Eksperimenter med lyd og lys

Hvor skjuler mysteriet seg?

Hver gang du hører musikk eller ser regnbuer i tåken, er du vitne til at lyd og lys reiser som bølger. Vibrasjonene spreder seg gjennom luften, og lysstrålene fra solen brytes gjennom dråper på vei til øyet ditt. Fenomenene virker magiske fordi prosessen ikke er synlig, bare resultatet. Bak det ligger elegant fysikk som er fullt forståelig, og du kan teste mye selv med enkle materialer.

Bølgefysikk handler om at energi beveger seg ved å få mediumet til å svinge. Når du kaster en stein i vannet, ser du bølgene vandre utover mens vannet selv bare beveger seg opp og ned. På samme måte vibrerer luftmolekylene fram og tilbake når lyden sprer seg. Lys oppfører seg både som bølger og partikler – en dualitet som lenge forvirret fysikerne. Når du forstår disse prinsippene, blir verden rundt deg mer forståelig.

I denne artikkelen skal du lære om bølgefysikk gjennom lyd og lys. Ingen av observasjonene krever dyrt utstyr eller farlige kjemikalier. Etter å ha lest om prinsippene, kan du gjenkjenne bølgefenomener i hverdagen – fra ultralyd til mikrobølger – og forstå at dette er brukbar vitenskap.

Når luft begynner å danse

Lyd er vibrasjoner. Når stemmebåndene dine beveger seg fram og tilbake, skyver de luftmolekylene rundt seg. Molekylene påvirker hverandre i en kjede slik at trykkvariasjonene brer seg ut som longitudinalbølger. Når forstyrrelsen treffer trommehinnen, vibrerer den, og nervene sender signalet til hjernen som tolker det som lyd.

Forskjellige lydkilder lager forskjellige vibrasjonsmønster. Lydbølgene er karakterisert av frekvens og amplitude. Frekvensen angir antall svingninger per sekund og måles i hertz. Lydhastigheten i luft er ca. 340 meter i sekundet, mens den i vann er omkring 1500 meter per sekund ifølge Store norske leksikon.

Lyd trenger et medium for å bre seg. I vakuum, som i tomrommene mellom stjerner, finnes det ingen lyder fordi det ikke er noe stoff som kan vibrere ifølge Store norske leksikon. I gass, væske og fast stoff kan lyd derimot reise videre.

Lysets natur

I århundrer var fysikere uenige om hva lys egentlig var. I 1801 gjennomførte Thomas Young et berømt eksperiment som viste at lys gir interferens og derfor kan oppfattes som bølgebevegelse ifølge Store norske leksikon. Han sendte lys gjennom to parallelle spalter, og det oppstod en rekke mørke og lyse striper på skjermen bak ifølge Store norske leksikon.

Det viste seg likevel at lys også kan oppføre seg som partikler. Albert Einstein forklarte den fotoelektriske effekten med at lys består av enkeltpartikler kalt fotoner ifølge Store norske leksikon. Denne dualistiske naturen kalles bølge-partikkel-dualitet ifølge Store norske leksikon.

Den elektromagnetiske bølgeteorien beskriver lys som en bølge av elektriske og magnetiske felter som utbreder seg med lyshastigheten c ifølge Store norske leksikon. Lys beveger seg med nesten 300 millioner meter per sekund ifølge Lille norske leksikon, og trenger ikke noe medium for å reise fra solen til jorden.

Hvor raskt og hvor ofte?

Noen viktige tall som hjelper deg å forstå lyd og lys:

• Lydhastigheten i luft er ca. 340 meter i sekundet, og i vann omkring 1500 meter per sekund ifølge Store norske leksikon.
• Mennesker kan vanligvis oppfatte lyder fra omkring 20 Hz til 20 000 Hz ifølge Store norske leksikon.
• Synlig lys har bølgelengder mellom cirka 400 og 750 nanometer ifølge Store norske leksikon.
• Lys beveger seg med nesten 300 millioner meter per sekund ifølge Lille norske leksikon.

To sider av samme mynt

Frekvens er antall vibrasjoner per sekund, målt i hertz. For kammertonen A skal frekvensen etter internasjonal standard være 440 svingninger per sekund ifølge Store norske leksikon. Bølgelengde er avstanden mellom to sammenlignbare punkter på bølgen, for eksempel mellom to fortetninger ifølge Store norske leksikon.

For lys er sammenhengen mellom frekvens og bølgelengde gitt av formelen f = c/λ, der c er lyshastigheten og λ er bølgelengden ifølge Store norske leksikon. Synlig lys ligger i bølgelengdeområdet cirka 400 til 750 nanometer, der rødt lys har lengre bølgelengde enn fiolett ifølge Store norske leksikon.

Bølgelengden bestemmer hvordan bølgen interagerer med omgivelsene. Fargene i synlig lys brytes ulikt avhengig av bølgelengden, noe som blant annet danner grunnlaget for regnbuer.

Matematikken av møte

Når to lydbølger møtes, kan de enten forsterke hverandre eller slokke hverandre ut. Der bølgene er i fase, vil bølgetoppene møte hverandre og bølgene forsterker hverandre – dette kalles konstruktiv interferens. Der bølgene er i motfase, vil bølgetopper møte bølgedaler, og bølgene svekker hverandre – destruktiv interferens ifølge Store norske leksikon.

