Akustik och optik

Undervisningen i ämnet fysik ska syfta till att eleverna utvecklar kunskaper om fysikaliska sammanhang och nyfikenhet på och intresse för att undersöka omvärlden. Genom undervisningen ska eleverna ges möjlighet att ställa frågor om fysikaliska företeelser och sammanhang utifrån egna upplevelser och aktuella händelser. Genom undervisningen ska eleverna också utveckla förståelse för att påståenden kan prövas och värderas med hjälp av naturvetenskapliga arbetsmetoder.

V. 10 Akustik

V.11 Akustik

V.12 Optik

V.13 Optik

V.14 PRAO

V.15 Prov

Läroplanskopplingar

Centralt innehåll

• Hur ljud uppstår, breder ut sig och kan registreras på olika sätt. Ljudets egenskaper och ljudmiljöns påverkan på hälsan.
• Ljusets utbredning, reflektion och brytning i vardagliga sammanhang. Förklaringsmodeller för hur ögat uppfattar färg.

Uppgifter

Akustik: Frågor

Akustik frågor

1. Går ljudet snabbare i vattnet än i luften? Varför, varför inte?

2. Hur kan man rita ljud?

3. Vad menas med frekvens?

4. Vilken enhet har frekvens?

5. Vad händer om du lägger en linjal vid kanten av ett bord och knäpper på den så att den börjar vibrera och varför?

6. Varför finns det inte ljud i vakuum?

7. Vilken fart går luftvågen fram med?

8. Hur fort går ljudet i metaller som aluminium och järn?

9. Hur fort går ljudet i vatten?

10. Ge exempel på en jämn svängning och en ojämn svängning.

11. Vad är det som gör att olika instrument och röster låter olika?

12. Vad betyder resonans?

13. Hur skriver man tonerna för ett instruments ljud?

14. Hur stort är människans hörselområde?

15. Ge exempel på ljud som är under hörselgränsen.

16. Ge exempel på ljud som är över hörselgränsen.

17. Vad är infraljud och finns det djur som kan kommunicera med hjälp av det?

18. Många djur hör bättre än människor. Ett exempel är elefanter som kan

19. Vad är ultraljud och finns det något eller några djur som kan höra det?

20. Vad är buller?

21. Ge exempel på buller.

22. Vad kan det leda till om man lever i en miljö med mycket buller?¨

23. Vad är enheten för ljudnivå?

24. Hur många decibel ökar man med för att ljudet ska uppfattas som dubbelt så starkt?

25. Vilken skada kan ett starkt ljud göra?

26. Vilken ålder är trumhinnorna extra ömtåliga och vad bör man undvika att göra?

27. Vilka tre saker krävs för att buller ska vara ett problem?

28. Hur kan buller dämpas?

29. Vem ser till att det inte är för mycket buller på t.ex. en arbetsplats?

30. Vad har saker som bilar, industri maskiner och motorcyklar för att minska bullret?

31. Nämn minst 2 olika hörselskydd.

Bygg en högtalare

Under halvklasslektionerna i fysik ska vi bygga högtalare.

Bygga en högtalare.docx

Akustik frågor med facit

Akustik frågor

Går ljudet snabbare i vattnet än i luften? Varför, varför inte?

Svar: Ja ljudet går snabbare i vattnet. Det gör det eftersom att molekylerna ligger tätare och har lättare att knuffa till varandra.

Hur kan man rita ljud? Visa ett ex.

Man kan rita ljudvågor med hjälp av linjer. Där luften är tät ritar man en topp och där den är tunn ritar man en dal.

Vad menas med frekvens?

Med frekvens menas hur många svängningar vågen gör på en sekund.

Vilken enhet har frekvens?

Man mäter frekvensen i hertz (Hz). 1 topp och en dal är 1 Hz.

Vad händer om du lägger en linjal vid kanten av ett bord och knäpper på den så att den börjar vibrera och varför?

Linjalen knuffar molekylerna i luften gång på gång och då får molekylerna fart och krockar med andra molekyler. P.g.a. det svänger den fram och tillbaka. Det bildas även en tryckvåg som når örat och sätter trumhinnan i svängning. Inne i örat görs tryckvågen om till en elektrisk signal och när signaler når hjärnan så uppfattar man ljudet.

