 54
Ljud 74
4
Värme och väder 98
2.3 Elektriska kretsar 56
4.1 Massa, volym och densitet 100
2.4 Strömmen möter motstånd 61
4.2 Värme påverkar densiteten 103
2.5 Tänk på elsäkerheten 64
4.3 Värme sprids på tre olika sätt 109
2.6 Elektrisk energi 69
4.4 Väder och vind 115 PERSPEKTIV Förändras vårt klimat? 120
Sammanfattning 70 4.5 Värmeenergi 125
Finalen 72
Sammanfattning 126 Finalen 128 5
Ljus 130 5.1 Ljusets utbredning och reflektion 132 5.2 Ljusets brytning 138 5.3 Optiska instrument 144 5.4 Ljus och färg 149 PERSPEKTIV Optiska fibrer till alla 152 5.5 Strålningsenergi och kemisk energi 161 Sammanfattning 162 Finalen 164
001-005 Fysik Framvagn.indd 4
2013-04-30 08.51
6
Rörelse och kraft 166
10
Atom- och kärnfysik 268
6.1 Rörelse 168
10.1 En vetenskaplig revolution 270
6.2 Krafter skapar rörelser 172
10.2 Atomens inre 273
6.3 Fritt fall och satellitbanor 182
10.3 Radioaktiva ämnen 279
6.4 Tröghet och tvättmaskiner 186
10.4 Kärnenergi 288
PERSPEKTIV Säkrare i trafiken 190 PERSPEKTIV Kärnenergi — fördelar och nackdelar 296
Sammanfattning 192 Finalen 194 7
Sammanfattning 298
Tryck 196 7.1 Tryck på fasta material 198 7.2 Tryck i vätskor 203
Finalen 300 11
Vår energiförsörjning 302
7.3 Tryck i gaser 208
11.1 De olika energiformerna 304
PERSPEKTIV Trycket i kroppen 213
11.2 Förnybar energi är framtiden 310
Sammanfattning 215
Elektricitet och magnetism 218
PERSPEKTIV Kan vi nå en hållbar energiförsörjning till år 2050? 317
8.1 Spänning, ström och resistans 220
11.3 Icke förnybara energikällor 318
8.2 Magnetism 225
Sammanfattning 323
8.3 Elektromagneter 230
Finalen 324
Finalen 216 8
PERSPEKTIV Kan elektricitet göra oss sjuka? 234 8.4 Elmotorn och elgeneratorn 236 8.5 Transformatorn — så fungerar den 242 Sammanfattning 246 Finalen 248 9
12
Universum 326 12.1 Stjärnor och galaxer 328 PERSPEKTIV Är vi ensamma i universum? 334 12.2 Universums utveckling 336
Energi och effekt 250
Sammanfattning 343
9.1 Fysikaliskt arbete 252
Finalen 344
9.2 Mekanisk energi och effekt 257 9.3 Elektrisk energi och effekt 261
Tabeller 346 Register 348
PERSPEKTIV Hur påverkar elbörsen miljön? 265 Sammanfattning 266 Finalen 267
001-005 Fysik Framvagn.indd 5
Alla avsnitt som är markerade med en solsymbol beskriver olika energiformer. Kapitel 11 sammanfattar sedan energiformerna och visar exempel på energiomvandlingar.
2013-04-30 08.51
När vi surfar på internet använder vi fiberoptiska kablar. Det är kunskaper om ljusets egenskaper som har gjort det möjligt.
5.
LJUS Driver våra elektroniska motorvägar Solens strålar har märkliga egenskaper. De syns inte, men ändå lyser de upp och sätter färg på vår tillvaro. Solens UV-strålning kan vi inte heller se direkt, men ändå ger den oss bruna ben på stranden. Idag har vi lärt oss att skicka information med hjälp av ljus, snabbare än någonsin tidigare. Ledningar av glas håller på att ersätta våra teleledningar av koppar. Vi kan också skapa ljus som inte förekommer naturligt, nämligen laser. Med laser kan vi till exempel mäta avstånd och operera närsynthet.
130-165 Kap 5 ny.indd 130
2013-04-30 11.47
Känner du igen fenomenet? Solen lyser igenom ett glasföremål och regnbågens alla färger bildas. Har du något glasföremål hemma som detta fungerar med? Fungerar det även med en lampa som ljuskälla?
Är det farligt att värma mat i mikrovågsugn? En del tror det. Men har man kunskaper i fysik vet man vilken strålning som är farlig och vilken som är ofarlig.
HÄR FÅR DU LÄRA DIG
INNEHÅLL
•
5.1 Ljusets utbredning och reflektion
hur kunskapen om ljusets natur utvecklats till att vi idag uppfattar ljus som både en stråle av partiklar och en vågrörelse
•
hur ljus reflekteras i olika slags speglar och hur ljus bryts i till exempel glas och vatten
•
hur historiska och nya upptäckter inom optiken lett till ny teknik samt hur det förändrat våra levnadsvillkor
•
att vitt ljus kan delas upp i ett spektrum av färger och hur ögat uppfattar färger
•
att synligt ljus är en del av ett spektrum med elektromagnetiska vågor, där endast våglängden skiljer dem åt
•
varför en viss typ av elektromagnetisk strålning är farlig och en annan helt ofarlig
•
resonera och argumentera kring hur den ökade digitaliseringen påverkar samhället och våra levnadsvillkor idag och i framtiden
•
beskriva och förklara hur människans aktiviteter påverkat jordens ozonskikt
•
att strålningsenergi är en av flera energiformer
5.2 Ljusets brytning 5.3 Optiska instrument 5.4 Ljus och färg PERSPEKTIV Optiska fibrer till alla 5.5 Strålningsenergi och kemisk energi
131
130-165 Kap 5 ny.indd 131
2013-04-30 11.47
5. LJUS
5.1
Förr trodde man att ögonen sände ut osynliga ljusstrålar. Det var därför det blev mörkt när man blundade. Idag vet vi att det behövs en ljuskälla för att vi ska se något.
Ljusets utbredning och reflektion I vårt språk använder vi uttryck som ”kasta en blick på...” eller ”hennes onda blick...”. Förr var det här ett vanligt sätt att tänka. Fram till 1500-talet trodde man att ögonen var en slags ljuskälla. På samma sätt som elden sänder ljus trodde man att ögonen sände ut osynliga ”synstrålar” och att det var därför som man såg föremål. Och just därför såg man inget när man blundade. Nu vet vi att det inte går till på det viset.
Så tänker vi idag Tänk dig att du befinner dig i ett rum som är helt svart. Du kan inte se någonting omkring dig. Men när du tänder ett stearinljus ser du plötsligt detaljer i rummet. Hur går det egentligen till när vi ser saker? För att vi ska kunna se måste det finnas en ljuskälla som till exempel ett stearinljus som brinner. Den brinnande lågan sänder ut ljusstrålar i alla riktningar. Strålarna träffar möbler, lampor och andra saker i rummet. En del av strålarna träffar till exempel klockan på väggen. När ljusstrålarna träffar klockan studsar ljuset åt alla möjliga håll. Vi säger att ljuset reflekteras. En del av det reflekterade ljuset når våra ögon. Inne i ögat, på näthinnan, uppstår en bild av klockan. Bilden bearbetas av hjärnan, vilket gör att vi ser klockan. På samma sätt ser vi hus, träd, bilar och tusentals andra detaljer när vi är utomhus. Men då är det solen som är ljuskällan, även om det är molnigt. Solens strålar reflekteras i allt vi ser.
Stearinljuset är en gammal ljuskälla som används än idag.
132
130-165 Kap 5 ny.indd 132
2013-04-30 11.47
Om man torkar bort skummet kan det vara svårt att se glasrutan.
Ämnen som är svåra att se Det finns ämnen som är omöjliga att se, till exempel luft. Anledningen till att vi inte kan se luft, är att luften inte reflekterar något ljus. Andra ämnen, som glas och vatten, kan ibland vara svåra att se trots att de faktiskt reflekterar ljus. Men en ren glasruta reflekterar bara en liten del av det ljus som träffar glaset. Det gör att ögat kan ha svårt att uppfatta glasrutan. När ett fönster börjar bli smutsigt ser vi glaset tydligare. Men då är det smutspartiklarna, snarare än själva glaset, som reflekterar ljuset. Så bildas skuggor På grund av att ljuset rör sig rakt fram, rätlinjigt, bildas skuggor som ibland kan vara skarpa. Men ibland blir skuggorna suddiga. Det inträffar när det är molnigt eftersom molnen då får strålarna att ändra riktning. De ljusstrålar som når marken kommer därför från alla möjliga håll. Även en lampa kan ge suddiga skuggor. Det gör den om lampan har så kallat matt glas. Strålarna sprids då i alla möjliga riktningar i rummet. På så sätt skapas ljus som ger mjuka skuggor. Om lampan däremot har klart glas så blir skuggorna skarpa.
Ljuset från solen rör sig rätlinjigt och därför skapas skarpa skuggor.
133
130-165 Kap 5 ny.indd 133
2013-04-30 11.47
5. LJUS
I en plan spegel blir spegelbilden lika stor som föremålet, men spegelvänd.
i = infallsvinkel
r = reflektionsvinkel
i
r
normal
Infalls- och reflektionsvinkeln är lika stora.
Ögat ser en bild som tycks finnas bakom spegeln. Spegelbilden finns lika långt bakom spegeln som föremålet finns framför.
