Levande frågelådan - fysikern Hans Starnberg svarar
Hej, jag heter Hans Starnberg och jag är professor i fysik.
Jag har forskat en hel del om egenskaper
hos olika material, och nu ska jag svara på några frågor.
Frågan var: Varför faller ett papper långsammare till golvet
än en sten?
Och då tänkte jag visa det. Nu har jag inte ett papper utan ett höstlöv, men det har ungefär samma egenskaper som ett papper.
Och sen har jag en vanlig sten.
Och sen
släpper jag dem samtidigt
och
stenen faller som en sten, alltså snabbt till golvet
det här lövet faller lite långsammare, kommer lite efter. Och anledning till detta då?
Anledningen till att de faller överhuvudtaget
det är ju att jordens dragningskraft påverkar dem med en kraft nedåt som får dem att falla
Men sen finns det flera krafter.
För det är ju också så att
när någonting rör sig genom luften, så bromsar luften. Det kallar vi för luftmotstånd.
Det känner man av till exempel om man cyklar snabbt
så går det ju tungt, för då
bromsar luftmotståndet. Så vi har alltså tyngdkraften som
får de här föremålen att falla, och samtidigt har vi också ett luftmotstånd som bromsar dem.
Och anledning till att det är skillnad här, det är egentligen det här luftmotståndet.
Jag tänkte gå vidare med experimentet, och visa vad som händer när det inte finns någon luft, alltså att de faller i vakuum.
Då ska jag stoppa in det här lövet och stenen i det här röret
Och sen finns det en pump, så jag ska pumpa ut luften ur det här röret också.
Sådär! Nu har pumpen pumpat färdigt så nu är luften utpumpad, så att det är vakuum i det här röret.
Och här uppe finns både stenen och lövet, och när jag trycker på knappen
så ramlar de ner. Vi ska nu se vad som händer
när det inte finns någon luft i vägen när de ska falla.
Så nu tar jag och släpper dem.
Och de ramlar ner precis samtidigt.
När det inte finns något luftmotstånd, då faller
alla föremål med samma hastighet.
Eftersom stenen är mycket tyngre än lövet
så kommer tyngdkraften att vinna över luftmotståndet på ett helt annat sätt
Så stenen faller nästan lika snabbt i luften som den gör i vakuum.
Men det här lövet, det är mycket lättare, har mycket svagare tyngdkraft och därför
är det mycket känsligare för luftmotståndet, så att
luftmotståndet då bromsar upp fallet och det faller långsammare.
Så har vi fått en fråga om hur man tillverkar speglar
och vad speglar har för färg.
En vanlig spegel, här har jag en helt vanlig spegel, en rund sådan som man kan använda för att kika runt hörn,
den har egentligen ingen färg, kan man säga, utan
vad som är typiskt för en spegel
det är att den skickar tillbaks ljus som träffar den.
Men
det gör också en sån här vit yta.
Vad är det för skillnad på en sådan här vit yta och
en spegel?
Skillnaden är att en sådan här vit yta,
den
om man skulle titta i mikroskop
så är inte den så slät, det är små ojämnheter.
Om jag ritar upp att vi har
en vit yta här och sen
lyser vi på den med en vit ljusstråle
Vitt ljus är alltså ljus som innehåller en blandning av alla
möjliga färger
Blått, rött och grönt då till exempel.
En vit yta
den skickar tillbaks ljuset i alla riktningar så här
Man säger att den
ger en diffus reflex.
Ljusstrålen som kommer tillbaks, den inte riktad åt något särskilt håll
utan den sprids åt alla håll samtidigt.
Och det betyder då
om vi skickar
vitt ljus på en vit yta
Så sprider den vitt
ljus åt alla håll, och därför ser den här ytan vit ut när vi tittar på den.
Men det som är speciellt med en spegelyta
Det är att den
är så slät att den inte skickar ljuset åt alla håll, utan bara åt ett håll.
Då funkar det så att
Om detta ska föreställa spegelytan
Om man skickar på en ljusstråle så här
som är nästan rakt emot
då kommer det tillbaks en stråle nästan rakt emot.
Men har vi en annan ljusstråle
Som går mer snett så
då skickas den ut
i en sådan sned vinkel också, men skickas bara åt ett enda håll.
Och det här gör ju då att
om man har någonting framför spegeln
så
skickar den ut ljus
i olika riktningar.
När strålarna träffar spegeln, då skickas de tillbaks åt andra hållet.
Så att de ser ut som om de kommer från en punkt bakom spegeln, och då ser man en spegelbild Man ser inte själva spegelytan utan att vad man ser är
reflexen av det här som finns
framför spegeln.
För att man ska få en sådan fin
reflex, att ljuset som träffar spegeln bara skickas åt ett håll,
då måste spegeln vara en väldigt slät yta.