Varför finns det inte ljud i vakuum?

För att ljud bara kan finns i materia.

Vilken fart går luftvågen fram med?

I luft går tryckvågen fram med farten 340 m/s.

Hur fort går ljudet i metaller som aluminium och järn?

5000 m/s

Hur fort går ljudet i vatten?

1500 m/s

Ge exempel på en jämn svängning och en ojämn svängning.

En ton är en jämn svängning och buller är en ojämn svängning.

Vad är det som gör att olika instrument och röster låter olika?

Det är övertonerna som gör att olika instrument och röster låter olika.

Vad betyder resonans?

Resonans betyder medsvängning som gör att ljudet förstärks.

Hur skriver man tonerna för ett instruments ljud?

Med hjälp av noter och bokstäver.

Hur stort är människans hörselområde?

20 Hz - 20 000 Hz.

Ge exempel på ljud som är under hörselgränsen.

Infraljud, våra egna blinkningar, rörelser i matstrupen.

Ge exempel på ljud som är över hörselgränsen.

Ultraljud, instrument, när människor pratar.

Vad är infraljud och finns det djur som kan kommunicera med hjälp av det?

Infraljud är ett ljud som vi inte hör p.g.a. att frekvensen är under 20 Hz. Infraljud uppstår t.ex. av stora maskiner, vind, vatten och väderfront. Det kan också uppstå i bilar när man vevar ner rutorna, då bildas det luftvirvlar som skapar infraljud.

Infraljud kan påverka människor, man kan bli illamående, huvudvärk och svårigheter att koncentrera sig, det kan också vara sövande. Infraljud kan färdas längre sträckor än annat ljud och kan få stora fönster att röra sig.

Många djur hör bättre än människor. Ett exempel är elefanter som kan kommunicera över långa sträckor med hjälp av infraljud.

Vad är ultraljud och finns det något eller några djur som kan höra det?

Ultraljud är ett ljud som vi inte hör p.g.a. att frekvensen är över 20 000 Hz. Fåglar och fladdermöss kan höra ultraljud. Det kan även hundar. Ultraljud kan även användas för att hjärta och blodkärl. Men man kan även göra en ultraljudsundersökning av ett foster som ligger i en kvinnas mage.

Ultraljud har även andra användningsområden som att rengöra ömtåliga gamla tyger, kontrollera svetsfogar, låsa bilen, stänga av tv:n och mycket mer.

Vad är buller?

Buller är en oregelbunden svängning.

Ge exempel på buller.

När ett flygplan går in i landning, en buss som dundrar förbi, när någon raspar med en penna, trafiken. Det är därför man bygger motorvägar och flygplatser utanför städer.

Vad kan det leda till om man lever i en miljö med mycket buller?¨

Det man lär sig kommer man inte ihåg lika bra, det kan ge oss stress. Stress kan påverka både människor och djur.

Vad är enheten för ljudnivå?

Enheten för ljudnivå är 1 decibel (1 dB)

Hur många decibel ökar man med för att ljudet ska uppfattas som dubbelt så starkt?

10 dB.

Vilken skada kan ett starkt ljud göra?

Man kan få tinnitus. Tinnitus är en hörselskada som ger ett ständigt ljud i örat. Musiker har ofta problem med hörselskador.

Vilken ålder är trumhinnorna extra ömtåliga och vad bör man undvika att göra?

Små barn har ömtåliga trumhinnor. Man bör undvika att använda hörlurar och öronsnäckor. Speciellt på små barn som är under två år.

Vilka tre saker krävs för att buller ska vara ett problem?

Något ska bullra, ljudet ska spridas, det ska finnas någon som hör ljudet.

Hur kan buller dämpas?

Buller kan dämpas med hjälp av bullervallar, hörselskydd, porösa väggplattor m.m.

Vem ser till att det inte är för mycket buller på t.ex. en arbetsplats?

Skyddsombudet.

Vad har saker som bilar, industri maskiner och motorcyklar för att minska bullret?

Ljuddämpare för bilar och motorcyklar och olja för maskiner.

Nämn minst 2 olika hörselskydd.

Mjuka öronproppar, formgjutna öronproppar efter sina egna öron, hörselkåpor.

