Om du ligger på en brygga och tittar ner i vattnet en lugn dag kan du se din spegelbild. En del av ljuset reflekteras i vattenytan och du ser dig själv. Om en anka nu simmar förbi bildas små krusningar på ytan och bilden förändras. Det kan se lite roligt ut när de små vågorna passerar ansiktet i bilden. När vattenytan ändrar form ändras också riktningen på det reflekterade ljuset. Bilden formas alltså av hur ytan ser ut. Du kan uppleva en liknande effekt när du tittar på din spegelbild i en julgranskula eller en sked. Hur kan formen på en spegel förändra bilden?

Du ser kanske en liten abborre simma förbi under bryggan. När du försöker fånga den med din håv kanske du missar. Fisken är inte riktigt där den ser ut att vara. Den ser ut att vara närmare vattenytan än den egentligen är. Det beror på att ljuset från fisken ändrar riktning när det går från vattnet till luften. När ljus ändrar riktning när det går från ett material till ett annat säger vi att ljuset bryts. Den här egenskapen kan vi använda för att tillverka linser till exempelvis förstoringsglas och glasögon.

Hur reflekteras ljus i en yta? Vi ska titta på speglar som ett exempel. När en ljusstråle träffar en spegel reflekteras den. För att beskriva hur ljuset reflekteras ritar vi en tänkt linje som är vinkelrät mot spegelns yta. Den kallas normalen. Vinkeln mellan den infallande ljusstrålen och normalen kallas infallsvinkeln. Vinkeln mellan den reflekterade strålen och normalen kallas reflektionsvinkeln. Reflektionslagen säger att:

infallsvinkeln är lika stor som reflektionsvinkeln.

Det betyder att vi kan förutsäga åt vilket håll ljuset kommer att gå efter att det träffat en spegel.

Ljusstråle som kommer in mot en yta. En del av strålen reflekteras och en del bryts.

En vanlig spegel är nästan helt plan. När du tittar i en sådan spegel når ljus från dig spegeln och reflekteras tillbaka mot dina ögon. Hjärnan tolkar ljuset som om det hade färdats rakt hela vägen. Därför ser det ut som att bilden av dig finns bakom spegeln. Bilden i en plan spegel är ungefär lika stor som föremålet och ser ut att ligga lika långt bakom spegeln som föremålet finns framför den.

Vi börjar med att titta på vad som händer med ljus som reflekteras i en plan, polerad yta. En spegel är ett bra exempel.

Hjärnan är helt fantastisk, men den går att lura ibland. Eftersom vi är vana att ljusstrålar går helt rakt blir det lite märkligt om de ändrar riktning, som när de reflekteras i en spegel. När du ser dig själv i en spegel är det du ser ljus som först har studsat på dig mot spegeln, för att där reflekteras. Ljuset från dina byxor reflekteras i spegel och når sedan ditt öga, men eftersom hjärnan är van vid att ljus rör sig rakt ser det ut som att dina byxor istället är på andra sidan spegeln. Vi säger att du ser en bild av dig själv i spegeln.

Ljuset studsar först på dig, och sedan mot spegeln för att till slut nå ditt öga. Hjärnan ser då en bild av dig på andra sidan spegeln.

Men en spegel behöver inte vara plan. Om spegeln är böjd kommer ljusstrålar som träffar olika delar av spegeln att reflekteras åt olika håll. På så sätt kan spegeln samla eller sprida ljuset. Det finns två viktiga typer av buktiga speglar:

• konkava speglar

• konvexa speglar

En konkav spegel buktar inåt, ungefär som insidan av en skål. Om parallella ljusstrålar träffar en konkav spegel reflekteras de så att de samlas i en punkt framför spegeln. Den punkten kallas brännpunkt eller fokus. Avståndet från spegeln till brännpunkten kallas brännvidd.

En konkav spegel kan därför användas för att samla ljus. Stora astronomiska teleskop använder till exempel krökta speglar för att samla in ljus från mycket avlägsna stjärnor och galaxer. Den äldre texten nämner just teleskop som ett viktigt användningsområde för krökta speglar. En konkav spegel kan också förstora en bild när föremålet befinner sig nära spegeln. Därför används sådana speglar till exempel som smink- och rakspeglar.

En konvex spegel buktar i stället utåt. När parallella ljusstrålar träffar en konvex spegel sprids de åt olika håll efter reflektionen. En konvex spegel ger en förminskad bild, men den gör samtidigt att man kan se ett större område. Därför används konvexa speglar på platser där man vill ha stor överblick, till exempel vid utfarter och i vissa trafikspeglar.

En plan, konkav och konvex spegel följer alla samma reflektionslag. Skillnaden är att normalen pekar åt olika håll på olika delar av en böjd spegel. Det är därför spegelns form kan förändra hur ljuset sprids:

• en plan spegel ändrar ljusets riktning utan att samla eller sprida strålarna

• en konkav spegel kan samla parallella strålar mot ett fokus

• en konvex spegel sprider strålarna.

Genom att välja rätt form på spegeln kan vi alltså forma och styra ljuset.

När du ligger på bryggan och tittar ned på abborren som simmar förbi ser det ut som om den är närmare dig än den verkligen är. Det beror på att ljus ändrar riktning när det går från ett material till ett annat. Vi säger att ljuset bryts. Det beror på att ljus går olika fort i olika material. Samma fenomen gör att sugröret i ett glas ser lite konstigt ut när man ser det genom vattnet.