För att det ska vara en bra spegel då,
så vill man också att den ska skicka tillbaks alla färger lika bra
så att det ser likadant ut i spegelbilden, som om man tittar direkt på någonting.
Men då,
vad man kan använda som är en väldigt slät och fin yta, det är ytan på en glasskiva.
En glasruta är ju så slät och fin att man
kan ju spegla sig i den.
Men en vanlig ren glasyta
den reflekterar bara en liten, liten del av ljuset, ungefär fyra procent.
Det betyder att spegelbilden man får när man speglar sig i en glasruta, den blir väldigt svag Men man vill ha en
En yta som är lika slät som är glasyta
men som reflekterar ljus lika bra
som en metallyta.
Och då gör man helt enkelt så att man tar en glasskiva
och sen fixar man på något sätt, så att man får en beläggning på den av metall.
Och det gör man då vanligen på baksidan av glaset.
Det finns olika sätt då att
få en metallbeläggning på en glasyta.
De vanligaste förr i tiden, det var att man
använde sig av
metallen silver.
Det är väldigt bra för att
göra speglar av.
Då finns det ett
salt som heter silvernitrat, som man kan lösa i vatten.
Så tog man och bredde ut den här lösningen på glaset
sedan tillsätter man lite andra kemikalier så att man får en kemisk reaktion
aå att det här silvernitratet omvandlas till silvermetall
och den här silvermetallen sätter sig då på glaset.
Eftersom glaset har en väldigt slät och fin yta
så blir det en väldigt slät och fin silveryta där.
Man kan rita upp då, som att man har sin glasskiva så
och sedan genom en sån här
beläggning med silver så fick man då
en tunn, tunn
hinna av silver på, som man kan spegla sig i.
Och sen målar man med någon färg på baksidan för att skydda de här silverskiktet, så att inte det blir skadat.
Och då har man en silverspegel.
Fast
egentligen kan man använda andra metaller än silver, och nu för tiden är nog det vanligaste att man gör speglar av
aluminium.
Men då gör man egentligen
på samma sätt, att man tar en glasskiva men man stoppar då in glasskivan i en
vakuum-kammare, alltså en behållare där man pumpar ur luften.
Så att man har sin glasskiva här
och sen har man en bit aluminium
som man kan värma upp så att den blir väldigt varm.
Om man värmer upp en metall så smälter den först. Fortsätter man att värma så kan den förångas så det blir alltså ångor av metallen.
Om man värmer upp den här aluminiumbiten,
så att den blir så varm att det
flyger ut ånga, så fastnar den ångan sen på glaset,
för glaset är ju kallt,
Och så får man då en tunn, tunn
film av
aluminium på.
Och sen kan man plocka ut den här glasskivan som då har fått en aluminiumbeläggning, som man kan spegla sig i.
Och som sagt var, spegeln i sig själv har ju ingen färg.
Man kan till exempel använda metaller som har färg. Till exempel kan man göra en spegel av guld också på samma sätt
Det är lite dyrt att göra speglar av guld
men det behövs inte mycket guld, eftersom det är en sådan tunn, tunn film.
Men eftersom guld är
gulaktigt, så blir det en gulaktig bild när man tittar i spegeln.
Så kan man säga att en sådan spegel är gulaktig.
Anledning till att
guld är gulaktigt, är att
guldet reflekterar inte alla
färger lika bra.
Guldet
absorberar blått och violett ljus, alltså att det stoppar det ljuset
Så ljuset som skickas tillbaka från spegeln
det har
blivit av med det blåa och violetta ljuset och då,
då ser det gult ut.
Om man tar bort det blåa
från vitt ljus så blir gult istället.
Då var det en fråga här,
eller två frågor, som handlar om ljus. Dels hur snabbt ljusets hastighet är
och vad ljus består av.
Ljusets hastighet
det är faktiskt den högsta hastighet som någonting kan ha
enligt Einsteins relativitetsteori.
Man har en särskild beteckning för ljushastigheten, den betecknas
oftast med bokstaven c
Och om vi då skriver upp hur stor den här
ljushastigheten c är,
så är den
299 792 458
meter per sekund.
Alltså så många meter går ljuset på en sekund.
Nästan 300 miljoner meter.
Och som sagt, det är ju då
den högsta hastighet som någonting kan röra sig med.
Och detta är ljushastigheten i vakuum, alltså när det är tomrum.
I luft går den nästan lika snabbt,
sen
i material som vatten eller glas så går den lite långsammare, men fortfarande väldigt fort. För att få lite
känsla för hur fort det här är, så kan vi säga att
om man skickar en ljussignal runt jordklotet
så tar det
ungefär en tiondel sekund att gå ett varv runt jorden.