Infallsvinkel och reflektionsvinkel När ljus träffar en oregelbunden yta så reflekteras ljuset åt alla möjliga håll. Men när ljus träffar en plan och blank yta, exempelvis en spegel, studsar det ut från spegeln precis lika snett eller rakt som det träffade. Låt oss titta på en enda ljusstråle som träffar en spegel. I den punkt strålen träffar spegeln ritar vi en vinkelrät linje mot spegeln. Linjen kallas för normal. Den vinkel som bildas mellan den infallande ljusstrålen och normalen kallas för infallsvinkel. Den vinkel som bildas mellan den reflekterade strålen och normalen kallas för reflektionsvinkel. Ljusstrålen reflekteras alltid på ett sådant sätt att reflektionsvinkeln är lika stor som infallsvinkeln. Samma princip gäller när du slår en innebandyboll mot sargen eller en biljardkula mot vallen. Plana speglar Om du står framför en plan spegel, ser du en bild av dig själv. Bilden är lika stor som du är i verkligheten och tycks finnas bakom spegeln, på samma avstånd som mellan dig och spegeln. Men spegelbilden är inte helt riktig. Höger och vänster har bytt plats. Bilden av verkligheten är spegelvänd. Hur uppkommer då bilden? För att förklara det tar vi hjälp av ett stearinljus som vi placerar framför spegeln. Ljuset sänder ut strålar i alla riktningar. De strålar som träffar spegeln reflekteras. Om vi till exempel tittar på de reflekterade strålarna från lågans spets och förlänger dem bakom spegeln, skär de varandra i en punkt. I den punkten ser vårt öga en bild av lågans spets. På så sätt luras vi att tro att det finns ett ljus bakom spegeln.
134
130-165 Kap 5 ny.indd 134
2013-04-30 11.47
5. L J US
Buktiga speglar Alla speglar är inte plana. En del buktar åt något håll. Om spegeln buktar inåt, kallas den för en konkav spegel. Om den buktar utåt är spegeln konvex. För att komma ihåg vilken spegel som är vilken, kan du tänka dig en kupad hand. På den konvexa sidan växer det hår. Handflatan är den konkava sidan. Brännpunkt Ljusstrålar som har samma avstånd från varandra hela tiden kallas för parallella ljusstrålar. När de träffar en konkav spegel reflekteras strålarna och skär varandra i en punkt framför spegeln. Punkten kallas för brännpunkt eller fokus. En konvex spegel har sin brännpunkt bakom spegeln. Konvexa speglar sprider inkommande ljusstrålar. Om strålarna som träffar spegeln är parallella, reflekteras de så att de ser ut att komma från brännpunkten bakom spegeln. Alla buktiga speglar har en brännpunkt. Avståndet från brännpunkten till spegeln kallar vi för brännvidd. Hur man använder konkava speglar Om vi låter ljus från solen träffa en konkav spegel så blir det mycket varmt i spegelns brännpunkt. Det kan vi utnyttja i en solugn. Om vi placerar en kastrull med vatten i brännpunkten kan vi få vattnet att börja koka. På hustak kan du se ett annat exempel på ett slags konkava speglar – parabolantenner. När det gäller radio- och TV-signaler behöver ytan inte vara blank. Signalerna från en satellit reflekteras utmärkt ändå. I antennens brännpunkt sitter själva mottagaren av signalerna.
konkav spegel
F
F = Brännpunkt, fokus
konvex spegel
F
= Brännpunkt, fokus
En konkav spegel samlar ljus, medan en konvex spegel sprider ljus.
En parabolantenn är konkav och samlar inkommande signaler i en mottagare, som sitter i antennens brännpunkt.
135 13
130-165 Kap 5 ny.indd 135
2013-05-02 09.39
5. LJUS
I en bilstrålkastare är lampan placerad i spegelns brännpunkt. De strålar som lämnar strålkastaren är parallella. Lägg märke till det som sitter framför lampan. Anordningen hindrar de strålar som inte reflekteras i spegeln att lämna strålkastaren.
Så fungerar en strålkastare Både i en solugn och i en parabolantenn utnyttjar vi det faktum att parallella strålar, som träffar en konkav spegel, reflekteras och möts i brännpunkten. I många lampor gör vi det motsatta. Istället för att samla strålarna i brännpunkten sänder vi ut strålarna därifrån. Genom att placera en lampa i en konkav spegels brännpunkt får vi till exempel en bra strålkastare. De strålar som träffar spegeln reflekteras så att de blir parallella. På så sätt sprids inte ljuset åt alla håll från strålkastaren. Vi får ett riktat och bra ljus, vilket är nödvändigt från till exempel en bilstrålkastare. Bilden i buktiga speglar Om du speglar dig i en konkav spegel blir bilden förstorad, om du håller spegeln nära ansiktet. Men om du håller spegeln en bit bort, ser du en upp och nervänd spegelbild av ditt ansikte. Dessutom är bilden mindre än i verkligheten. Konkava speglar används i speglar där man vill ha en förstorad bild av sitt ansikte. Det blir då lättare att sminka eller raka sig. Om du speglar dig i en konvex spegel blir bilden alltid förminskad. Konvexa speglar finns till exempel i gatukorsningar med dålig sikt och i backspeglar till bilar. Genom att bilden blir förminskad syns en betydligt större del av korsningen eller vägen bakom bilen jämfört med om man använder en plan spegel.
Den konvexa spegeln gör att du ser mer av gatukorsningen än vad du skulle gjort i en plan spegel.
136
130-165 Kap 5 ny.indd 136
2013-04-30 11.47
5. L J US
FÖRDJUPNING HUR BILDEN UPPKOMMER I BUKTIGA SPEGLAR
konvex spegel
Varför blir bilden förstorad eller förminskad i buktiga speglar? Vi kan visa det med hjälp av till exempel ett stearinljus. Från spetsen av ljuslågan går det ut strålar i alla riktningar. Vi ritar ut två av dessa strålar. De reflekteras i spegeln så att infallsvinkel och reflektionsvinkel blir lika stora. Om vi förlänger de reflekterade strålarna bakåt så skär de varandra. Där finns bilden av ljuslågans spets. Som du ser blir bilden i den konvexa spegeln förminskad, medan den blir förstorad i den konkava spegeln. I båda fallen ser det ut som om bilden finns bakom spegeln.
konkav spegel
TESTA DIG SJÄLV 5.1 FÖRKLARA BEGREPPEN • ljuskälla • reflektera • normal • infallsvinkel • reflektionsvinkel • konvex spegel • konkav spegel • brännpunkt • brännvidd
1.
Vilken hastighet har ljus i luft?
8.
2.
Blir bilden förstorad, förminskad eller oförändrad om du speglar dig i en a) plan spegel b) konvex spegel c) konkav spegel på nära håll
3.
F
b) Rita av bilden och rita strålarnas fortsatta väg. c) Hur lång är spegelns brännvidd?
9.
Bilden föreställer en bilstrålkastare. a) Var är lampan placerad? b) Rita av bilden, rita ut några strålar och hur de reflekteras.
Ge exempel på hur man kan ha nytta av a) konkava speglar b) konvexa speglar
4.
Rita en bild som visar vad som händer när en ljusstråle träffar en plan spegel.
5.
Förr i tiden trodde man att man såg föremål för att det sändes ut osynliga synstrålar från ögonen. Idag vet vi att det inte är så. Förklara varför du kan se föremål runt omkring dig.
6.
Vatten är ett genomskinligt ämne. Varför kan vi ändå se vatten?
7.
a) Vad för slags spegel är det här? b) Rita av bilden och rita strålarnas fortsatta väg. c) Hur lång är spegelns brännvidd?
a) Vad för slags spegel är det här?
F
10.
Ett ljus står framför en plan spegel enligt bilden. Rita strålgången och den spegelbild som uppkommer.
11.
Rita av bilderna. Rita strålarnas fortsatta väg. a)
b)
#
137
130-165 Kap 5 ny.indd 137
2013-04-30 11.48
5. LJUS
5.2
Ljusets brytning Vi anvä använder internet mer och mer. För att allt ska fungera finns kablar av glas nedgrävda i marken och på havets bo botten. För att informationen i till exempel ett fotografi in inte ska försvinna när det skickas över internet måste signalerna förstärkas. Nu jobbar forskarna, bland annat på Tekniska högskolan i Stockholm (KTH) med att uppfinna framtidens kablar. De försöker förfina glaset i kablarna så att kablarna kan böjas mer utan att ljus läcker ut och så att ljussignalerna kan färdas längre sträckor innan de behöver förstärkas. Men hur kommer det sig egentligen att ljus kan färdas inuti glastrådar? För att förklara det måste vi lära oss lite om hur ljuset bryts.
Ljus kan färdas i kablar av glas — optiska fibrer.
i = infallsvinkel
r = reflektionsvinkel
r
i luft vatten
b
b = brytningsvinkel
normal
Ljuset strålar bryts i en vattenyta Ljusets Ljus ändrar ändra riktning när det passerar en vattenyta. Det beror på att ljus har lägre läg hastighet i vatten än i luft. Hastigheten i luft är 300 000 km/s, men den är bara 225 000 km/s i vatten. Att ljusets hastighet är lägre i vatten beror på att vatten har högre densitet än luft. Man brukar säga att vatten är ett tätare ämne än luft. Ju tätare ett ämne är, desto lägre är ljusets hastighet. Den vinkel som bildas mellan den infallande strålen och normalen kallas för infallsvinkel. Den vinkel, som bildas mellan normalen och ljusstrålen i vattnet, kallas för brytningsvinkel. När en ljusstråle går från luft till vatten, bryts den mot normalen. Brytningsvinkeln blir då mindre än infallsvinkeln. En ljusstråle som istället går från vatten till luft bryts från normalen. Brytningsvinkeln blir då större än infallsvinkeln. Det är alltid så att ljusets strålar bryts mot normalen när det går in i ett tätare ämne. När ljus går in i ett tunnare ämne bryts strålarna från normalen.
