LJUS OCH LJUD

Del 1, Ljud I den här delen lär du dig om Vad är ljud? Hur sprider sig ljud? Hur uppfattar vi ljud? Vad kan man använda ljud till?

Ljud är en vågrörelse Vad är en vågrörelse?

Ord: Vågrörelse En vågrörelse är en rörelse som förflyttar sig genom ett medium. Ett medium är det material som vågrörelsen rör sig genom

En vågrörelse är en regelbunden rörelse som förflyttar sig genom ett material Materialet kan vara vad som helst, t.ex. vatten eller luft Det är bara rörelsen som förflyttar sig, inte själva materialet

Exempel på vågrörelser…

Vågor i vatten: Vågen rör sig framåt genom vattnet. Men vattnet stannar egentligen på samma ställe (havet förflyttar sig ju inte upp på land) Vattnet är materialet som vågen rör sig genom Själva vågen är rörelseenergi som flyttar sig framåt

Även människor kan vara materialet som en våg rör sig genom…

En våg kan röra sig på olika sätt På tvären. Sådana vågor kallas TRANSVERSELLA. Exempel: gitarrsträng, rep som man svänger fram och tillbaks, Fram och tillbaks (på längden). Sådana vågor kallas LÅNGITUDINELLA. Exempel: ljud

Transversell vågrörelse

I ljud är vågrörelsen fram och tillbaka (longitudinell) I ljud är vågrörelsen fram och tillbaka (longitudinell). Luften komprimeras och tunnas ut om vartannat.

I vattenvågor är det en blandning av olika rörelser

Ljud kan förflytta sig genom många olika material Luft Vatten Sten Metall Många andra

Ljud kan inte förflytta sig genom material som stoppar vågen Vakuum (ingen luft alls), stoppar helt ljudet. Det är helt tyst i rymden! Lösa material (kudde, glasull, skumgummi, bomull, t.ex.) stoppar ljudet. Sådant material kan användas för att stänga ute ljud som man inte vill höra

Ljud börjar med att ett föremål vibrerar

Till exempel en gitarrsträng

När man knäpper på en gitarrsträng uppstår en vibration i strängen När man knäpper på en gitarrsträng uppstår en vibration i strängen. (vibration = snabb rörelse fram och tillbaks)

Om vi tittar på vibrationen i slow motion ser det ut så här:

Om bara strängen och inget annat vibrerade skulle det inte bli så starkt ljud För att förstärka ljudet monteras strängen på en låda (gitarrkroppen) som kan överföra mer rörelse till luften än bara strängen Gitarrlådan vibrerar samtidigt. Detta kallas resonans, och gör ljudet starkare

Ord: resonans Resonans kommer från latin och betyder ”låta igen” Om ett föremål vibrerar kan vibrationen överföras till ett annat. Detta kallas resonans. Exempel: trälådan i en gitarr som vibrerar med samma hastighet som strängen Exempel: ett glas som vibrerar i takt med en ton

Om en ton är tillräckligt stark kan resonansen i ett glas få glaset att gå sönder! (se video på nästa sida)

Resonans i ett glas får glaset att gå sönder

Ord: frekvens Frekvens är hur många gånger per sekund något vibrerar. Frekvens mäts i enheten Hertz. 1 hertz = en vibration per sekund.

Skillnad mellan en ”hög” och ”låg” ton En hög ton (t.ex. flöjt) vibrerar många gånger per sekund. Den har hög frekvens En låg ton (t.ex. en basgitarr) vibrerar inte så många gånger per sekund. Den har låg frekvens.