Akustik: läran om ljudet

AKUSTIK - Läran om ljudet

Ljud är egentligen tryckförändringar i något material. För att ett ljud ska uppstå måste något svänga eller vibrera. När en gitarrsträng vibrerar, rör den sig fram och tillbaka. När den rör sig framåt pressar den ihop luftmolekylerna framför sig. Det blir alltså lite tätare med luftmolekyler framför strängen. Det har bildats en tryckökning. När gitarrsträngen rör sig bakåt, bildas i stället en trycksänkning framför strängen.

Hörseln

En gitarrsträng kan svänga fram och tillbaka flera hundra gånger varje sekund. Det uppstår då en serie tryckökningar och trycksänkningar i luften runt strängen. Dessa tryckförändringar sprids åt alla håll genom luften från strängen. Tryckförändringarna träffar trumhinnan i örat, där trumhinnan börjar svänga i samma takt som strängen. Varje gång din trumhinna träffas av en tryckhöjning, rör den sig inåt. När den träffas av en tryckminskning rör den sig utåt. Innerörat och hjärnan gör sedan om trumhinnans rörelser så att du kan uppfatta det som ett ljud.

Toner - Buller

Om tryckförändringarna, som träffar trumhinnan, är regelbundna upplever du detta som en ton. Om däremot tryckförändringarna kommer oregelbundet, upplever du det som buller.

Regelbundna tryckförändringar ger en ton.

Oregelbundna tryckförändringar ger buller.

Tonhöjd - Frekvens

Tonhöjden bestäms av antalet svängningar per sekund. Antalet svängningar per sekund kallas frekvens. Frekvens mäts i hertz (Hz). Heinrich Hertz var en tysk fysiker. Han föddes 1857 och dog 1894. Under sitt korta liv hann Hertz göra viktiga undersökningar av elektromagnetisk strålning.

Hög frekvens, många svängningar per sekund, ger en hög ton.

Låg frekvens, få svängningar per sekund, ger en låg ton.

Ljudstyrka

Ljudstyrkan mäts i decibel, dB. Alexander Graham Bell gjorde en smart mätmetod för ljud och uppkallade mätenheten efter sig själv. En "Bell" är den höjning av ljudstyrkan som behövs för att en person ska uppfatta ljudet som dubbelt så starkt. Men eftersom ”Bell” är en alltför grov enhet att jobba med, så delar man upp den i tiondelar, dvs. deci-Bell (eller decibel som det heter), som förkortas dB. För att man överhuvudtaget ska höra en skillnad i ljudstyrka krävs det en förhöjning på 2-3 decibel. 6 dB är en påtaglig, klart hörbar förändring och 10 dB är som sagt den nivå då örat hör en fördubbling av ursprungsnivån.

Om tryckförändringarna som träffar ditt öra är stora, kommer din trumhinna att göra stora svängningar. Du upplever det då som ett starkt ljud. Om tryckförändringarna som träffar ditt öra däremot är små, blir trumhinnans rörelse mindre. Du upplever det då som ett svagt ljud.

Stora tryckförändringar ger ett starkt ljud. Små tryckförändringar ger ett svagt ljud. Tonhöjden bestäms av antalet svängningar eller tryckförändringar per sekund och ljudstyrkan bestäms av hur stora svängningarna eller tryckförändringarna är. Amplituden är höjden på ljudvågorna  ju högre amplitud desto starkare ljud.

Infraljud

Om frekvensen är mindre än omkring tjugo svängningar per sekund uppfattar inte ditt öra det som en ton. Däremot kan du känna tryckförändringarna i hela kroppen. Ljud som har för låg frekvens för att vi ska kunna höra dem kallas infraljud.

Ultraljud

Som nyfödd kan man uppfatta omkring 20 000 hertz. Med åldern minskar trumhinnans förmåga att svänga snabbt. Det betyder att äldre människor oftast inte kan höra så höga ljud. Ljud som har för hög frekvens för att vi ska kunna höra dem kallas för ultraljud. Hundar och fladdermöss kan höra betydligt högre ljud än människor. T ex flasknosdelfinernas ultraljud (klickljud) har frekvenser mellan 40 000 och 140 000 hertz, men vissa av deras visselljud kan människan uppfatta. Människan kan uppfatta ljud mellan 20 och 20 000 hertz. Ljud med lägre frekvens kallas infraljud. Ljud med högre frekvens kallas ultraljud

Ljudets hastighet

Ljudet går olika fort i olika material. I luft är hastigheten omkring 340 m/s. Hastigheten varierar lite med luftens temperatur och ökar när temperaturen ökar.