När ljus träffar en vattenyta så reflekteras en del av ljuset. Annars skulle vi inte kunna se vattnet. Resten av ljuset fortsätter in i vattnet, men i en annan riktning. Ljusstrålen bryts mot normalen.
138
130-165 Kap 5 ny.indd 138
2013-04-30 11.48
5. L J US
Det avbrutna repet Säkert har du stått på stranden med vatten upp till knäna och tittat ner på dina fötter. Kanske har du då sett att benen tycks vara för korta och att fötterna ser konstiga ut. Ett rep till ett ankare, som ligger på sjöns botten, ser också konstigt ut. Repet ser ut att vara av vid vattenytan. När ljuset går från vatten till luft bryts det från normalen. Men ögat tror att ljuset går rakt fram och vi blir lurade. Benen i vattnet ser därför för korta ut och repet ser ut att vara av. Totalreflektion Vi fortsätter att undersöka ljus som går från vatten till luft. Vi kommer då att stöta på ännu ett intressant fenomen. Ju större infallsvinkeln är, desto större är också brytningsvinkeln. När infallsvinkeln är 49° så blir brytningsvinkeln så stor som den kan bli, 90°. När infallsvinkeln är större än 49° kommer inget ljus att fortsätta upp i luften. Allt ljus reflekteras ner i vattnet. Fenomenet kallas totalreflektion.
Ljus på väg från vatten till luft bryts från normalen. Eftersom ögat tror att ljuset färdas rakt fram blir vi lurade. Repet till ankaret verkar vara av vid vattenytan.
När infallsvinkeln blir större än 49° reflekteras allt ljus tillbaka ner i vattnet. Fenomenet kallas totalreflektion.
Ljus i glas Glas är ett tätare ämne än både luft och vatten. Ljusets hastighet i glas är därför lägre – omkring 200 000 km/s. För att se vad som händer när ljus passerar från glas tillbaka till luften, låter vi en ljusstråle träffa ett tresidigt prisma. När ljusstrålen går in i prismat, bryts den mot normalen. Sedan när ljusstrålen går ut i luften igen, bryts den från normalen. På sin väg genom glasprismat ändrar alltså ljusstrålen riktning två gånger. När en ljusstråle träffar en glasruta ändrar den också riktning två gånger. Först bryts ljusstrålen mot normalen och sedan lika mycket från normalen. Det gör att ljuset har samma riktning efter att det passerat glaset som före. Det enda som hänt är att strålen har förflyttats en aning parallellt.
luft
glas
Ljus på väg in i ett prisma av glas bryts mot normalen. Ljus på väg ut ur prismat bryts från normalen.
139
130-165 Kap 5 ny.indd 139
2013-04-30 11.48
5. LJUS
Ljusstrålarna går först rakt fram in i prismat utan att brytas. När ljusstrålarna sedan ska färdas ut ur prismat är infallsvinkeln 45°. Det gör att det uppstår en totalreflektion. Efter den andra totalreflektionen lämnar strålarna prismat.
Totalreflektion i glas Även när ljus går från glas till luft kan det bli totalreflektion. Det sker när infallsvinkeln överstiger 45°. Med hjälp av ett tresidigt glasprisma kan vi därför få ljusstrålar att vända tillbaka åt samma håll varifrån de kom. Men för det krävs att basytan är en rätvinklig triangel. Vi ser också att strålarna byter plats när de kommer ut från prismat. Den stråle som var överst är nu underst och tvärtom. På så sätt kan man med hjälp av ett prisma vända en uppoch nervänd bild så att den blir rättvänd. Prismor används därför i vanliga kikare för att ge rättvända bilder. Fiberoptik I så kallad fiberoptik utnyttjas egenskapen att ljus kan totalreflekteras. Ordet optik kommer från grekiskans optiko´s och betyder ungefär ”som hör till synen”. Optiska fibrer är tunna trådar av glas som används till att skicka ljussignaler genom. Ljuset totalreflekteras hela tiden mot glasytan och stannar därför kvar i tråden. Ljuset så att säga studsar fram och tillbaka inne i glaset på sin färd genom fibern tills det kommer ut på andra sidan.
I en optisk fiber studsar ljuset fram på grund av totalreflektion.
140
130-165 Kap 5 ny.indd 140
2013-04-30 11.48
5. L J US
Fiberoptiska kablar Innan fiberoptiken fanns skickades alla telefonsamtal, faxmeddelanden och elektroniska brev med hjälp av elektriska signaler i kopparledningar. Nu kan vi istället skicka all denna information med hjälp av ljussignaler i fiberoptiska kablar, vilket går väsentligt snabbare. I ena änden av fibern sitter det en sändare som omvandlar de elektriska signalerna till ljussignaler. I andra änden av fibern sitter det en mottagare som omvandlar ljussignalerna till elektriska signaler igen. Optiska fibrer har många fördelar framför kopparledningar. En av dem är att optiska fibrer kan överföra mycket mer information per sekund än vad kopparledningar kan. Det går därför åt färre kablar. De är också lättare att placera ut, kan skicka information längre sträckor utan förstärkning, är omöjliga att avlyssna samt är miljötåliga. Det är med de optiska fibrerna vi bygger våra elektroniska motorvägar. Höghastighetsinternet Utvecklingen går snabbt och idag har många hushåll höghastighetsuppkoppling via optisk fiber ända in i bostaden. I många hushåll har man slutat använda vanliga telefoner som är kopplade till gamla kopparledningarna. Istället använder man endast mobiltelefoner eller telefoner som helt och hållet använder sig av internet. Allt fler hushåll har idag möjlighet att använda nya tjänster via internet. Förutom snabbare uppkoppling mot internet kan vi med nya tjänster till exempel bestämma exakt när vi vill se olika TV-program, hyra programvara eller filmer, ringa med bildtelefon eller sända egna TV-program.
Idag har mycket av datatrafiken i de gamla kopparledningarna flyttats över till optiska fibrer — datatrafikens motorvägar.
Gastroskopi På sjukhus används optiska fibrer i flera sammanhang, till exempel i så kallade gastroskop. De används bland annat när läkarna vill titta ner i magsäcken hos en patient, så kallad gastroskopi. Efter lokalbedövning får patienten svälja en slang som innehåller optiska fibrer. En del av dem lyser upp magsäcken, medan andra fungerar som filmkameror. På en TV-skärm ser läkaren hur det ser ut i magen. Läkaren förbereder en gastroskopi.
141
130-165 Kap 5 ny.indd 141
2013-04-30 11.48
5. LJUS
Konvex lins
F
F = Brännpunkt, fokus
Konkav lins
F
F = Brännpunkt, fokus
En konvex lins samlar inkommande ljus, medan en konkav lins sprider ljuset. Ljuset bryts två gånger när det passerar genom linsen. För enkelhetens skull ritar vi endast en brytning i linsen.
brännpunkt
brännpunkt
F
Konvexa och konkava linser Linser används till exempel i glasögon, kameror, kikare och mikroskop. En lins är tillverkad av glas eller plast och kan vara konvex eller konkav. En konvex lins är tjockast på mitten, medan en konkav lins är tunnast på mitten. En lins har två brännpunkter, en på vardera sidan om linsen. Avståndet från linsens mittpunkt till brännpunkten kallas brännvidd. En konvex lins kallas också samlingslins, eftersom den samlar ihop inkommande strålar. Parallella strålar som passerar genom en konvex lins bryts och skär varandra i brännpunkten. Ytterligare ett namn på en konvex lins är positiv lins. Om det till exempel står +12 på kanten av en lins, så är det en konvex lins med brännvidden 12 cm. Konkava linser kallas även för spridningslinser eller negativa linser. Parallella strålar som passerar genom en konkav lins sprids. En lins som är märkt med beteckningen –10, är en konkav lins med brännvidden 10 cm.
Bilder med konvexa linser Vi placerar ett ljus framför en konvex lins. Bakom linsen placerar vi en vit skärm. Om vi håller skärmen på ett visst avstånd från linsen, kan vi på skärmen se en bild av ljuset. Men bilden är upp- och nervänd. En bild, som vi på det här sättet kan fånga upp på en skärm, kallas för en verklig bild. Om bilden blir förstorad eller förminskad beror på hur nära linsen som ljuset är. Ju närmare linsen är, desto större blir bilden. Om den konvexa linsen kommer så nära att ljuset hamnar innanför brännpunkten, syns ingen bild på skärmen. Däremot kan vi se en bild av ljuset, om vi tittar genom linsen. Vi ser då en bild som är förstorad och rättvänd. En sådan här bild, som brännpunkt inte kan fångas upp på en skärm, kallas skenbild. Linsen fungerar i det här fallet som ett förstoringsglas, en lupp. brännpunkt
142
130-165 Kap 5 ny.indd 142
2013-04-30 11.48
5. L J US
Bilder med konkava linser Om vi upprepar försöket med en konkav lins blir resultatet helt annorlunda. Vi kan då inte fånga någon verklig bild på skärmen. En konkav lins kan nämligen inte ge någon verklig bild utan bara en skenbild. Skenbilden ser vi genom att titta på ljuset genom linsen. Skenbilden är en förminskad och rättvänd bild av ljuset. Det är kunskapen om hur linser skapar bilder som gjort att vi kan konstruera kikare och mikroskop.