Ljus rör sig snabbast i vakuum. I luft går det nästan lika fort, men i till exempel vatten och glas går ljuset långsammare. När ljuset går från ett material till ett annat förändras alltså dess hastighet. Om ljuset träffar gränsen mellan materialen rakt fram, vinkelrätt mot ytan, fortsätter det i samma riktning. Men om ljuset kommer snett mot ytan kan det ändra riktning.

Precis som när vi studerade speglar använder vi en normal. Normalen är en tänkt linje som är vinkelrät mot ytan. När ljus går från luft in i exempelvis glas eller vatten går det långsammare. Då bryts ljuset mot normalen. När ljuset går åt andra hållet, till exempel från glas till luft, ökar hastigheten. Då bryts ljuset från normalen.

Det går att sammanfatta så här:

• från luft till glas eller vatten → mot normalen

• från glas eller vatten till luft → från normalen

För att förstå varför ljuset bryts kan vi använda vågmodellen. Tänk dig en ljusvåg som kommer snett mot en glasyta. Den del av vågen som först når glaset börjar röra sig långsammare medan resten av vågen fortfarande rör sig snabbare i luften. Då ändrar vågen riktning. Det liknar vad som kan hända om en rad människor springer snett från en hård väg ut på mjuk sand. Den person som först kommer ut på sanden saktar ner först. Då vrider sig hela raden. På liknande sätt kan en ljusvåg ändra riktning när dess hastighet förändras.

När ljus går från luft in i glas minskar ljusets hastighet. Men ljuset fortsätter att svänga lika många gånger per sekund. Därför blir avståndet mellan vågtopparna mindre. Våglängden blir kortare. När ljuset lämnar glaset och går ut i luft igen ökar hastigheten och våglängden blir större igen.

En vanlig fönsterruta har två ytor som är nästan parallella. När ljuset går från luft in i glas bryts det åt ena hållet. När det sedan lämnar glaset och går ut i luften igen bryts det tillbaka. Därför fortsätter ljuset efter fönsterrutan ungefär i samma riktning som innan det gick in i glaset. Men om glasets ytor inte är parallella kan vi använda brytningen för att medvetet ändra ljusets riktning.

Det är precis vad vi gör i linser.

Titta genom ett förstoringsglas. Texten under glaset kan plötsligt se mycket större ut. Samma typ av böjda glas används i glasögon, kameror, mikroskop och kikare. Hur kan en bit glas förändra det vi ser? En lins är en genomskinlig bit glas eller plast som är formad så att ljuset bryts när det passerar genom den. Genom att välja linsens form kan vi få ljuset att samlas eller spridas.

En vanlig fönsterruta har två parallella ytor. Ljuset bryts när det går in i glaset och bryts sedan tillbaka när det lämnar det. Därför fortsätter det i samma riktning. I en lins är ytorna i stället böjda. Ljuset träffar därför olika delar av linsen med olika vinklar och bryts åt olika håll. På så sätt kan vi använda linsen för att styra ljuset.

En konvex lins är tjockast på mitten och tunnare ute vid kanterna. Den kallas också samlingslins, eftersom den kan samla parallella ljusstrålar. Tänk dig flera parallella ljusstrålar som kommer mot linsen. När de passerar genom linsen bryts de in mot mitten och möts på andra sidan. Punkten där strålarna samlas kallas brännpunkt eller fokus. Avståndet från linsens mitt till brännpunkten kallas brännvidd. En lins med kort brännvidd bryter ljuset mer än en lins med lång brännvidd.

En konkav lins har motsatt form. Den är tunnast på mitten och tjockare ute vid kanterna. Den kallas också spridningslins. När parallella ljusstrålar passerar genom en konkav lins sprids de åt olika håll. Om man följer de spridda strålarna bakåt ser det ut som om de kommer från en punkt framför linsen. Samlingslinser och spridningslinser påverkar alltså ljuset på olika sätt:

• en konvex lins samlar ljus

• en konkav lins sprider ljus.

En lins kan användas för att skapa en bild. För att bilden ska bli skarp måste ljus som kommer från en viss punkt på föremålet samlas till en bestämd punkt i bilden. En samlingslins kan göra just detta. Flera ljusstrålar från samma punkt på ett föremål kan brytas så att de möts igen på andra sidan linsen. Där kan en skarp bild bildas. Det är samma grundidé som används i exempelvis ögat och kameran.

Precis som med speglar kan vi använda ljusstrålar för att förstå vad en lins gör.

När vi arbetar med en samlingslins är två strålar särskilt användbara:

• En stråle som går genom mitten av linsen fortsätter ungefär rakt fram.

• En stråle som kommer parallellt med linsens optiska axel bryts genom brännpunkten.

Med hjälp av några sådana strålar kan vi rita ut var en bild kommer att bildas. Vi behöver inte alltid rita alla ljusstrålar. Några få räcker ofta för att förstå vad som händer.

Ett vanligt förstoringsglas, eller en lupp, är en konvex samlingslins. Om föremålet hålls på rätt avstånd från linsen ser ögat en förstorad bild. Därför kan en lupp användas för att studera små detaljer.

Samma grundidé används i mer avancerade optiska instrument som mikroskop och kikare.

Hur bilden ser ut beror på både linsens brännvidd och avståndet mellan föremålet och linsen. Det ska vi använda senare när vi tittar på ögat, glasögon och olika optiska instrument.