Nedan följer en tabell över ljudets hastighet i några olika material:

Ämne Hastighet (m/s)

Bly 1 320

Järn 5 130

Koppar 3 560

Silver 2 610

Glas 4 000 - 5 000

Granit 4 000

Trä ca 4 000

Vatten 1 500

Koldioxid 260

Luft 340

Eftersom ljudet går med en hastighet av 340 m/s i luft, tar det ungefär tre sekunder för ljudet att färdas en kilometer i luft. Det betyder att om du ser en blixt och hör åskknallen sex sekunder senare, så är åskvädret två kilometer bort. Ljuset från blixten når dig praktiskt taget i samma ögonblick som urladdningen sker.

Eko

När ljudvågorna träffar ett fast föremål eller gränsskiktet mellan två olika material, kan ljudet reflekteras, kastas tillbaka. Detta fenomen kallas för eko.

Tekniskt har man utnyttjat ekoeffekten i ekolodet, som man bland annat använder för att bestämma vattendjup eller leta efter fiskstim. I ett ekolod mäter man tidsskillnaden mellan den ljudsignal som man skickar ut och det eko som reflekteras tillbaka. Ekolodet räknar om tidsskillnaden till ett avstånd. Fladdermöss och delfiner använder en sorts ekolod för att fånga insekter i mörker eller för att kommunicera.

Resonans

Resonans är när något svänger eller vibrerar i takt med något annat. Resonans innebär att någonting som svänger kan sätta något annat i svängning.

En akustisk gitarr låter mycket för att strängarnas vibrationer fortplantar sig till den ihåliga gitarrlådan. Svängningarna i gitarrlådan sätter i sin tur i gång rörelser i luften i samma takt. Gitarrlådan och all luft som finns i den förstärker alltså vibrationerna från strängarna och gör att gitarren ger mycket ljud ifrån sig. Gitarrens utformning och material skapar också gitarrens speciella klang. Man talar också om resonans när man håller en stämgaffel mot ett bord så att ljudet blir starkare. Då börjar bordet vibrera i samma takt som stämgaffeln och ljudet förstärks.

Begrepp

Frekvens: antal svängningar under en viss tid. Enhet: antal svängningar/sekund eller Hz Hertz

Svängningstid: hur lång tid en svängning tar

Våglängd: Avståndet mellan två förtätningar eller två förtunningar

Tonhöjd: Hur ljus/mörk tonen är

Tonstyrka: hur stark/svag tonen är

Buller: störande ljud, oljud. Ljud som inte är toner. Toner är regelbundna svängningar

Resonans: =återljud eller medsvängningen. Ett ljud förstärks när ljudet fortplantar sig och sätter något annat föremål i svängning. Ex. sätter stämgaffeln mot ett bord. Bordet svänger i samma takt som stämgaffeln.

INSTUDERINGSFRÅGOR LJUD

1. Hur skapas ljud, och hur fortplantar det sig genom luften?

2. Förklara hur örat fungerar.

3. Vad menas med resonans?

4. Vilken är skillnaden mellan höga och låga, respektive starka och svaga toner?

5. Förklara varför vi inte ser blixten samtidigt som vi hör åskan.

6. Vad är eko?

7. Vad menas med 1 Hz?

8. Vad menas med infraljud?

9. Vad menas med ultraljud?

10. En vanlig gitarr har en resonanslåda. Vad har den för funktion?

11. Båtar använder ekolod b l a för att mäta bottendjup, förklara hur ekolodet fungerar.

12. Rita en signal som ger en hög samt en låg ton, markera ut och förklara skillnaden.

Optik: Läran om ljudet

OPTIK – läran om ljuset

Ljuset utbreder sig rätlinjigt. Ljus kan betraktas som en elektromagnetisk vågrörelse eller som partikelstrålning (fotoner). Ljus behöver ingen materia för att ta sig fram. Det är därför ljuset från avlägsna stjärnor kan nå oss genom rymden. I vakuum går ljuset med en hastighet av 300 000 kilometer per sekund. I andra genomskinliga material går det långsammare. Ögat kan uppfatta ljus inom våglängdsområdet, 390 nm–770 nm (nanometer).