TESTA DIG SJÄLV 5.2 FÖRKLARA BEGREPPEN • ljusets brytning • tätare ämne • optisk fiber • konvex lins • konkav lins • verklig bild • skenbild
1.
Rita en bild som visar vad som händer när en ljusstråle går från luft och vidare ner i vatten.
2.
Varför ändrar en ljusstråle riktning när den går till exempel från luft till glas?
3.
Vilka av linserna nedan är konvexa?
7.
Hur fungerar optiska fibrer?
8.
a) Vad för slags lins är det här? b) Hur lång är brännvidden? c) Rita av bilden och rita strålarnas fortsatta väg.
F
A
4.
B
C
D
F
E
9.
Nämn ett annat namn för en a) konkav lins b) konvex lins
10.
5.
Vilken typ av lins används som förstoringsglas?
6.
Bilden visar hur några ljustrålar träffar en vattenyta underifrån. Rita av bilden och rita strålarnas fortsatta väg.
luft vatten
Parallella strålar träffar en konkav lins med brännvidden 3 cm. Rita vad som händer med strålarna. Du avbildar ett ljus med en lins. På en skärm ser du en bild. a) Är bilden rättvänd eller upp- och nervänd? b) Hur förändras bilden när du flyttar linsen närmare ljuset?
11.
Förklara skillnaden mellan verklig bild och skenbild.
12.
Om du tittar på en fisk som finns i vatten så ser fisken ut att vara närmare vattenytan än vad den är. Försök att förklara detta genom att rita en bild.
13.
Rita den bild som uppkommer i en konvex lins när föremålet är a) utanför linsens brännpunkt b) innanför linsens brännpunkt Rita föremålet som en pil.
A
B
143
130-165 Kap 5 ny.indd 143
2013-04-30 11.48
5. LJUS
5.3
Optiska instrument
Holländaren van Leeuwenhoek handlade med tyger på 1600-talet. För att inte bli lurad, tillverkade han ett mikroskop för att avslöja om ett tyg hade rätt kvalitet. 300 år senare tittade forskarna på den första digitala mikroskopbilden. Digital ”film” har numera i princip ersatt all fotografisk film. Två nya tekniker, skapade med 300 års mellanrum, kunde plötsligt samverka och för alltid förändra människors sätt att filma och fotografera.
Lupp En lupp eller ett förstoringsglas är det enklaste optiska instrumentet. Det är helt enkelt en konvex lins med kort brännvidd. Ju kortare brännvidden är, desto mer förstorar luppen.
Leeuwenhoeks mikroskop från 1600-talet.
objektiv
okular
➤
➤
prismor
Kikare Kikare används för att vi ska kunna se föremål på långt håll. Den enklaste typen av kikare är en så kallad astronomisk kikare. Den består av två konvexa linser som kallas objektiv och okular. Objektivet ger en bild av föremålet inne i kikaren. Sedan tittar du på bilden genom okularet. Man kan alltså säga att okularet förstorar den bild som objektivet skapar. Objektivet är en lins med lång brännvidd och okularet är en lins med kort brännvidd. Astronomiska kikare ger upp- och nervända bilder. Men det spelar ingen större roll när man studerar månen och planeterna. De kikare som vi vanligtvis använder oss av kallas för prismakikare och ger förstås rättvända bilder. En prismakikare innehåller två prismor av glas som ljuset passerar innan det träffar okularet och våra ögon. Prismorna har till uppgift att vända bilden rätt.
144
130-165 Kap 5 ny.indd 144
2013-04-30 11.48
8. L J US
Mikroskop Mikroskop används när vi vill få förstorade bilder av små föremål. Även ett mikroskop har två konvexa linser, ett objektiv och ett okular. Precis som i en kikare så ger objektivet en bild av det föremål som man vill titta närmare på, till exempel en mygga. Okularet förstorar sedan den bild som objektivet skapat. Kamera För att få en bild på en skärm, behövs bara en låda med ett litet hål i. Om du låter de reflekterade ljusstrålarna från en flaska falla in mot hålet får du en upp- och nervänd bild av flaskan på lådans bakre vägg. En sådan enkel kamera brukar kallas för camera obscura, vilket egentligen betyder ”mörkt rum”. Moderna kameror finns i en mängd olika utföranden och modeller. Men i alla kameror finns det fyra viktiga delar: objektiv, slutare, bländare och ccd-celler. I gamla kameror används fotografisk film istället för ccd-celler. Den enklaste typen av objektiv består av en enda lins, en konvex lins. Linsens uppgift är att skapa en bild av det föremål som ska fotograferas. Slutarens uppgift är att öppna och stänga kameran. Den tid som kameran är öppen och släpper in ljus kallas exponeringstid. När du trycker på slutaren, öppnas kameran och en bild skapas med hjälp av linsen. Bilden registreras av ccd-cellerna. Om du har en mer avancerad kamera kan du variera kameraöppningens storlek med hjälp bländare av bländaren. På så sätt reglerar du hur mycket ljus som ska släppas in i kameran. När det är soligt och ljust, ska du använda en liten bländaröppning. Om det är mulet gör du bländaröppningen större. I de flesta kameror och mobiltelefoners kameror ställs exponeringstid, bländare och avstånd in automatiskt. Sådana kameror har dessutom ofta inbyggd blixt eller LED-belysning som kommer till användning om ljusförhållandena fö föremål är dåliga.
Ett mikroskop ger en förstorad bild av små föremål och används därför att till exempel studera små insekter.
bildsensorns CCD-celler
speglar
linser
Linserna skapar en bild på bildsensorn. Med bländarens hjälp kan du variera kameraöppningens storlek.
145
130-165 Kap 5 ny.indd 145
2013-04-30 11.48
5. LJUS
Närsynthet
Vid närsynthet hamnar bilden lite framför näthinnan. Med konkava linser sprids ljusstrålarna så att bilden hamnar på näthinnan.
Ögat kan liknas vid en kamera Ett öga kan liknas vid en kamera. Ögonlocket är ögats slutare och pupillen motsvarar kamerans bländare. När ljuset är starkt är pupillen liten, och när ljuset är svagt är pupillen stor. Efter att ljuset passerat pupillen träffar det ögonlinsen – kamerans objektiv. Ögonlinsen har till uppgift att bryta ljusstrålarna så att de bryts och sammanstrålar på näthinnan och skapar en bild. Ccd-cellernas motsvarighet i ögat är näthinnan. I ett normalt fungerande öga bryts ljusstrålarna så att bilden av föremålet hamnar på näthinnan. Då ser vi en tydlig bild av föremålet. Men precis som i en kamera är bilden på näthinnan upp- och nervänd. Att vi uppfattar bilden rättvänd beror på att vår hjärna ”vänder” på bilden. Närsynthet vanligt hos yngre Många människor har något slags synfel. Då behöver ögat hjälp för att kunna se bättre. Det kan gälla både unga och gamla. Bland unga är det vanligt med närsynthet. Om man är närsynt ser man bra på nära håll men inte på långt håll. Vid närsynthet är ögongloben för lång och ljuset bryts till en punkt framför näthinnan. Felet kan avhjälpas med glasögon som har konkava linser. De sprider ljusstrålarna innan de når ögat. Det gör att bilden hamnar på näthinnan. En del forskare tror att närsynthet är medfött. Andra forskare tror att man blir närsynt om man läser mycket eller sitter för mycket framför TV:n och datorn. Det skulle i så fall kunna vara förklaringen till varför närsynthet blir allt vanligare.
Fler och fler unga blir närsynta, det vill säga de ser bra på nära håll men dåligt på långt håll. Kan det bero på att vi sitter mer och mer framför datorn?
146
130-165 Kap 5 ny.indd 146
2013-04-30 11.48
5. L J US
FÖRDJUPNING VAD ÄR EN DIOPTRI? För att ange styrkan hos en lins kan man använda sig av linsens brännvidd. Att det till exempel står –10 på en lins betyder att det är en konkav lins med 10 cm brännvidd. Men en optiker anger istället styrkan i dioptrier. Om d = dioptritalet och f = linsens brännvidd i centimeter så gäller att d = 100/f. En konkav lins med brännvidden 10 cm har alltså dioptritalet –100/10 = –10.
Översynthet
Översynthet eller långsynthet vanligt hos äldre Hos äldre människor är översynthet ett vanligt synfel. Om man är översynt ser man bra på långt håll men inte på nära håll. Vid översynthet är ögongloben för kort och ljuset bryts därför till en punkt bakom näthinnan. Med konvexa linser i glasögonen samlas strålarna en aning innan de når ögat. På så sätt kan vi få bilden att hamna på näthinnan. Ålderssynthet inträffar efter 40 års ålder Har du föräldrar som måste hålla tidningen från sig för att kunna läsa? Det är nämligen vanligt att många som nyss fyllt 40 börjar få svårt att fokusera på texten i en tidning. Det beror på att ögats lins blir stelare med åldern. Ögats förmåga att förändra linsens tjocklek avtar. Enklaste sättet att lösa problemet är att skaffa läsglasögon. Läsglasögon består av konvexa linser som samlar ljusstrålarna på näthinnan.
Vid översynthet hamnar bilden lite bakom näthinnan. Med konvexa linser samlas ljusstrålarna så att bilden hamnar på näthinnan.
Om man är översynt har man svårt att läsa texten i en tidning.
