När solen kommer fram efter ett regn kan det hända att du ser en stor regnbåge på himlen. Har du tur kan du kanske se en regnbåge till, utanför den första. Den andra regnbågen är lite suddigare och färgerna kommer i omvänd ordning.

[bild på en dubbel regnbåge]

En solig dag kan du faktiskt göra en egen regnbåge med hjälp av en vattenslang. Ställ in munstycket så att det sprider små droppar och ställ dig med solen i ryggen - nu kan du måla en egen regnbåge. Vad är det som händer när det vita solljuset träffar vattendropparna?

Optik handlar om att beskriva vad som händer när ljus passerar från ett material till ett annat. Som när det lyser genom en regndroppe. Vårt viktigaste instrument inom optiken är ögat. Men linser och speglar kan också forma och styra ljus. Det gör att vi kan bygga mikroskop och kikare. Och fiberoptik låter oss kommunicera över hela världen.

När vi tittar ut genom fönstret för att se vilket väder det är, kan vi se det eftersom ljuset passerar genom glaset. Solens strålar träffar föremålen och sprids. Vi kanske också kan se en svag bild av oss själva i glasrutan? Ljuset som träffar oss reflekteras sedan i glaset. Den reflekterade bilden är ganska svag eftersom det mesta ljus som träffar en glasruta passerar igenom, det transmitteras. Hur ljuset som träffar ett föremål reflekteras beror på egenskaperna i föremålet och hur slät dess yta är. En polerad diamant reflekterar och transmitterar mycket ljus medan en svart kolbit istället absorberar det mesta av det inkommande ljuset, även om båda består av kol. Ett vitt papper reflekterar ganska mycket av ljuset som träffar det, men vi kan ändå inte spegla oss i en papperslapp, eftersom ytan inte är slät och ljuset sprids i flera olika riktningar. Det kallas diffus reflektion.

Ljus som träffar ett föremål kan alltså:

1. Reflekteras (diffust om ytan inte är polerad)

2. Absorberas

3. Transmitteras

Det transmitterade ljuset kan dessutom brytas om det passerar ytan med en vinkel.

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

Normalen till en plan yta är en linje som vinkelrät mot ytan. I optiken används normalen till att beskriva hur ljuset reflekteras (och senare även hur det bryts). Vinkeln mellan normalen och det reflekterade ljuset är alltid den samma som vinkeln mellan det infallande ljuset och normalen. Det gör det enkelt att räkna ut och rita hur strålarna som träffar en spegel kommer att röra sig.

Normalen är en linje som vinkelrät mot ytan.

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.

I en plan spegel kommer bilden att vara lika stor som föremålet, men om vi ändrar formen på spegeln kommer bilden att påverkas. Du har säkert någon gång sett krökta speglar på ett nöjesfält. I vissa speglar ser du lång och utdragen ut, i andra blir du kortare och ihoptryckt.

Att en krökt spegel kan förstora eller förminska bilden beror på att ljuset som träffar en krökt yta kommer att få olika riktning efter reflektionen, beroende på var på ytan strålen träffar.

I en konkav spegel kommer bilden att förstoras medan en konvex spegel istället förminskar bilden.

[kanske bild på sminkspegel här]

Krökta speglar används bland annat i teleskop för att samla in ljuset från avlägsna stjärnor.

De största teleskopen på jorden… för att undvika störningar skickas teleskop upp i rymden - Webb teleskopet.

Ljus rör sig med olika hastigheter i olika material. I glas rör sig ljuset med ungefär 200 000 km/s och i vatten lite fortare (225 000 km/s). I luft rör sig ljuset lite långsammare än i rent vakuum, fast det är en ganska liten skillnad. Hur snabbt ljuset rör sig i ett material bestäms av materialets brytningsindex, som brukar betecknas med n. För luft är n = 1,0003, för vatten är n = 1,333 och för glas är n = 1,5. Det är väldigt liten skillnad på luft (n = 1,0003) och vakuum (n =1). Därför brukar vi låta dem vara utbytbara i olika exempel.

Om ljuset kommer rakt in mot en yta, längs normalen, kommer det att fortsätta i samma riktning.