Ljuskällor

Ljuskällor är föremål som själva sänder ut ljus, till exempel solen, en lampa eller ett stearinljus. Anledningen till att vi kan se andra föremål, som inte själva är ljuskällor, är att ljuset från någon ljuskälla reflekteras mot dessa föremål och därefter når våra ögon.

Ljusår

Ett ljusår är den sträcka som ljuset färdas på ett år. Ett ljusår är ungefär 9,5 *1012 km. Avståndet mellan solen och jorden är ungefär 150 miljoner km. Det tar 8,3 minuter för ljuset att färdas från solen till jorden.

Belysning

Med belysning menar man hur mycket ljus som träffar en bestämd yta. Belysning mäts i lux. Om ljuskällan är stark och befinner sig nära den yta som ska belysas, blir belysningen stor.

Ljusstyrka

Ljusstyrka är en storhet för att mäta hur mycket ljus som strålar ut i en viss riktning från en ljuskälla. SI-enheten för ljusstyrka är candela (cd). En stearinljuslåga med en diameter på 25 mm har en ljusstyrka på ungefär 1 cd.

Ljus kan reflekteras

Det finns tre olika typer av speglar: Plana, konvexa och konkava. När ljuset träffar en plan spegel, reflekteras ljuset enligt reflektionslagen. Ljusstrålar från ett objekt reflekteras av spegeln på ungefär samma sätt som en boll som studsar mot en plan yta. Reflektionslagen säger att reflektionsvinkeln är lika stor som infallsvinkeln.

Efter reflektionen är ljuset riktat som om det hade kommit från en punkt lika långt bakom spegelytan som objektet är placerat framför den. Därför ser speglade objekt ut att befinna sig bakom spegelytan.

Om parallella strålar träffar en konkav spegel, reflekteras de mot en punkt, som kallas brännpunkt eller fokus. Avståndet mellan spegeln och brännpunkten kallas brännvidd. Parallella strålar som träffar en konvex spegel sprids.

Speglar i praktiskt bruk

Konkava kan ge både en förstorad och en förminskad bild (om man håller spegeln nära sig blir bilden förstorad, om man håller den långt ifrån sig blir bilden förminskad och uppochner vänd). Konvexa speglar ger en förminskad bild. Konkava speglar används för att samla ljus till exempel i strålkastare. Konvexa speglar kan användas som backspeglar. Man får då en förminskad bild av verkligheten.

Ljus kan brytas

Linser är genomskinliga kroppar som samlar eller sprider ljus. Linser kan vara antingen konvexa eller konkava. Konvexa linser kallas också för positiva linser eller samlingslinser. Konvexa linser används för att samla ljus. Konkava linser kallas också för negativa linser eller spridningslinser. Konkava linser används för att sprida ljus.

Parallella ljusstrålar, som träffar en konvex lins, bryts ihop till en punkt. Denna punkt kallas för linsens brännpunkt. Avståndet från linsen till brännpunkten kallas för brännvidd.

Strålar som faller in parallellt till en konkav lins sprids ut ifrån varandra av linsen. Man säger att strålarna divergerar efter att ha passerat linsen. Men om du tänker dig att du förlänger strålarna bakåt, upptäcker du att alla strålarna ser ut att komma från en och samma punkt på huvudaxeln. Denna punkt är den konkava linsens brännpunkt, men de verkliga strålarna möts aldrig där.

Avståndet mellan en lins och linsens brännpunkt kallas för brännvidd. Ju buktigare linsytorna är, desto kortare är brännvidden.

När en ljusstråle passerar gränsen mellan två olika material ändrar den hastighet. Detta medför att strålen samtidigt ändrar riktning - att den bryts.

Om infallsvinkeln blir för stor kan det hända att den

aldrig tar sig ut i luften utan reflekteras tillbaka in i glaset

– detta fenomen kallas för totalreflektion.

Linser i praktiskt bruk

Linser finns i många optiska apparater som till exempel kikare, mikroskop och kameror. Man kan också använda en konvex lins som ett förstoringsglas.