147
130-165 Kap 5 ny.indd 147
2013-04-30 11.48
5. LJUS
Kontaktlinser och laserkirurgi Glasögon är det äldsta hjälpmedlet för att korrigera synfel. Men idag använder många människor kontaktlinser istället för glasögon. Vanligtvis kallar man dem bara för linser. Skillnaden mot glasögon är att linserna placeras direkt på ögat istället för en bit ifrån. Idag kan man även förändra färgen på ögonen genom att använda färgade kontaktlinser. Idag kan vissa synfel åtgärdas med laser. Närsynthet korrigeras till exempel genom att läkarna skär en flik i det yttersta av hornhinnan med en ”laserkniv”. Sedan viker läkaren fliken åt sidan och slipar bort ett tunt lager av hornhinnans undersida. Avslutningsvis lägger man fliken på plats igen. Operationen utförs med lokalbedövning och redan dagen efter operationen är synen normal. Läkaren korrigerar patientens synfel med hjälp av laser.
TESTA DIG SJÄLV 5.3 FÖRKLARA BEGREPPEN • lupp • objektiv • okular • slutare • bländare • närsynthet • översynthet
1.
Vilken del i ögat motsvarar kamerans a) bländare b) slutare c) ccd-celler
2.
Vad för slags glas ska finnas i glasögonen om man är översynt?
3.
Vilken är den viktigaste skillnaden vad gäller bilden hos en astronomisk kikare och en prismakikare?
4.
Du ska ta ett kort med en kamera.
6.
a) Vilket synfel visas på bilden? b) Hur kan felet avhjälpas?
7.
Förklara vilken funktion som objektivet och okularet har i en kikare.
8.
Vilket synfel har ägarna till dessa glasögon?
9.
Vilket dioptrital har en konvex lins med brännvidden 20 cm?
a) Vilken slags lins sitter i kameran? b) Blir bilden förstorad eller förminskad? c) Blir bilden rättvänd eller upp- och nervänd?
5.
En kamera är inställd på exponeringstiden 0,01 s. Vad menas med det?
148
130-165 Kap 5 ny.indd 148
2013-04-30 11.48
5. L J US
5.4
Ljus och färg
När solen skiner samtidigt som det regnar, kan man ibland se en regnbåge. Men för att du ska kunna se den måste du stå vänd med solen i ryggen. Regnbågen syns när ljuset från solen först träffar vattendropparna i luften och sedan dig. Men varför ser vi regnbågen? För att förklara det måste vi först förklara vad ljus är för något.
Vad är ljus? Ljus är ett märkligt fenomen och det finns olika förklaringar till vad ljus egentligen är för något. Hittills har vi beskrivit ljus som en ström av partiklar, en stråle, som sänds ut från en ljuskälla. Sådana partiklar kallas fotoner. Men ljus kan också beskrivas som en vågrörelse. Om du fiskar och kastar ut ett flöte så uppkommer det ringar på vattnet. Om du tittar på ringarna från sidan, så ser du en våg. Vågorna består av vågberg och vågdalar som sprider sig åt alla håll. En sådan vågrörelse kallas för en transversell vågrörelse. Avståndet mellan två vågberg, eller två vågdalar, kallas våglängd. Precis som en vattenvåg kan ljus beskrivas som en transversell vågrörelse. Men ljusets våglängd är mycket kortare än vattenvågornas. Det ljus som våra ögon kan uppfatta har en våglängd som ligger mellan 0,0004– –0,0008 mm. Ofta säger man istället att våglängden ligger mellan 400–800 nm (nanovåglängd vågberg meter). vågdal
Om solen skiner samtidigt som det regnar kan ljuset delas upp i sju olika färger och bilda en regnbåge.
Vattenvågor och ljusvågor breder ut sig på liknande sätt. Ljus är en transversell vågrörelse som består av vågberg och vågdalar. Avståndet mellan två vågberg, eller två vågdalar, kallas våglängd.
149
130-165 Kap 5 ny.indd 149
2013-04-30 11.48
5. LJUS
FÖRDJUPNING BÅDE PARTIKLAR OCH VÅGOR Vissa egenskaper hos ljus går bara att förklara om ljus beskrivs som en stråle av partiklar, det vill säga fotoner. Andra egenskaper går bara att förklara om ljus beskrivs som vågor. Vi kan göra experiment som visar att ljus har både partikel- och vågegenskaper, men vi kan varken se partiklarna eller själva vågorna. Först i början av 1900-talet kunde de båda teorierna förenas under samma tak. Då utvecklades nämligen kvantfysiken – en helt ny gren inom fysiken. I kvantfysik kan båda teorierna finnas samtidigt, utan att de motsäger varandra.
Vitt ljus på väg igenom ett glasprisma bryts två gånger. Rött ljus bryts minst och violett ljus bryts mest.
Spektrum Om vi låter vitt ljus, till exempel solljus, passera igenom ett tresidigt glasprisma inträffar något intressant. Ljuset delar upp sig i sju olika färger – ett spektrum. Färgerna är alltid de samma och ligger alltid i samma ordning: rött, orange, gult, grönt, blått, indigo och violett. Förklaringen är att vitt ljus innehåller alla olika färger och att de bryts olika mycket när de passerar prismat. Rött ljus har längst våglängd och bryts minst. Violett ljus har kortast våglängd och bryts mest.
150
130-165 Kap 5 ny.indd 150
2013-04-30 11.48
5. L J US
Regnbågen är ett spektrum När solen skiner samtidigt som det regnar, kan du ibland se en regnbåge. Men för att du ska kunna se den, måste du stå vänd med solen i ryggen. Regnbågen syns när ljuset från solen först träffar vattendropparna i luften och sedan dig. Vattendropparna fungerar precis som glasprismor. De bryter och reflekterar ljusstrålar från solen. De olika våglängderna i det vita solljuset bryts olika mycket och vi ser en regnbåge. Att regnbågen är rund har inget att göra med att jorden är rund. För att du ska se till exempel den röda bågen i regnbågen måste vinkeln mellan solen, vattendroppen och dig vara 42°. Alla solstrålar som bildar den vinkeln i förhållande till dig kommer från vattendroppar som ligger på en cirkel. Detsamma gäller för de andra färgerna. Därför är regnbågen krökt. Eftersom ljuset kommer ut med exakta vinklar gör det att två personer aldrig ser exakt samma regnbåge, även om de står bredvid varandra. Däremot kan man ibland se två regnbågar samtidigt. Den andra är svagare och ligger utanför den starkare. Hur kan det komma sig? Förklaringen är att en viss del av ljuset stannar kvar i regndropparna, de tar så att säga ett varv till inne i dropparna innan de går igenom droppens ytan och så småningom når våra ögon. Resultatet är att ljuset reflekteras från droppen i en annan vinkel och betraktaren ser en andra regnbåge. Hur ser vi olika färger? När solljus träffar till exempel röd målarfärg reflekteras bara det röda ljuset. Det är det som får målarfärgen att se röd ut. De övriga färgerna absorberas av målarfärgen. På motsvarande sätt absorberar ett grönt löv alla färger utom den gröna. Den gröna färgen reflekteras och når våra ögon. Att sidorna i den här boken är vita beror på att de reflekterar alla färger. Att vi ser texten på sidan beror på att vi ser bokstävernas vita omgivning. Trycksvärtan i bokstäverna absorberar nämligen alla färger som träffar dem. Så bokstäverna ser vi egentligen inte alls.
En vattendroppe fungerar som ett prisma. De olika våglängderna i solljuset bryts därför olika mycket. Färgbanden i regnbågen skapas av vattendroppar på olika höjd
Färgen på stugan reflekterar endast rött ljus. Det är därför som färgen ser röd ut.
151
130-165 Kap 5 ny.indd 151
2013-04-30 11.48
5. LJUS
PERSPEKTIV FRÅGA
Sveriges digitala strategi Regeringen har fattat flera beslut om IT-utvecklingen i landet. I Sveriges digitala strategi är målen: • att Sverige ska ha bredband i världsklass. • alla hushåll och företag bör ha goda möjligheter att använda sig av elektroniska samhällstjänster och service via bredband. • att 90 % av alla hushåll och fasta verksamhetsställen bör ha tillgång till 100 Mbit/s senast år 2020.
• På vilket sätt tror du att IT-strategin kommer påverka samhällets utveckling? • Varför tror du att regeringen har fattat ett sådant här beslut?
Källa: IT i människans tjänst – en digital agenda för Sve v rig ige
OPTISKA FIBRER TILL ALLA När slutar din in sladd ddte dd t lefon attt fu te ung n era? Statliga telev everket har by ev ygg gt de det te det tele ele lenä nä ät av av kop ppa par arrledningarr sso om id dag håller ål på att blili för gam mm ma alt l . Idag ag ägss nä äg näte t t av te a Tel elia iaSo So one nera. År Å 200 00 va ar om omkr krin ing g 6 mi m ljone jo ner hu hush shål å l an ansl s ut sl utna na a tililll ko k pp ppar arrnä n te et och occh h ha ade d en så kal alla lad la d ”ffast ast te t le effo on” n hem emma ma a. År År 2010 0 va v r si s ffra an 3 7 milj 3, miiljlon ne err och c år 20 025 komme omme om merr giiss ssni ning ni n sv ng viss bara 1 2 mi 1— miljljljon o er on e hus ushå håll var hå ara ar a ansluttna a tilil ko kopp ppar pp arnä ar näte nä tet. te t. F er Fl er och fler gå gårr öv verr tilil attt ri r ng nga a vi v a br b ed dband n (IP IPte ele efo oni n ) elle er ba bara ra a med mobiltelefon. Utvecklingen g r att det blir svå gö v ra are att få tag på reservdelar till d t ga de gaml mla a näte t t. te t Det kommer i sin tur leda till att de et komm m er attt stä äng gas as ner på må m nga a hå håll i lan a de det. t. Närr ma an gårr från n sla ladd ddte dd t le te lefo fo onen ti t lll mob o ila telefonerr sk skap apas ap ass en de a d l proble em me m d olika slags specialtj al t än änst ster st er.. IIn er nbrottsla lla arm och trygg ghe hets t la arm för äldre mä änn niskor fungerar ibl blan a d inte fullt utt med trådlösa syst ste st em, vilket skapar otrygghet.
