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.

Webb-teleskopet är det största rymdteleskop som hittills byggts. Det skickades upp i rymden den 25 december 2021. Webb-teleskopet är ett samarbete mellan de amerikanska, europeiska och kanadensiska rymdstyrelserna (NASA, ESA och Canadian Space Agency).

Webb-teleskopet är ett infrarött teleskop, vilket innebär att det kan se ljus som är osynligt för våra ögon. Det kan studera många spännande saker i universum, som de första stjärnorna och galaxerna, eller hur solsystem och planeter bildas. Kanske kan det också hjälpa oss att ta reda på om det finns liv på andra planeter.

Bild tagen av Webb-teleskopet. Det är det största rymdteleskop som hittills byggts.

Webb-teleskopets huvudspegel är 6,5 meter i diameter och består av 18 segment gjorda av beryllium och täckta med guld. De 18 segmenten är formade som sexkanter, och det gör så att stjärnorna i bilderna ser ut att stråla ungefär som i Disney filmer. Webb-teleskopet är uppkallat efter James E. Webb, som var chef för NASA under 1960-talet och ledde programmet för att resa till månen.

Mer info på jwst.nasa.gov och https://science.nasa.gov/mission/webb/fact-sheet/

Ett annat sätt att skapa bilder är med en kamera. Även här är modellen att ljuset rör sig som strålar längs raka linjer användbar.

Den allra enklaste versionen av en kamera kallas camera obscura. Den fungerar så att man har en mörk låda eller liknande. Sedan låter man ljus utifrån passera in genom ett litet hål. Om hålet är tillräckligt litet kan bara en ljusstråle från varje punkt utanför lådan passera hålet, och man får en bild av det som finns utanför lådan på väggen mitt emot hålet. Bilden kommer att vara upp och ner och spegelvänd. Att bygga en sådan “kamera” utan film är relativt enkelt, och det finns beskrivningar av tekniken från 400 år före vår tideräkning.

Den enklaste "kameran" är bara ett mörkt rum med ett litet hål i väggen. Den kallas camera obscura.

Camera obscura har bland annat använts för att rita av saker. Sätter man en ljuskänslig film på den bakre väggen fungerar den som en vanlig kamera, men utan möjlighet att ändra fokus. Camera obscura fungerar väldigt bra, men ett problem är att det kommer väldigt lite ljus genom det lilla hålet, så bilden blir svag. Om man gör hålet större kommer bilden istället att bli suddigare och suddigare. För att kunna bygga en kamera som släpper in mer ljus men fortfarande ger skarpa bilder kommer vi att behöva linser.

När vi ritar stråloptik och vill se hur bilden blir brukar vi använda pilar som "föremål". Då är det enkelt att se vilket håll de är på och om de förstoras eller förminskas.

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

Film

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.

En lins används till att ändra hur ljuset rör sig mellan två punkter. En stråle som passerar en fönsterruta ändras inte så mycket eftersom de två ytorna i rutan är parallella. Om vi istället ändrar formen så att ytorna inte är parallella kan vi styra strålens vinkel och ändra denna.

[Två ytor som inte är parallella med en stråle som passerar]

Det går att forma glaset så att ljuset som kommer in samlas i en punkt. Det kallas en fokuserande lins, samlingslins eller konvex lins. En samlingslins är tjockare på mitten och blir tunnare ut mot kanterna. En lupp eller ett förstoringsglas är bra exempel på vad en samlingslins kan användas till.

En lins som istället sprider ljuset som kommer in kallas spridningslins eller konkav lins. Den är tjockare ut mot kanterna och blir tunnare i mitten.

En konvex lins samlar ljusstrålarna. En konkav lins sprider dem.

För att få en bild vill vi att ljuset från en punkt i rummet hamnar på en punkt i vår bild. I den enklaste kameran, camera obscura, har vi bilden på lådans bakre vägg. Där sätter vi sedan ett papper eller en ljuskänslig film. Det går en stråle (men inte fler) från varje punkt i rummet, genom det lilla hålet, till en punkt på pappret. Med hjälp av en samlande lins kan vi få flera strålar från en punkt att träffa en punkt på vårt papper - vi får därför en ljusare bild.

I optiken använder vi oftast strålmodellen. Vi brukar vi använda en pil som “föremål”, för att vi enkelt ska kunna se hur bilden ändras jämfört med föremålet som avbildas. Förstoras den eller förminskas? Eller vänds den kanske upp och ned? För att underlätta brukar vi nöja oss med att rita tre standardstrålar:

1. En stråle som passerar linsens centrum. Den kommer inte att brytas, eftersom de två ytorna här är parallella.
2. En stråle som är parallell med normalen i linsens centrum (som också kallas den optiska axeln). Den kommer att brytas och möta normalen i den punkt där alla parallella strålar möts: den så kallade fokalpunkten.
3. En stråle som träffar linsen med en sådan vinkel att den kommer att komma ut parallellt med den optiska axeln efter linsen.

Med hjälp av de här tre strålarna går det att studera hur olika linser bryter ljus. Man kan också se hur strålarna bryts när de går genom flera linser efter varandra.