Ju högre ton, desto högre frekvens Nästa sida visar frekvenser mellan 10000 Hz (Hertz=svängningar per sekund) och 1 Hz. Människans hörselområde ligger mellan ungefär 20 000 Hz och 20 Hz. Utanför detta område uppfattar vi inte ljudet

Många djur kan uppfatta frekvenser utanför människans hörselområde

Ord: våglängd Avståndet mellan vågtopparna i en vågrörelse kallas för våglängden Våglängd och frekvens hör alltid ihop Ju högre frekvens desto kortare våglängd

Våglängd

Samband mellan våglängd och frekvens Kort våglängd, hög frekvens Lång våglängd Låg frekvens

Ljudstyrka Hur starkt ljudet är avgörs av ”höjden” på vågen (precis som högre havsvågor har mer energi har högre ljudvågor mer ljudstyrka) Höjden på en våg kallas ”amplitud”

ORD: Amplitud = avstånd mellan vågtopp och vågdal

Mer om ljudstyrka Ljud är en longitudinell våg Amplitud är skillnaden i tryck mellan förtätningar och förtunningar i luften Ljudstyrka mäts i en enhet som heter Decibel, förkortning db

Ord: Decibel Decibel är namnet på enheten som används för att mäta ljudstyrka. Förkortning db

Om decibel Det mänskliga örat kan uppfatta ett otroligt stort antal olika ljudstyrkor Det starkaste ljudet som vi kan uppfatta är 1 000 000 000 000 gånger starkare än det svagaste Ett ljud som i verkligheten är 100 gånger starkare uppfattas kanske bara som dubbelt så starkt Måttet decibel tar med detta i beräkningen

Exempel från decibelskalan Viskning = 20 decibel Normal konversation = 60 decibel Normal konversation uppfattas kanske som dubbelt så stark som en viskning. Egentligen är det 10000 gånger starkare! Decibelskalan har anpassats till detta så att den stämmer med hur vi uppfattar det snarare än hur det egentligen är

Fler exempel Nästa total tystnad - 0 dB Viskning - 20 dB Normal konversation - 60 dB Gräsklippare - 90 dB Biltuta - 110 dB Rockkonsert eller jetflygplan 120 dB Pistolskott eller smällare - 140 dB

smärta rockkonsert flygplan åska tunnelbana klassrum

Över en viss nivå (decibel) kan ljud orsaka hörselskador Tid innan hörselskada uppstår 85 db 8 tim 88 db 4 tim 91 db 2 tim 94 bd 1 tim 97 db 30 min 100 db 15 min 103 db 7,5 min 106 db 3,5 min 109 db 1,8 min 115 db 1 min 120 db 30 sek

MP3 spelare och hörselskador Många MP3 spelare kan spela upp ljud över 85 db Maxvolym kan vara upp till 120 db 60% av maxvolymen brukar anses som säkert

Om en MP3 spelare kan höras på över 1 meters avstånd kan den orsaka hörselskada

Om olika sorters ljud Hur hög tonen är beror på frekvensen och mäts i Hz (Hertz) Hur stark tonen är beror på amplituden och mäts i db (decibel)

Vad är det som gör att en viss ton på en flöjt och samma ton på en violin låter olika? Varför låter olika människors röst olika, även om de sjunger samma ton?

Ord: överton När en viss ton låter, så låter även andra högre toner samtidigt De högre tonerna uppfattas inte direkt De högre tonerna avgör vilken sorts ljud vi hör (flöjt eller violin t.ex.) Vilka övertoner som hörs beror på vilket instrument eller vilken person det kommer ifrån

Om människorösten Om en människa sjunger hör vi bara en viss ton Egentligen finns det många högre toner i rösten Dessa toner avgör ”hur vi låter” – skillnaden mellan olika personers röst

Vissa speciella sångare kan få ”övertonerna” att låta starkare än grundtonen, så att vi kan höra dem Tekniken kallas ”throat singing” På nästa sida får du höra ett exempel

Kongar-ol Ondar on David Letterman's Late Show

Vad händer i örat? Efter att ljud förflyttat sig från ljudkällan genom luften och till vårt öra, hur uppfattar vi ljudet?

