Lys som elektromagnetisk transversal bølge

Fysik A · STX · A-niveau · Bølger og optik

⚛️ Lys som elektromagnetisk transversal bølge

Lys er en elektromagnetisk bølge — selvbærende svingninger af elektriske og magnetiske felter, vinkelret på hinanden og på udbredelsesretningen.

Maxwells ligninger (1865): lys = elektromagnetisk bølge der breder sig med v = 1/√(ε₀·μ₀) = 3·10⁸ m/s. Forudsagde radiobølger (eksperimentelt verificeret af Hertz 1887).

Det elektromagnetiske spektrum (sorteret efter frekvens, lavest til højest): radio (10⁻⁹ - 10⁹ Hz), mikrobølger (10⁹ - 10¹¹ Hz, mobiltelefoner, mikrobølgeovn), infrarød (10¹¹ - 4·10¹⁴ Hz, varme), synligt lys (4-7,5·10¹⁴ Hz, 700-400 nm), ultraviolet (10¹⁵ - 10¹⁶ Hz, solbrun), røntgen (10¹⁶ - 10¹⁹ Hz, medicinsk billede), gamma (>10¹⁹ Hz, atomkerneprocesser).

Synligt lys: 400 nm (violet) → 450 (blå) → 500 (cyan) → 550 (grøn) → 600 (gul) → 650 (orange) → 700 nm (rød).

Lysets dobbeltnatur: bølge (interferens, diffraktion, polarisation — Young's dobbelt-spalte 1801) OG partikel (foto-effekt, Compton-spredning — Einstein 1905, Compton 1923).

Polarisation: lys-vektorer kan svinge i bestemt plan. Polaroid-filter blokerer alle andre retninger. Bruges i solbriller (reflekteret lys er polariseret), 3D-biograf-briller, LCD-skærme.

Refleksion: indfaldsvinkel = udfaldsvinkel.

Brydning: Snells lov n₁·sin(θ₁) = n₂·sin(θ₂).

Total intern refleksion: ved overgang fra højere til lavere brydningsindeks ved kritisk vinkel — bruges i lyslederkabler.

Diffraktion: bølge-bøjning omkring forhindring.

Interferens: bølger overlejrer (konstruktiv eller destruktiv).

Læringsmål

• Anvende bølgeligningen v = λ·f
• Skelne mekaniske og elektromagnetiske bølger
• Anvende gitter-formlen d·sin(θ) = nλ
• Anvende Snells lov for brydning
• Beregne Doppler-frekvensskift

Sådan kan du arbejde med emnet

• Forklar, hvad det betyder, at lys er en elektromagnetisk transversal bølge
• Beskriv, hvordan lys kan udbrede sig i vakuum, i modsætning til lyd
• Diskutér, hvilke dele af det elektromagnetiske spektrum der er synligt for mennesker

Eksperiment-forslag

• Lav en oversigt over det elektromagnetiske spektrum med selvvalgte eksempler på hver bølgelængdes anvendelse i hverdag og teknologi.
• Undersøg polarisation med to polaroid-filtre — drej det ene 90° og observer, hvordan lysintensiteten ændres.
• Demonstrer total intern refleksion i et akvarium eller med en lysleder, og forklar princippet bag fiberoptiske kabler.

Brobygning

Lysets bølgenatur kan bevises direkte ved at sende lys gennem to nære spalter eller et gitter — de to bølger overlejrer hinanden og skaber et synligt mønster. Næste emne er 'Interferens og diffraktion (gitter-formel)'.