FRÅGA • Är ditt hem fortfarande anslutet till kopparnätet? • Är det bra eller dåligt att det fasta telefonnätet på sikt försvinner? • Vem anser du har ansvaret för att inbrottslarm och trygghetslarm ska fungera? • Vem har ansvaret för att det ska gå att ringa 112 från hemmet?
152
130-165 Kap 5 ny.indd 152
2013-04-30 11.48
5. L J US
FRÅGA • Hur tror du att myndigheter kommer använda internet i framtiden?
Internet — en demokratifråga
• Försök komma på några nya sätt som internet kan användas till för att öka demokratin i Sverige?
Att enkelt kunna söka, hitta och läsa information på internet är en viktig del av att vara medborgare i Sverige idag. Mycket av informationen från de olika politiska partierna finns på internet. Men hjälp av internet kan alla idag mycket enklare och snabbare än tidigare ta del av politiska diskussioner och beslut som leder fram till nya laga la g r. Kommuner, landsting och riksdag har alla bra ga hems he msid ms idor id or därr vi so om medborgare kan ta del av och påverka det po olilits t ka arb bettett. De e flesta myndigheter lägger dessutom ut al a l sin informattio ion no occh alla blankette er på internet så att man an n kommer åt dem frå ån vi vilk lkken e dator som helst med intern net etup u pkoppl plin pl in ng. g
F am Fr mti t de dens ns n s inte ntter erne rnet Idag ag anv n än ä ds d båd de ko oppar arka ka abl b arr occh h fiber e ka kablar arr sam amtt t åd tr ådlös te tekn k ik för attt ski kn kickka info in nfo form rm mat a io ion n öv över er int nterrne net. t Me en nä är kko opp pa arrnä näte tet pe pens nsione ns era r s ko komm mm mer alll kom mmu m niika kati tion ti on ske k ant nttin inge ge gen en vi via afi fibe b rk r abla ar el e le l r viia trådlö ös te ekn k ikk. Fler Fl er och ch fler prryl ylar arr blir liir uppk uppkoppl pllad p a e mot in nte t rnet ett. et. Redan id idag ag finns dett till exempell kylskåp som m vi v a intern rnet rn e kan et an talla om när det saknas varor så så att t du vet va so vad s m sk s a kö köpas. I framtiden kom mme m r vi få se flerr exempel och ny n a an a vänd dni n ng ngso gso somr mråd mr åden åd en som vii ba b ra kunnat drömm ma om.
FRÅGA • Varför hoppar vi inte över fiberkablar och satsar allt på trådlös kommunikation? • Vilka saker kommer att vara uppkopplade mot internet i framtiden? Hur kommer det att påverka våra liv? • Tycker du att det känns spännande eller läskigt?
153
130-165 Kap 5 ny.indd 153
2013-04-30 11.48
5. LJUS
Spektrum — mer än färger För 200 år sedan upptäckte astronomen William Herschel att solen förutom vanligt ljus också sänder ut ett slags osynligt ljus som vi inte kan se. Ljuset var varmare än det synliga ljuset och kallades därför för värmestrålning. Idag kallas det även för infraröd strålning. Ungefär samtidigt upptäcktes en annan typ av osynligt ljus från solen. Det ljuset fanns strax intill det violetta ljuset och fick därför namnet ultraviolett strålning. Det brukar förkortas UV-strålning. I mitten av 1800-talet förstod fysikerna att det enda som skiljer vanligt ljus från osynlig värmestrålning och UV-strålning är våglängden. Under 1900-talet har forskarna upptäckt strålning med både längre och kortare våglängder än infraröd strålning och UV-strålning. Det gemensamma namnet för den här typen av strålning är elektromagnetisk strålning.
Gammastrålning Gammastrålning har kort våglängd och är energirik. Den bildas till exempel när radioaktiva ämnen sönderfaller. Strålningen tränger igenom de flesta material och är farlig för oss människor.
synligt ljus 390—770 nm (nanometer)
INFR
U LT R AV I O L E T T S T R Å L N I N G GAMMASTRÅLNING
–14
10 m
–13
10 m
–12
10 m
–11
10 m
–10
10 m
–9
10 m
–8
10 m
–7
10 m
–6
10
(0,001 mm)
(0,01
10 m
–5
RÖ NTG E N S T R ÅL N I N G
Röntgenstrålningen Röntgenstrålning är inte lika energirik som gammastrålning men kan ändå i stora doser vara farlig för människor. Strålningens förmåga att tränga igenom kroppens olika organ gör att vi har stor användning av den inom sjukvården för att ”se in i kroppen”. Röntgenstrålning stoppas av till exempel bly. Ultraviolett strålning Stora doser av UV-strålning är farlig för människor. En stor del av solens UV-strålning stoppas av ozonlagret i atmosfären. Resterande stoppas av det bruna pigment som bildas för att skydda kroppen från de farliga strålarna. UVstrålning stoppas även av till exempel glas.
154
130-165 Kap 5 ny.indd 154
2013-04-30 11.49
5. L J US
Synligt ljus Ljus är den enda elektromagnetiska strålning som vi kan se med våra ögon. Ljusets olika färger är helt enkelt ljus med olika våglängder. Violett ljus har kortast våglängd och är därför mest energirikt. Rött ljus har längst våglängd och är därför minst energirikt.
Mikrovågor Mikrovågor har längre våglängd än infraröd strålning. Mikrovågor får vattenmolekyler i maten att vibrera — maten blir varm. Detta fenomen används i mikrovågsugnar.
M I K R O VÅ G O R
NFRARÖD STRÅLNING
–5
E M - VÅ G O R
10 m
10 m
–4
10 m
–3
10 m
–3
10 m
–1
0,01 mm)
(0,1 mm)
(1 mm)
(1 cm)
(1 dm)
Infraröd strålning En spisplatta som glöder utstrålar rött ljus. Men från plattan strålar även infraröd strålning. Strålningen har längre våglängd än rött ljus och våra ögon kan inte se den. Men vi känner den i form av värme. Därför kallas strålningen även för värmestrålning.
T V - O C H R A D I O VÅ G O R
1m
10 m
EM-vågor Strålningen från en mobiltelefon kallas ibland EM-vågor. Det är en förkortning för elektromagnetiska vågor. Tyvärr är det ett missvisande namn eftersom EM-vågor egentligen är allt från gammastrålning till radiovågor.
100 m
1000 m
Våglängd
Radiovågor Radiovågor har de längsta våglängderna i det elektromagnetiska spektrat. Därmed har de också det lägsta energiinnehållet. Radiovågor används för att sända radio- och TVsignaler runt hela jordklotet.
155
130-165 Kap 5 ny.indd 155
2013-04-30 11.49
5. LJUS
Man måste vara försiktig när man solar sig. För mycket UV-strålning kan ge hudcancer.
Elektromagnetisk strålning kan vara farlig Elektromagnetisk strålning med lång våglängd är i allmänhet mindre farlig för hälsan än strålning med kortare våglängd. Men man måste ta hänsyn till strålningens intensitet. Intensiteten anges i watt per kvadratmeter. Ju högre intensitet, desto farligare är strålningen. Strålsäkerhetsmyndigheten i Sverige ansvarar för att ange vilka värden som är tillåtna för olika slags strålning. Vi kan inte se UV-strålning, men vi märker den ändå. Det är nämligen den som gör att vi blir solbrända. I stora doser är ultraviolett strålning farlig. 35 000 personer drabbas varje år av hudcancer i Sverige. Omkring 2 500 av dem får den allvarligaste formen av hudcancer, malignt melanom. Därför bör du alltid sola måttligt och vara försiktig så att du inte bränner dig. Solar du i solarium är det viktigt att du använder skyddsglasögon. Det är viktigt att vi skyddar oss mot elektromagnetisk strålning med kort våglängd, till exempel röntgen- och gammastrålning. Det är därför en röntgensköterska måste gå till ett annat rum varje gång röntgenbilder tas. Upprepade doser av röntgenstrålning är nämligen farligt för hälsan.
156
130-165 Kap 5 ny.indd 156
2013-04-30 11.49
5. L J US
Utsläpp av CFC, ton
Ozonskiktet — ett livsnödvändigt skydd Den ultravioletta strålning som ständigt strömmar in från solen är farlig. Den kan ge upphov till hudcancer, men också påverka immunförsvaret. Även skogen och växterna på sädesfälten kan skadas av ultraviolett strålning. Dessbättre finns runt jorden ett naturligt skydd. I de övre lagren av atmosfären finns det ett skikt med gasen ozon, det så kallade ozonskiktet. Det hindrar en stor del av solens UV-strålning från att nå marken. På 1970-talet upptäckte man att det skyddande skiktet tunnades ut. Över polerna var det till och med hål i ozonskiktet under vissa tider på året. Förklaringen till att ozonskiktet skadades var ämnen som kallas freoner. Sådana användes i sprayburkar, kylskåp, frysboxar och i värmepumpar. Men forskarna och politikerna samarbetade under 1980-talet och freoner förbjöds. Det har haft stor effekt och idag har ozonskiktet återhämtat sig. Idag är utsläppen av freoner i Sverige endast 15 % av vad de var år 1990. Här har vi ett bra exempel på hur forskare och politiker löst ett globalt miljöproblem. Det betyder inte att alla freoner är borta. Det finns fortfarande freoner i äldre byggnadsmaterial, som därför måste samlas in och återvinnas för att utsläppen ska fortsätta att minska.