Först kommer ljudet till trumhinnan och får den att vibrera Ljudvåg

Detta får benen i örat att vibrera hammaren städet stigbygeln trumhinnan

Stigbygeln vibrerar mot ”ovala fönstret” hammaren städet Ovala fönstret stigbygeln trumhinnan

Ljudvågen förs vidare in i hörselsnäckans vätska hammaren städet vätska Ovala fönstret stigbygeln trumhinnan ljudvåg

Hårceller i snäckan känner av vibrationerna hammaren städet vätska Ovala fönstret stigbygeln trumhinnan hårceller ljudvåg

Och hörselnerven skickar signalen vidare till hjärnan hammaren städet vätska Ovala fönstret stigbygeln trumhinnan hårceller ljudvåg

Ljud i rörelse Har du varit med om att en ambulans åker förbi och att ljudet ändras? Tonen blir lägre när ambulansen åkt förbi. Vad är det som händer?

Hur hög tonen är bestäms av frekvensen Frekvensen och våglängden hänger ihop Om ett föremål som låter befinner sig i rörelse trycks ljudvågorna ihop eller dras isär, men andra ord så ändras våglängden

Samma frekvens Stillastående Högre frekvens Lägre frekvens I rörelse

Ord: Dopplereffekten Dopplereffekten är när frekvensen blir högre eller lägre på grund av föremålets rörelse Dopplereffekten kan även förekomma med andra sorters vågor (t.ex. ljus)

Ljudvallen Om ett föremål rör sig med ljudets hastighet kommer det att hinna ikapp sitt eget ljud. Ljudvågorna trycks då fullständigt ihop Resultatet blir en kraftig smäll just när ljudhastigheten uppnås Överljudsflygplan får därför inte bryta genom ljudvallen över bebyggda områden

Ord: ljudvallen Den barriär av komprimerad luft som ett flygplan måste bryta igenom för att överstiga ljudets hastighet

Flygplan som bryter igenom ljudvallen

Ord: Mach 1 Mach är ett annat ord för ljudets hastighet Ordet används för bland annat flygplan och missiler Ett flygplan som flyger i Mach 2 flyger 2 gånger ljudets hastighet (=790 m/s)

Praktiska användningar av ljud Ultraljud (ljud med högre frekvens än vi kan uppfatta) kan användas för att ”se” inuti fasta föremål, t.ex. för att se hur ett foster utvecklas

Ultraljudsbild

Ord: sonar Ljud kan användas för att ”se” genom vatten Det går till så att ett ljud skickas ut och sedan mäter man ekot som kommer tillbaks Sonar används i U-båtar

Sonar Ljud tas emot Reflekterat ljud Ljud skickas ut

Vissa djur använder sonar för att navigera

Fladdermus-sonar En fladdermus har så bra sonar att den kan flyga genom en fläkt utan att skada sig!

Även delfiner använder sonar En delfin har så bra sonar att den kan ”se” ett föremål inte större än en pingisboll i totalt mörker på 100 m avstånd!

Ljud, sammanfattning Ljud börjar som en vibration hos ett föremål Vibrationen förs vidare genom ett material t.ex. luft Ljudets hastighet är 344 m/s Frekvens = antal svängningar per sekund=Hertz (Hz) Hur hög eller låg ton det är bestäms av frekvensen

Ljud, sammanfattning, forts. Människan kan höra mellan 20 och 2000 svängningar per sekund Ljudstyrkan bestäms av amplituden hos vågen Amplituden hos ljud=skillnaden i tryck mellan komprimerad och utspädd luft Typen av ljud bestäms av övertoner Ljudet når slutligen örat

Ljud, sammanfattning, forts. I örat träffar ljudet trumhinnan och omvandlas till vibrationer i hörselsnäckan Nerver i hörselsnäckan skickar signalen till hjärnan Ljudkällor i rörelse ändrar frekvensen hos ljudet = Dopplereffekt Ljudets hastighet kallas för Mach 1 Ultraljud används för att ”se” in i fasta föremål

Ljud, sammanfattning, forts. Sonar används i U-båtar för att navigera Vissa djur använder sonar för att navigera, t.ex. fladdermus och delfin Resonans betyder att ljudets vibration överförs till ett annat föremål som då också låter Resonans används bl.a. i musikinstrument

Del 2, Ljus

Ljus är också en vågrörelse Ljus är en transversell vågrörelse

Till skillnad från andra vågor behöver ljus inte ett material att röra sig genom. Ljus kan röra sig genom tomma rymden

Ljusets hastighet Ljusets hastighet är 300 000 km/sek i vakuum (= i tomma rymden) 300 000 km motsvarar 7,5 varv runt jorden I material som vatten eller glas rör sig ljuset aningen långsammare

Ljusets färg beror på vilken våglängd det har

Hur uppfattar vi ljus?