Och för att skicka ljus från månen till jorden
så tar det ungefär en sekund.
Sedan solen är lite längre bort,
det tar faktiskt 8 minuter för ljuset att
gå från solen
till jorden.
Hela tiden så är det solljus som träffar oss,
det skickades ut från solen för 8 minuter sedan.
Sen har det hållit på att gå i den här hastigheten i 8 minuter, och sen kommer det fram. Men då ska jag fortsätta också
och försöka svara på frågan
vad ljuset består av.
Jag kan säga att ljuset är
ett elektriskt och magnetiskt fenomen.
När det gäller elektricitet så har vi elektrisk laddning. Det finns två sorters elektrisk laddning, plusladdning och minusladdning.
Och det vet vi, att ett batteri, där är ena ändan
plusladdad
den andra ändan är minusladdad, det står plus och minus på.
Om vi har en sån här plusladdning
så
så blir det ett, vad man kallar för, ett elektriskt fält runt omkring laddningen.
Och det här är elektriska fältet, det innebär att
andra laddningar som kommer i närheten påverkas av krafter
när de befinner sig i det här fältet.
Man brukar rita ut det är fältet
med något som kallas för fältlinjer, som visar åt vilket håll fältet är riktat.
Och när vi har en sådan här positiv laddning
då är fältlinjerna
riktade rakt ut från laddningen.
Så här någonting.
De fortsätter i princip i all oändlighet här nu, fast jag inte har så stor tavla då, sen
är det då riktat ut från
laddningen om det är en
plusladdning och åt andra hållet om det är minusladdning.
När vi har en laddning
så har vi då det här
elektriska fältet runt omkring.
Men om man nu skulle ta den här laddningen och börja skaka den upp och ner så här,
då förändras ju förstås fältet, man flyttar på laddningen
Att de här fältlinjerna följer med när man flyttar,
men
ändringar i fältet
kan inte ske hur snabbt som helst. De kan inte ske snabbare än ljushastigheten.
Så därför så blir det som att laddningen vibrerar upp och ner.
Så kommer då det här
fältet
bli som vågor här.
Som rör sig
bort från den här laddningen, så att man får en våg, ungefär som att
om man har en boll på en vattenyta och bollen
om man knuffar bollen upp och ner så här, så blir det vågor på vattnet som går ut den. Så det blir alltså vågor
i det här elektriska fältet.
Och dessutom, när en laddning rör sig så blir det också ett magnetiskt fält. Så att det blir en kombination av
elektriska och magnetiska fält
som breder ut sig som en våg så här.
Det här vågen går alltså med den här hastigheten, den jättehöga ljushastigheten.
Då
kan de här vågorna se lite olika ut beroende på hur snabbt
den här laddningen vibrerar.
Om den vibrerar långsamt då blir det långa vågor
vibrerar den snabbt då blir det mycket kortare vågor.
Man brukar tala om våglängden, det kan man säga är avståndet mellan två vågtoppar.
Detta är våglängden.
Och såna här elektromagnetiska vågor
som det kallas för då,
De kan ha
väldigt olika våglängder beroende på hur snabbt de här laddningarna rör sig, som har skapat vågorna Till exempel
om den här våglängden är kanske
några meter då handlar om radiovågor. Alltså radiovågor, det elektromagnetiska vågor
som kanske är
några meter.
Mikrovågor, det är sådana vågor som
våra mobiltelefoner sänder ut och tar emot.
De har våglängder som är några centimeter
Har man ännu kortare våglängder, kanske
mikrometer
då
då får man infrarött ljus. Det är alltså ljus som inte syns, men som
man kan känna som värmestrålning, till exempel om man har en varm platta på spisen och håller handen ovanför
så känner man hur det strålar värme
mot handen och det är den här infraröda strålningen.
Sen om det blir ännu kortare vågor
så att
man får en våglängd som är ungefär
en halv tusendels millimeter,
då är det synligt ljus.
Och sen är lite olika då, till exempel
rött ljus har lite längre våglängder och blått ljus har lite kortare våglängder, så färgen på ljuset det beror alltså på vilken våglängd vi har.
Men synligt ljus har våglängder som är mindre än en tusendels millimeter.
Och har ännu kortare vågor
då får vi ultraviolett ljus.
Det är sånt
ljus som man blir solbränd av, men som man inte kan se egentligen
Och ändå kortare våglängder, då blir det röntgenstrålning
som man använder för
att ta röntgenbilder, för röntgenstrålar kan alltså gå igenom kroppen till exempel.
Alla de här sorterna
strålning är egentligen
samma sak, att det är elektromagnetiska vågor.
Alltså vågor i det här elektriska och magnetiska fältet.
Men skillnaden är att det är olika våglängder.