1 600
1 400
1 200
1 000
800
600
400
200
0 1990
1995
2000
2005
2010
Det här diagrammet visar hur mycket utsläppen av freon minskat från år 1990 till 2010.
Den blåa färgen visar var freonhalterna är som lägst.
157
130-165 Kap 5 ny.indd 157
2013-04-30 11.49
5. LJUS
Ljusvågor svänger i alla riktningar. I den här bilden är två olika riktningar inritade.
Ljusvågor som bara svänger i en riktning säger man är polariserat.
Ljusvågor svänger i alla riktningar Elektromagnetisk vågrörelse, som synligt ljus, svänger i alla riktningar. För att få en bild av vågrörelsen kan du tänka dig ett rep som i ena änden är fäst i ett dörrhandtag. Genom att ta tag i den andra änden och svänga repet upp och ner samt i sidled kan du skapa vågor i alla möjliga riktningar. På liknande sätt beter sig ljusvågorna. Ljuset som träffar våra ögon svänger i alla riktningar. Sådant ljus kallas opolariserat ljus. Men allt ljus som når våra ögon är inte opolariserat. Solljus som reflekteras i till exempel en sjö eller i en vattenpöl uppför sig lite annorlunda. Efter att solljuset reflekterats i vattenytan svänger ljusvågorna i huvudsak i en riktning. Ljus som svänger i endast en riktning kallas polariserat ljus. Polaroidglasögon Reflekterat ljus från sjöar och vattenpölar kan vara ganska besvärande för ögat. Med hjälp av speciella solglasögon, polaroidglasögon, kan man ta bort de besvärande reflexerna. Men hur går det till? Glasen i polaroidglasögonen släpper bara igenom ljus som svänger i en bestämd riktning. När det polariserade ljuset från vägbanan eller sjön träffar glasögonen, så kommer det inte igenom. Vi ser därför inga besvärande reflexer. De polariserande glasen kan liknas vid ett staket. Om du svänger ett rep som är draget genom staketet i höjdled kommer vågen igenom. Om du däremot svänger repet i sidled kommer det att stoppas av staketet. På motsvarande sätt fungerar polaroidglasögon. Bara de ljusvågor som svänger i höjdled kommer igenom glaset. Det övriga ljuset stoppas. Solglasögon som inte är polariserande har endast ett mörkt glas så att allt ljus, både polariserat och opolariserat, dämpas lite.
När polariserat ljus träffar glasögonen hejdas det. Den som bär polaroidglasögonen slipper besvärande reflexer.
158
130-165 Kap 5 ny.indd 158
2013-04-30 11.49
5. L J US
Laser — ett speciellt slags ljus Laser används bland annat inom sjukvården, i polisens hastighetsmätare, i datorer, i DVD-spelare och i en massa andra tekniska apparater. Men vad är egentligen laser? Laser är en speciell sorts elektromagnetisk vågrörelse som skapades av fysikforskare för mer än femtio år sedan. Vanligt ljus, från exempelvis en lampa, består alltid av en blandning av ljus med olika våglängder. Laser däremot består av vågor med samma våglängd. En la-ser kan därför aldrig delas upp i ett spekektrum. Ljuset består ju bara av en enda våglängd. Det ger samtidigt många fördelar. elar. En laserstråle kan lättare hållas energirik och fokuserad, eftersom strålarna alltid bryts lika mycket.
Med hjälp av laser som skickas genom optiska fibrer behandlar läkarna en cancertumör i en kvinnas hals.
Laser mäter avstånd Ljusvågor från en laser har samma våglängd och sprids väldigt lite. På så sätt kan en laser användas för att noggrant mäta avstånd, som till exempel avståndet till månen. Astronauterna som var där i början av 1970-talet placerade ut en laserreflektor. Från jorden skickas en signal som träffar reflektorn och återvänder efter cirka 2,5 sekunder. Genom att multiplicera med ljusets hastighet och dividera med två, får man ett mycket noggrant värde på avståndet till månen. Laser används också på konstmuséer. När gamla oljemålningar ska renoveras, används laser för att analysera hur många skikt lack eller förnissa som finns ovanpå oljefärgen. Med lasern kan skikt för skikt tas bort genom att lacken bränns bort, utan att själv tavlan skadas. Lasaer används även för att ta bort tatueringar. Laserstrålen splittrar färgen och resterna städas upp av kroppens egna celler. Men det krävs oftast många behandlingar för att tatueringen ska försvinna helt. Det är lättare att göra en tatuering än att ta bort den. Men det går med upprepade laserbehandlingar.
159
130-165 Kap 5 ny.indd 159
2013-04-30 11.49
5. LJUS
FÖRDJUPNING LASER FÖRBÄTTRAR MILJÖN OCH EFFEKTIVISERAR SKOGSBRUKET Intensiv forskning har lett till ny slags laser, blå och grön laser. En blå laserstråle kan koncentreras till en betydligt mindre yta än en röd vilket till exempel gör att man kan lagra nästan upp till 30 Gb (Gb = gigabyte) på en dvd-skiva. Det betyder att det får plats många filmer i HD-format på en bluray-skiva. Flera nya tillämpningar hittar man också på miljöområdet. Nya lasrar kan analysera att rätt sorts kemiska reaktioner sker under förbränningen i en värmepanna. Även i skogsbruket utvecklas lasern för att att anaysera vilken sorts träd som finns i ett stort skogsområde. Med den nya tekniken tror forskarna att hela skogsområden kan analyseras från luften istället för att behöva ta stickprover.
TESTA DIG SJÄLV 5.4 FÖRKLARA BEGREPPEN • spektrum • elektromagnetisk strålning • ozonskiktet • polariserat ljus • laser
1.
Hur lång våglängd har den här vågen?
2.
Vilken färg tror du att våra ögon uppfattar om de får blanda alla färger i spektrum?
3.
Vad kallas den strålning som ger oss solbränna?
4.
Vad kan man använda laser till?
5.
Titta på bilden. Antag att de fyra strålarna föreställer gult, blått, rött och grönt. Vilken stråle motsvarar vilken färg?
vitt ljus A B C D
6.
Hur uppkommer en regnbåge?
7.
Förklara hur ett lingon får sin röda färg.
8.
Varför är det bra med polaroidglasögon?
9.
En svart yta reflekterar inget ljus alls. Förklara hur man då kan se den.
10.
Förklara hur polaroidglasögon kan ta bort besvärande reflexer från till exempel en sjöyta.
11.
Om man sänder en laserstråle till månen och låter den reflekteras i en spegel så är den tillbaka på jorden efter 2,5 s. Beräkna hur långt det är till månen. Avrunda till tiotusentals kilometer.
160
130-165 Kap 5 ny.indd 160
2013-04-30 11.49
5. L J US
5.5
Strålningsenergi och kemisk energi
Ordet strålning förknippar vi ofta med något farligt. Men strålning är lika vanligt och lika viktigt i naturen som solen och gröna växter. Det är bara en del av den elektromagnetiska strålningen som är farlig. Värmeenergi är en av flera energiformer:
Solens strålar är energi Vår viktigaste energikälla är solen. Solens energi skapas genom processer i solens inre. Energin transporteras sedan till jorden i form av elektromagnetisk vågrörelse. Energin som finns i själva vågrörelsen, kallas strålningsenergi.
elektrisk energi värmeenergi strålningsenergi kemisk energi mekanisk energi lägesenergi
Kemisk energi Solens strålar är en viktig del i alla växters liv. Växter kan nämligen ta upp solens strålningsenergi och binda den i druvsockermolekyler. Det kallas för fotosyntes. Druvsockret använder växterna sedan för att tillverka en lång rad andra ämnen som stärkelse, cellulosa, fetter, proteiner och vitaminer. Den energi som på det här sättet lagras i olika ämnen kallas kemisk energi. När växterna behöver energi kan de frigöra den kemiska energin genom att sönderdela ämnena. Det kallas förbränning. Samma sak händer när djur äter växter. Då frigörs växternas kemiska energi. När du till exempel äter ett äpple blir du pigg tack vare att den kemiska energin i äpplet frigörs. Döda växter och djur har under årmiljoner sakta omvandlats till kol, olja och naturgas. Genom att förbränna sådana bränslen kan vi omvandla den kemiska energin i dem till värme.
TESTA DIG SJÄLV 5.5 1.
Ge tre exempel på strålningsenergi.
2.
Hur lagras strålningsenergi i växterna?
3.
Hur kan växter och djur frigöra den lagrade energin?
rörelseenergi kärnenergi
När du äter ett äpple blir du pigg tack vare att den kemiska energin i äpplet frigörs.