Ljuset kommer från en ljuskälla

Ljuset träffar ett föremål och reflekteras

Ord: reflektion Reflektion är när ljuset träffar ett föremål och studsar bort från det

Det reflekterade ljuset når ögat

Ljuset går genom linsen och träffar näthinnan längst bak i ögat Ljuset går genom linsen och träffar näthinnan längst bak i ögat. Näthinnan skickar en elektrisk signal till synnerven som för signalen vidare till hjärnan näthinna synnerv Lins

Ord: Spektrum Ett spektrum är ett band av färger Om vi låter vitt ljus passera genom ett prisma (trekantig glasbit) delas ljuset up i sju olika färger. De ligger alltid i samma ordning: rött, orange, gult, grönt, blått indigo och violett

Spektrum Vitt ljus Prisma

Ljuset kan även delas upp i ett spektrum av regndroppar

Ljusets färg beror på vilken våglängd det har Rött ljus har lång våglängd Blått ljus har kort våglängd Grönt ligger mitt emellan

Ljus kan ha andra våglängder än synligt ljus Ultraviolett ljus (”UV”) har kortare våglängd än violett ljus. UV strålning gör att vi blir solbrända Infraröd strålning har längre våglängd än rött ljus. Det används bland annat i fjärrkontroller och i värmare

Ord: elektromagnetisk strålning Ett gemensamt namn för alla ”färger” både synliga och osynliga är elektromagnetisk strålning Det synliga ljuset är bara en ytterst liten del av alla våglängder Alla dessa våglängder brukar kallas det elektromagnetiska spektrumet (bild nästa sida)

De flesta våglängderna i det elektromagnetiska spektrumet är osynliga. Gamma strålning De flesta våglängderna i det elektromagnetiska spektrumet är osynliga. Många våglängder har att göra med saker som vi normalt inte tänker på som en sorts ”ljus” t.ex. TV, radio, mikrovåg, gamma strålning röntgen Osynligt UV synligt Osynligt Infrarött mikrovåg TV sändning Radiovågor

Reflektion Om en ljusstråle träffar ett föremål (som inte är genomskinligt) reflekteras det, vilket betyder att det studsar Om ytan är ojämn sprids strålarna. Om ytan är jämn reflekteras strålarna rakt

Reflektion från jämn yta

Reflektion från ojämn yta

Hos en jämn och rak yta är infallsvinkeln alltid = reflektionsvinkeln 45° 45°

Speglar kan vara böjda inåt eller utåt En inåtböjd spegel kallas konkav En utåtböjd spegel kallas för konvex Konkav Konvex

En konvex spegel sprider ljuset En konkav spegel samlar ljuset

Ord: brytning När ljus går från ett material och fortsätter genom ett annat byter det riktning Detta kallas att ljuset bryts Det händer till exempel när ljus går från luft till glas, eller från vatten till luft

Ljuset som kommer från vattnet till luften byter riktning och får pennan att se böjd ut

Ljus som går genom ett prisma byter riktning två gånger = bryts två gånger

Ord: lins En lins är ett (vanligtvis runt) glasföremål som är tjockare eller tunnare på mitten Tjockare på mitten kallas konvex Tunnare på mitten kallas konkav Linser konvex konkav

En konvex lins samlar ljuset Orden brännpunkt och brännvidd förklaras på nästa sida brännpunkt brännvidd

Två nya ord Brännpunkt: där ljusstrålarna samlas Brännvidd: avståndet från linsen till brännpunkten