För att förstå vad som händer när ljuset bryts behöver vi vågmodellen. Vi tänker oss att ljuset är en våg som svänger väldigt fort. När den kommer från vakuum (eller luft) in i ett material, till exempel glas, saktar den ner men svänger fortfarande lika fort. Då blir våglängden i materialet kortare än i vakuum (eller luft).

För att tillverka linser utnyttjar vi att ljus rör sig med olika hastigheter i olika material. I glas rör sig ljuset med ungefär 200 000 km/s och i vatten lite fortare (225 000 km/s). Även i luft rör sig ljuset lite långsammare än i vakuum, men det är en ganska liten skillnad. Hur mycket långsammare ljuset rör sig i ett material bestäms av materialets brytningsindex som brukar betecknas med n. För glas är n=1,5 och för vatten är n=1,333. Brytningsindex beräknas som ljusets hastighet i vakuum, c, delat med ljushastigheten i materialet, v.

n=c/v

Om ljuset kommer rakt in mot en yta, längs normalen, kommer det att fortsätta i samma riktning.

Om vi nu använder oss av modellen att ljus är en våg som svänger väldigt fort ska vi se vad som händer när vi kommer in i ett material. När ljuset kommer in i materialet saktar det farten, men svänger fortfarande lika fort. Detta gör att våglängden i materialet är kortare än i vakuum. När vi adderar flera olika vågor är det ofta viktigare att hålla reda på hur de svänger än exakt hur långt de har färdats…

Ett materials optiska täthet beskrivs av brytningsindex och den optiska väglängden genom ett material är materialets tjocklek multiplicerat med dess brytningsindex…

När vågen kommer in i ett "tätare" material svänger den till exempel 4 gånger på kortare sträcka. Den får kortare våglängd.

Om ljuset kommer in med en vinkel mot normalen kommer det att ändra riktning när det passerar ytan. Vi säger att ljuset bryts i ytan. När ljuset kommer från vakuum in i ett material kommer det att brytas mot normalen. Om ljuset istället går från glas till vakuum eller luft kommer det att böjas bort från normalen. Detta gör att det inte märks så mycket att ljuset har passerat en fönsterruta eftersom det då först ändrar riktning när ljuset går från luft till glaset och sedan ändras tillbaka lika mycket när det passerar ut igen.

Film - ljus som bryts

Varför ändrar ljuset riktning när det går från ett material till ett annat? Tänk er fem fotoner som rör sig i vakuum på en rad bredvid varandra. Om de kommer in mot en glasytan med en vinkel kommer fotonen på ena sidan att först komma in i glaset. För att de ska kunna fortsätta röra sig framåt och fortfarande bredvid varandra behöver de böja av lite.

Ett annat sätt att förstå det är att ljuset alltid går den snabbaste vägen mellan två punkter. Tänk att du är på en sandstrand och så fort som möjligt vill ta dig ut till en flotte som ligger en bit ut i vattnet. Du springer antagligen fortare på stranden än du simmar i vattnet så det bästa valet är antagligen inte att börja springa rakt mot flotten. Det snabbaste sättet blir inte heller att simma så lite som möjligt, för då blir den totala sträckan så lång. Lösningen hamnar någonstans mellan de två ytterligheterna och på samma sätt är det för ljuset.

Applikation med en ljusstråle som passerar en yta. Det går att ändra vinkeln på ljuset och brytningsindex på materialet.

Brödtext1. Lorem ipsum dolor sit amet, consectetur adipiscing elit. Ut posuere, orci et elementum facilisis, est sem elementum turpis, vel varius nibh diam eget leo. Morbi non justo tempus, condimentum mauris ac, facilisis nunc. Fusce facilisis facilisis enim in aliquet. Integer dui velit, vulputate ut ultrices at, mattis eget purus. Nulla efficitur ante vel ullamcorper pellentesque. Aliquam id ipsum pharetra, suscipit quam non, blandit urna. Aliquam sagittis justo at nibh accumsan auctor.

Brödtext2. Suspendisse interdum, turpis sed hendrerit dapibus, diam risus interdum eros, at iaculis sem justo in lorem. Fusce laoreet enim dui, ut viverra libero lacinia ac. Ut gravida rhoncus odio in efficitur. Pellentesque habitant morbi tristique senectus et netus et malesuada fames ac turpis egestas. Nullam congue, libero eget vestibulum pharetra, tellus dui porttitor urna, nec malesuada nibh nulla eget quam.