Ljusets väg genom ögat

Ljuset bryts först i hornhinnan, sedan i linsen och tillslut i glaskroppen. Den största brytningen sker i hornhinnan. Linsens uppgift är att finjustera brytningen så att ljuset strålar samman på exakt rätt plats på näthinnan = gula fläcken (det ställe där vi ser skarpast)

Närsynthet och översynthet:

Färger

Färg är vår upplevelse av färg när vi ser till exempel en röd ros eller en gul citron. Med färg menas vanligen först och främst själva upplevelsen av färg. Vi upplever dagsljuset eller solljuset som vitt. Men vitt ljus är egentligen en blandning av alla färger som vi kan se.

Färg Våglängdsområde

Frekvensområde

Röd

~ 625-740 nm ~ 480-405 THz

Orange

~ 590-625 nm ~ 510-480 THz

Gul

~ 565-590 nm ~ 530-510 THz

Grön

~ 520-565 nm ~ 580-530 THz

Cyan

~ 500-520 nm ~ 600-580 THz

Blå

~ 450-500 nm ~ 670-600 THz

Indigo

~ 430-450 nm ~ 700-670 THz

Violett

~ 380-430 nm ~ 790-700 THz

Om vi låter vitt ljus gå genom ett prisma (ett stycke glas med vinklade plana sidor) delas ljuset upp i ett spektrum med alla synliga färger: violett, indigo, blått, grönt, gult, orange, rött. Uppdelningen beror på att de olika färgerna tar lite olika vägar genom glaset när ljusvågorna bryts i övergångarna mellan luft och glas. Det ljus som bryts mest är det ultravioletta ljuset, det som bryts minst är det röda ljuset.

Tänk dig att vanligt vitt ljus träffar en röd tröja. Ljuset som tröjan reflekterar är rött. Ljuset förändras alltså på något sätt då det studsar mot den röda ytan. Det beror på att tröjan bara reflekterar en del av ljuset. Resten av det vita ljuset absorberas. Det ljus som reflekteras uppfattar vi som rött. Vita föremål reflekterar många delar av det infallande ljuset. Det är därför vi uppfattar dem som vita. Föremål som vi kallar svarta absorberar nästan alla delar av det infallande ljuset.

Tappar och stavar

Syncellerna i näthinnan reagerar för synligt ljus. Det finns två typer av sinnesceller, tappar och stavar.

Stavarna är mest ljuskänsliga och används i mörker, de kan inte skilja på olika färger. Tapparna är mest färgkänsliga och används när ljuset är bra. Stavarna ligger i näthinnans yttre kanter, medan tapparna finns i mitten. Människan har tre olika typer av tappar. Tapparna är känsliga för rött ljus, grönt ljus och blått ljus. Med hjälp av dessa kan vi särskilja över en miljon olika färgnyanser.

INSTUDERINGSFRÅGOR - LJUS

1. Vad menas med brännvidden hos en buktig spegel?

2. Rita en bild som visar hur en ljusstråle går från vatten till luft.

3. Bryts strålen mot eller från normalen?

4. Vad händer när infallsvinkeln blir tillräckligt stor?

5. En lins träffas av parallella strålar. Strålarna bryts så att de skär varandra i en punkt.

a) Vad kallas den punkten?

b) Vad slags lins är det?

6. När man blir äldre är det vanligt att man blir översynt.

a) Vad innebär det?

b) Hur kan synfelet avhjälpas?

7. Vitt ljus träffar en prisma. Vilken färg bryts minst respektive mest?

8. Vi tänker oss att ögat samtidigt träffas av spektrums alla färger. Vilken färg uppfattar ögat det som?

9. Varför är en apelsin gul?

Filmer om akustik och optik

https://app.begreppa.se/begreppa/videos/fysik/ljud-och-ljus/vad-ar-ljud

https://app.begreppa.se/begreppa/videos/fysik/ljud-och-ljus/hur-paverkas-vi-av-ljudet-omkring-oss

https://app.begreppa.se/begreppa/videos/fysik/ljud-och-ljus/synligt-och-osynligt-ljus

https://app.begreppa.se/begreppa/videos/fysik/ljud-och-ljus/ljusets-brytning

https://app.begreppa.se/begreppa/videos/fysik/ljud-och-ljus/hur-reflekteras-ljus

https://app.begreppa.se/begreppa/videos/fysik/ljud-och-ljus/hur-hjalper-glasogon-och-linser-oss-att-se-battre