En konkav lins sprider ljuset

Svårt att komma ihåg konvex och konkav? Här är en enkel minnesregel Konvex ”växer” på mitten Regeln stämmer för både speglar och linser

Speglar och linser har motsatt verkan på ljuset Konvex spegel sprider ljuset, men konvex lins samlar det Konkav spegel samlar ljuset, men en konkav lins sprider det

Användning av konvexa linser Konvexa linser används bland annat i förstoringsglas och kikare

Parabolantenn En parabolantenn är som en konkav ”spegel”. Den samlar TV vågor från en sattelit till en punkt

Linser används även i glasögon Om ögat är för ”kort” används konvexa linser för att samla ljuset längre fram Om ögat är för långt används konkava linser för att samla ljuset längre bak

Normalt öga Översynt öga Korrigerad syn Närsynt öga Närsynt öga Konvex lins korrigerar Lusstrålar når näthinnan Lusstrålar samlas för långt bak Närsynt öga Närsynt öga Korrigerad syn Ljusstrålar samlas för långt fram Konkav lins korrigerar

Polariserat ljus Ljusvågor vibrerar normalt i alla riktningar Om ljuset får passera ett speciellt filter som ser ut som ett mikroskopiskt galler släpps bara vibrationer i en riktning igenom Polariserade solglasögon används för att ta bort reflektioner från till exempel vatten när man fiskar

Polariseringslinsen ser ut som vanliga solglasögon i verkligheten Vanligt ljus Polariserat ljus

Utan polariserade linser Med polariserade linser

Om färger Hur uppfattar ögat färger? Vad är färg? Vad händer när man blandar färger?

En bild av omvärlden når näthinnan lins synnerv

På näthinnan finns syncellerna Det finns två sorts synceller, stavar, och tappar Stavarna kan uppfatta färg Tapparna kan bara uppfatta svartvitt

tappar stavar nerver

Tapparna ser färg

Stavarna ser svartvitt

När det är mörkt är det bara stavarna som fungerar, för tapparna behöver mera ljus, därför ser vi inte färger när det är mörkt

I mitten av ögat finns det mest tappar och längre ut finns det fler stavar Om du vill se när det är mörkt ute är det bäst att titta lite bredvid föremålet du vill se!

Tapparna är känsliga för tre olika färger Rött, grönt och blått är de färger tapparna egentligen uppfattar Andra färger är en blandning av de tre, och hjärnan kan tolka intrycken från nervcellerna

Färgblindhet Hos vissa människor uppfattar de gröna och röda tapparna ett större färgområde, och då kan rött och grönt blandas ihop På nästa sida är ett test för färgblindhet. Kan du läsa vad det står i rutorna?

TEST FÖR FÄRGBLINDHET

Blandning av färger Om man blandar ljus av olika färger får man inte samma resultat som om man blandar olika målarfärger

Ord: pigment När man pratar om det som ger färg åt t.ex. målarfärg eller kritor brukar man kalla det pigment Vi har också pigment i huden – det blir brunt när man är solbränd

Blandning av ljus Blandning av pigment

Ord: optisk illusion På grund av hur ögat och hjärnan fungerar kan man ibland luras att se fel. Det kallas en optisk illusion På de följande sidorna får du se lite optiska illusioner Det är bara för skojs skull. Du behöver inte lägga det på minnet

Vilken ruta är mörkast, A eller B?

Är linjerna raka? Titta från sidan!

Titta på svarta fläcken i mitten en stund. Vad händer med det gråa området runt?

Rör sig bilderna eller står de stilla?

Titta nära (15 cm). Vad föreställer bilden. Backa 2 meter Titta nära (15 cm). Vad föreställer bilden? Backa 2 meter. Vad ser du nu?

Fläckarna är egentligen hela tiden röda! Stirra på krysset i mitten. Vad händer med de röda fläckarna? Flytta huvudet lite. Vad händer? Fläckarna är egentligen hela tiden röda!