Brytning av ljus

I den här lektionen ska vi fortsätta arbeta med ljus. Vi fortsätter att behandla ljuset inom den så kallade strålmodellen, som innebär att ljuset färdas från ljuskällan i räta linjer tills det träffar på och interagerar med materia. Det är bra om du har gått igenom föregående lektion:
Strålmodellen för ljus – Reflektion av ljus.

Vi ska särskilt titta på fenomenet brytning av ljus. Det inträffar då ljus passerar en gränsyta mellan två olika medium. Det finns många likheter mellan brytning av mekaniska vågor och ljusets brytning, så titta gärna igenom även den lektionen innan du tar itu med den här:
Reflektion och brytning av mekaniska vågor.

Då ljus går från ett medium till ett annat (med andra egenskaper) beter det sig på ett likartat sätt som då mekaniska vågor bryts, det ändrar riktning. Det beror på att ljusets hastighet är olika i olika medium.

Några vardagsexempel på detta är ett sugrör i ett glas med vatten. Tittar du ned på sugröret ovanifrån så ser det ut som att det är böjt. Detta beror på att hjärnan tolkar allt ljus som att det har färdats rätlinjigt från källan till ögat, och då ljuset bryts vid ytan ser de punkter på sugröret som är under ytan ut att vara närmare ytan än vad de egentligen är.

Andra gånger detta fenomen kan märkas är om du paddlar och åran ser knäckt ut, eller om du är på badhuset och ska dyka och hämta något på botten. Föremålet ligger inte riktigt där du tror.

I lektionen om mekaniska vågor jämförde vi med vad som händer om vi kör en lådbil på asfalt för att sedan köra ut på en gräsmatta. Bilen går långsammare på gräset, vilket gör att när det främre hjulparet når gräset ändras bilens riktning och böjs av mot normalen. Och tvärtom då bilen byter det långsammare underlaget gräs mot den snabbare asfalten: Riktningen bryts från normalen.

Något liknande kan sägas gälla för ljus. När det i vardagstal pratas om ”ljusets hastighet” menas oftast ljusets hastighet i vakuum, men ljuset har olika hastighet i olika medier. Då ljus går från ett medium där det kan färdas med högre hastighet till ett medium där det har lägre hastighet bryts ljuset mot normalen. Och tvärtom då ljus går från ett medium med lägre hastighet till ett medium med högre hastighet: Ljuset bryts ljuset från normalen.

Ett material där ljuset har lättare att ta sig fram kallas optiskt tunnare, och ett material där ljuset har svårare att ta sig fram kallas optiskt tätare.

För att få ett mått på hur lätt ljuset tar sig fram i ett material, dvs ett mått på den optiska tätheten, används brytningsindex, $n$n. Ett materials brytningsindex är definierat som kvoten mellan ljusets hastighet i vakuum och ljusets hastighet i materialet.

För luft är brytningsindex ganska nära det för rent vakuum, och i gymnasiefysiken brukar vi använda  $n_{\text{luft}}\approx1,00$n_luft≈1,00  i våra beräkningar. Ljusets hastighet i vatten är lägre och därmed är brytningsindex för vatten högre, $n_{\text{vatten}}\approx1,33$n_vatten≈1,33 . För glas ligger brytningsindex mellan  $1,4$1,4  och  $1,6$1,6. 

I videon går vi igenom hur vi kan ta fram ett samband mellan brytningsindex för de båda medierna samt infalls- och brytningsvinkel. Detta samband kallas brytningslagen eller Snells lag.