161
130-165 Kap 5 ny.indd 161
2013-04-30 11.49
5. LJUS
SAMMANFATTNING Ljusets utbredning och reflektion
5.1
• Att vi kan se föremål beror på att föremålen reflekterar ljus som de träffas av. En del av det reflekterade ljuset når våra ögon. • I vakuum är ljusets hastighet 300 000 km/s. I luft är hastigheten nästan lika stor. • Ljuset rör sig rätlinjigt som ljusstrålar. • En ljusstråle som träffar en plan spegel reflekteras så att reflektionsvinkeln blir lika stor som infallsvinkeln.
Rätlinjigt ljus ger skarpa skuggor.
• En plan spegel ger en bild som är lika stor som det avbildade föremålet. Men bilden blir spegelvänd. • När parallella strålar träffar en konkav spegel, reflekteras de så att de skär varandra i brännpunkten. Det utnyttjas bland annat i solugnar och parabolantenner. F
• Om parallella strålar träffar en konvex spegel så sprids strålarna efter reflektionen. • Både konvexa och konkava speglar har en brännpunkt. Avståndet mellan spegel och brännpunkt kallas brännvidd.
Brännpunkt hos en konkav spegel.
• En konvex spegel ger alltid en förminskad bild. En konkav spegel ger nästan alltid en förstorad bild.
Ljusets brytning
5.2
• En ljusstråle ändrar riktning när den går från ett ämne till ett annat. Man säger att ljuset bryts. Anledningen till att ljuset bryts är att det har olika hastighet i olika ämnen. • En ljusstråle som går från ett tunnare ämne (t ex luft) till ett tätare ämne (t ex vatten) bryts mot normalen.
Parabolen samlar signaler.
• En ljusstråle som går från ett tätare ämne (t ex glas) till ett tunnare ämne (t ex luft) bryts från normalen. Om infallsvinkeln är tillräckligt stor blir det totalreflektion. Fenomenet utnyttjas i fiberoptik. • Optiska fibrer är lätta att placera ut, omöjliga att avlyssna, miljötåliga och överför information väldigt snabbt. • Det finns två slag av linser, konvexa och konkava linser. En lins har två brännpunkter. Avståndet mellan linsens mittpunkt och brännpunkten kallas brännvidd.
Ljuset bryts i vattenytan.
• Parallellt ljus som träffar en konvex lins bryts samman i brännpunkten. En konkav lins sprider ljuset. • Med en konvex lins kan man avbilda ett föremål så att bilden kan fångas upp på en skärm. Man kallar då bilden för en verklig bild.
F
F
F
• En konkav lins ger bara skenbilder. En skenbild kan inte fångas upp på en skärm. En konvex och en konkav lins.
162
130-165 Kap 5 ny.indd 162
2013-04-30 11.49
5. L J US
Optiska instrument
5.3
• En lupp (förstoringsglas) är en konvex lins med kort brännvidd. Ju kortare brännvidden är, desto mer förstorar luppen. • En kikare och ett mikroskop innehåller två linser. Dessa kallas objektiv och okular. Okularet är linsen närmast ögat. • De fyra viktigaste delarna i en kamera är objektiv, bländare, slutare och ccd-celler. Objektivet är en konvex lins.
Kamera i genomskärning.
• Ett öga kan liknas vid en kamera. Ögonlinsen motsvarar kamerans objektiv, pupillen motsvarar bländaren, ögonlocket motsvarar slutaren och näthinnan motsvarar ccdcellerna. • Närsynthet kan avhjälpas med konkava glasögon och översynthet med konvexa glasögon.
Ljus och färg
5.4
Synundersökning.
• Ljus breder ut sig som en vågrörelse med vågberg och vågdalar. Avståndet mellan två vågberg, eller mellan två vågdalar, kallas våglängd. • Då solljus får passera ett glasprisma uppkommer ett spektrum. Färgerna i spektrum är rött, orange, gult, grönt, blått, indigo och violett. • Anledningen till att det uppkommer ett spektrum är att färgerna bryts olika mycket. Rött bryts minst och violett mest. • Solljus innehåller också strålning vi inte kan se, till exempel ultraviolett strålning och infraröd strålning. UV-strålningen märker vi då den ger oss solbränna. Den infraröda strålningen kan vi känna i form av värme.
Solljus bildar ett spektrum.
• En röd yta reflekterar i huvudsak rött ljus, medan andra färger absorberas (tas upp). Det är därför som den ser röd ut. • En vit yta reflekterar allt ljus och ser därför vit ut. En svart yta reflekterar inget ljus alls. • En ljusstråles svängningar sker i alla riktningar. Ljus som svänger i bara en riktning kallas för polariserat ljus. • Laserljus består av ljusvågor med samma våglängd.
Ljus gör att vi ser färger.
Strålningsenergi och kemisk energi
5.5
• Strålningsenergi och kemisk energi är två av flera energiformer. • Energi transporteras från solen till jorden i form av strålning. • Ju mer energirik strålningen är, desto kortare våglängd har den. Ultraviolett strålning har kortare våglängd än ljus. Ljus har kortare våglängd än infraröd strålning. • Genom en process som kallas fotosyntes kan växter binda solens strålningsenergi som kemisk energi.
Kemisk energi i mat.
163
130-165 Kap 5 ny.indd 163
2013-04-30 11.49
5. LJUS
FINALEN 11
Koppla samman begreppen till vänster med beskrivningarna till höger. 1 2 3 4 5 6 7 8
Konkav lins Lupp Brännvidd Våglängd Infraröd strålning Verklig bild Laser Polariserat ljus
A B C D E F G H
Avstånd mellan två vågberg Kan fångas upp på skärm Ljus av en våglängd Sprider infallande ljus Konvex lins Avstånd till brännpunkten Ljus som svänger i en riktning Värmestrålning
2 2
Vilken av linserna har samma form som en ögonlins?
33
a) Vilket påstående bygger på fysikaliska kunskaper om ljus? A: B: C: D:
Sara kastade en lång blick efter sin kompis. En svart yta ser man inte. Kattens ögon lyser i mörkret. Ljus är en vågrörelse av samma slag som ljud.
A
B
C
D
b) Förklara på vilket sätt ditt valda påstående bygger på fysikaliska kunskaper. 44
Italienaren Gallilei upptäckte Jupiters största månar på 1600-talet med hjälp av en uppfinning som då var ny. a) Vilken uppfinning var det? b) Den bild som Gallilei såg var felaktig. På vilket sätt då? c) På vilket sätt tror du att hans uppfinning förändrade vår världsbild?
5
Solen skiner på ett moln vars skugga hamnar på marken? a) Vem tänker rätt? b) Förklara varför just den personen har rätt.
Skuggan är mindre än molnet. Skuggan är större än molnet.
B
Skuggan är ungefär lika stor som molnet. C
A
164
130-165 Kap 5 ny.indd 164
2013-04-30 11.49
5. L J US
66
Under en fysiklaboration fick eleverna i uppgift att bestämma brännvidden hos en konvex lins. Här nedanför kan du läsa hur två elever gjorde. Emil: Jag placerade linsen så långt från ljuskällan att ljuset blev parallellt när det passerat linsen. Sen mätte jag avståndet från ljuskällan till linsen, vilket är lika med linsens brännvidd. Jenny: Eftersom solen sken så gick jag ut och höll linsen så att den träffades av solljus. Solljuset bröts samman i brännpunkten. Jag mätte avståndet från linsen till brännpunkten och fick på så sätt fram brännvidden. Vem av dem lyckades ta reda på brännpunkten? Motivera ditt svar.
77
Om man solar bakom en fönsterruta så blir man inte solbränd. Varför då?
98
För cirka 20 år sedan upptäckte man att det ozonskikt som omger jorden hade tunnats ut. Den utvecklingen verkar lyckligtvis nu ha avstannat. Vad finns det för risker med ett för tunt ozonskikt?
10 9
a) Vad kallas vanligt synligt ljus, UV-strålning, röntgenstrålning och så vidare med ett gemensamt namn? b) I vilket av alternativen nedan används strålning med kortast våglängd? A: I ett solarium B: I en röntgenkamera
10 11
1 11
12 13
C: I en mikrovågsugn D: I radiosändare
Ögonlinsens tjocklek varierar beroende på om man ser på nära håll eller långt håll. Är ögonlinsen tunn eller tjock när du tittar på nära håll? Förklara hur du tänker. a) Vad är totalreflektion för något? b) Ljus kan totalreflekteras i glas. Det utnyttjas i så kallade optiska fibrer. Vad är det för något? c) På vilket sätt har de optiska fibrerna förändrat våra liv? Varför har vi två ögon? Skulle det inte räcka med ett?
165
130-165 Kap 5 ny.indd 165
2013-04-30 11.49
SPEKTRUM FYSIK ingår i en serie naturvetenskapliga böcker för grundskolans årskurs 7-9. I serien finns även Spektrum Biologi och Spektrum Kemi. I den här fjärde upplagan hittar du: • • • • • • • •
SPEKTRUM
Centralt innehåll i linje med Lgr 11 Kapitelingresser som lyfter fram kursplanens förmågor Målbeskrivningar Perspektiv som uppmuntrar till värdering och ställningstagande Testa dig själv-frågor med begreppsträning Faktarutor med olika teman Sammanfattningar till varje kapitel Finaler som ger träning inför ämnesproven
FYSIK
I varje ämne finns en Grundbok, en Lightbok och en lärarhandledning. Ligthboken är parallell med grundboken och kan användas av elever som vill ha en lättare kurs med mindre textmängd. Böckerna finns även som Onlineböcker.
FYSIK
Best.nr 47-08596-5 Tryck.nr 47-08596-5
Lennart Undvall Anders Karlsson
Omslag-Fysik_Grundbok-Spektrum.indd 1
2013-04-30 07.43