Hvorfor "knækker" lysstråler i vandoverflader? – Niels Bohr Institutet - Københavns Universitet

Niels Bohr Institutet > Spørg om fysik > ? om Fysik > Hvorfor "knækker" lyss...

15. februar 2011

Hvorfor "knækker" lysstråler i vandoverflader?

Hej Spørg om Fysik
Jeg kunne godt tænke mig at vide hordan det kan være, at når man stikker en pind ned i vandet, hvorfor det ser så ud som om den er knækket?

Det lille billede på forrige side illustrerer lysets brydning i en prisme, og de forskelle i vinkler dispersionen giver.

Med venlig hilsen
N R C

 

Elektromagnetiske bølger har den største fart vi kender i naturen. De bevæger sig i vakuum med lyshastighed, som er c =2,997 924 58 * 108 m/s (den er defineret og bruges til bestemmelse af hvor lang meteren er). Dette gælder såvel radiobølger, radar, lys som røntgen og gammastråling.

I materialer bevæger elektromagnetiske bølger sig langsommere, f.eks. visse frekvenser af radiobølger bevæger sig 9 gange langsommere i vand og i visse keramiske materialer endnu langsommere.

Synligt lys, som altså også er elektromagnetiske bølger, bevæger sig også langsommere i materialer. De materialer der er interessante her, er naturligvis de materialer, som lys kan gå igennem (gennemsigtige), så f.eks. ikke stoffer som granit, kul, beton eller stål, men stoffer som vand, glas, diamant og tilsvarende. I disse materialer bevæger lyset sig langsommere.

Lys er bølger, og bølger har en sammenhæng imellem frekvens og bølgelængde man kalder bølgeligningen, som i vakuum siger: λ*f = c, hvor λ er bølgelængden, f frekvensen og c lyshastigheden. Hvis man sender lyset ind i et stof f.eks. vand, skal der ikke stå c på højre side men cvand ,  som er lyshastigheden i vand. Når lysbølgen går ind i vandet er frekvensen, f , uforandret men bølgelængden bliver altså kortere, da de to ganget sammen skal give et mindre tal.

Den matematiske sammenhæng imellem vinklerne i luft og stof kaldes brydningsloven, og den siger: sinus(i)/sinus(b) = n

Brydningsindeks for glasser 

I optik indregner man lyshastigheden med noget man kalder brydningsindeks (brydningsforholdet), n.

Brydningsindeks for en lysstråle der går ned i vand defineres som n = c/ cvand  og det er ca. 1,33. Brydningsindekset for glasser ligger i området 1,5 - 2. Brydningsindekset for plastarter ligger omkring 1,5 - og for diamant ca. 2,4 (det er derfor den glimter sådan).

Farverne kommer fra noget der hedder dispersion, som er forskelle i brydningsforhold, men i alt en foretrukket smykkesten, lige bortset fra den lille detalje med prisen.

 
Der opstår et knæk på lysstrålen, når man ser ned igennem vandoverfladen.  

I luft er lyshastigheden næsten som i vakuum, så brydningsforholdet er nært på 1.

Den matematiske sammenhæng imellem vinklerne i luft og stof kaldes brydningsloven. 

Brydningsloven siger: sinus(i)/sinus(b) = n, se figur. Det betyder ikke så meget hvis man ikke ved hvad sinus er, men den formel siger at vinklen i luft altid er den største, og man kan så bestemme den anden vinkel, hvis den ene kendes.

Ser man fra siden knækker stangen naturligvis ikke. Det gør, at det kræver megen øvelse, at skyde fisk med bue og pil skråt igennem vandoverfladen. I øvrigt er en lysstråles vej fra et punkt over vandoverfalden til et punkt under altid den hurtigste vej. En lysstråle vinkelret på vandoverfladen påvirkes ikke.

Princippet i hvad der sker, ses bedst på billedet med bølgerne. Det, at der er kortere bølgelængde i vandet fordi lyset løber langsommere, betyder, at når bølgens første del når vandet tv. Bevæger den del af bølgen sig langsommere, medens resten af bølgen i luften har mere fart på. Det betyder så, at bølgens retning drejes, så den bliver mere vinkelret på overfladen. Der opstår altså et knæk på lysstrålen, når man ser ned igennem vandoverfladen.

Med svømmebriller under vand 

Det er også denne ændrede lyshastighed der gør, at man ikke rigtigt kan se skarpt uden svømmebriller etc. under vand. Vores øjes optik er nemlig beregnet til luft, så afstands-bedømmelse og fokus (skarpheden) af det man ser, er vanskeligt at opnå under vand. Med svømmebriller skyder vi lidt luft ind, så kan øjnene bruges normalt igen, lysstrålerne drejes så i glassene hvis man ikke ser lige frem, hvor lysstrålen ikke påvirkes (bortset fra dug på glassene, her er ganske lidt sæbeaktige stoffer en god hjælp).

Ændringen er ikke bare en ulempe. Mange bruger kontaktlinser eller briller af glas eller plastik. Det er netop muligt at lave sådanne hjælpemidler, fordi de pågældende stoffer har et brydningsforhold og kan dreje lyset. Her bruger man så normalt ikke plane flader, men buede flader, der tilpasses til hvor kraftige linserne skal være.

Med venlig hilsen
Malte Olsen