Det samme prinsippet gjelder for lys. Thomas Young viste i 1801 at lys fra to spalter danner et interferensmønster med lyse og mørke striper på en skjerm. De lyse stripene er steder med konstruktiv interferens, og de mørke med destruktiv interferens ifølge Store norske leksikon.

Påvisning av slike interferensmaksima og interferensminima tas som bevis på at strålingen har bølgenatur ifølge Store norske leksikon.

Vitenskapsperspektiv

Fenomenet interferens blir tatt som bevis på at stråling har bølgenatur, slik Thomas Young viste med lys i 1801 ifølge Store norske leksikon.

Når kilden beveger seg

Når en lydkilde beveger seg i forhold til en lytter, kan tonen høres annerledes ut enn når kilden står stille. Frekvensen kan oppleves høyere når kilden nærmer seg, og lavere når den fjerner seg.

Et tilsvarende fenomen observeres i lyset fra himmellegemer, der bevegelse påvirker lysets egenskaper.

Denne sammenhengen mellom bevegelse og frekvens brukes i mange teknologiske sammenhenger, for eksempel til å måle hastighet og avstand.

Enkle eksperimenter

Her er forslag til enkle observasjoner og forsøk som demonstrerer bølgefenomener. Du trenger ikke spesialutstyr for å undersøke hvordan lyd og lys oppfører seg.

• Slå an en stemmegaffel og kjenn hvordan lyden oppstår gjennom vibrasjoner i luften.
• Knips en gitarstreng og lytt til hvordan lyden overføres fra strengen til gitarkassen.
• Se på en tynn oljefilm eller såpehinne og observer fargespillet som oppstår ved interferens.
• Bruk et prisme for å se hvitt lys deles opp i ulike farger ved brytning.
• Se etter regnbuer når solen skinner på vanndråper, og tenk på hvordan lyset brytes og reflekteres inne i dråpene.

Veiene som bølger tar

Når lyd treffer en hindring, blir den reflektert ifølge Store norske leksikon. Dette er grunnen til at lyd kan kastes tilbake fra flater og skape gjentakelser.

Refraksjon er brytning eller avbøyning av lysstråler når de passerer grenseflaten mellom stoffer med forskjellig brytningsindeks ifølge Store norske leksikon. Når lys går fra ett medium til et annet, bøyes strålen fordi hastigheten endres.

Sollys består av mange farger med ulike bølgelengder. Når lys brytes i vanndråper, endrer fargene retning i ulik grad: rødt lys brytes minst, mens fiolett brytes mest ifølge Store norske leksikon. Fordi fargene brytes ulikt, separeres de i regnbuen. Hovedregnbuen formes av lys som er reflektert én gang inne i dråpene, mens sekundærregnbuen kommer fra lys som er reflektert to ganger ifølge Store norske leksikon.

Bølgefysikk i praksis

Her er eksempler på hvordan bølgefysikk brukes i teknologi du bruker hver dag:

• Lysdioder og lasere bygger på kvanteteorien for lys, der energien overføres i pakker kalt fotoner ifølge Store norske leksikon.
• Ved audiogram brukes standardiserte frekvenser for å teste hørselen ifølge Store norske leksikon.
• Polariserte filtre kontrollerer hvilken retning det elektriske feltet i lyset svinger, slik at bare bestemte vibrasjoner slippes gjennom ifølge Store norske leksikon.

Å orientere lysvibrasjoner

En lysbølge som reiser gjennom rommet, er et elektromagnetisk felt der det elektriske feltet svinger vinkelrett på utbredelsesretningen. Når feltvektorene er orientert i bestemte retninger, sier man at lyset er polarisert ifølge Store norske leksikon.

Lys der de elektriske feltvektorene vibrerer i alle retninger, er upolarisert. Med et polariseringsfilter kan man sørge for at bare lys med en bestemt vibrasjonsretning slippes gjennom ifølge Store norske leksikon.

Perspektiver på bølgenes styrke

Bølger finnes i mange former, fra lydbølger i luft til elektromagnetisk stråling fra fjerne galakser.

Fra nysgjerrig til kunnskapsrik

Nå som du forstår de grunnleggende prinsippene for bølgefysikk, er veien åpen for dypere utforsking. Velg ett av observasjonene ovenfor og prøv det i dag. Når du fysisk ser interferensmønstre eller hører hvordan lyd oppfører seg, blir kunnskapen dypere enn om du bare leser om den.

Du kan søke opp videoer av Youngs dobbeltspalt-eksperiment for å se interferens i praksis, eller lese videre i fysikkleksikon. Mange museer har også interaktive utstillinger om bølger, lys og lyd.

Det viktigste er å opprettholde nysgjerrigheten. Verden rundt deg er full av bølgefenomener – regnbuer, ekko, musikk og radiosignaler. Når du forstår bølgefysikken, blir disse fenomenene forklarbare og logiske. Kanskje blir du motivert til å følge et videregående fysikkurs eller bygge egne forsøk hjemme.