Svar:
Nej, selektiva absorbenter sätter inte några naturlagar ur spel! Selektiva absorbenter innebär att ytskiktet på solfångaren behandlats med ett ytskikt som skall ge hög absorption av solstrålning och låg emittans av värmestrålning.

Kirchhoffs strålningslag säger att absorpionsförmågan är proportionell mot emissionsförmågan vid en viss våglängd. Solens yttemperatur är c:a 6000 grader, och den mesta energin i solstrålningen ligger i synligt ljus 400-700 nm. Det är alltså i detta område man vill ha maximal absorptionsförmåga hos en solfångare. Normalt innehåller en solfångare vatten som värmebärare, så temperaturen är maximalt 100 grader. Vid denna temperatur ligger maximum hos temperaturstrålningen vid mycket längre våglängder - i infrarött (se fråga 12793).

Med Blackbody Radiation Applet kan man uppskatta maximum i energifördelningen för olika temperaturer. För 6000 K ligger maximum vid 500 nm och vid 350 K (c:a 80^oC) vid 8000 nm.

Även naturen utnyttjar denna selektiva absorption i växthuseffekten. Solljuset går obehindrat igenom atmosfären och värmer upp jordytan. Värmestrålningen från jordytan hindras att försvinna ut i rymden av växthusgaser - framför allt vattenånga och koldioxid. Utan denna värmande effekt skulle jorden vara c:a 35 grader kallare i medeltemperatur än vad den är.

Se vidare länk 1, solenergi, temperaturstrålning och Plancks strålningslag.
/Peter E 2006-11-08

Svar:
Hej Linnéa! Nej, så enkelt är det inte! Om källan rör sig bort från observatören blir frekvensen hälften av frekvensen hos källan.

Dopplereffekt är ett fysikaliskt fenomen, som innebär en förändring av frekvensen (svängningstalet) hos en signal, till exempel ljud eller ljus, beroende på om källan närmar sig eller avlägsnar sig i förhållande till observatören. Först med att beskriva dopplereffekten var Christian Doppler 1842. Det allra lättast iakttagbara exemplet på dopplereffekten är ljudsirenerna på ambulanser eller polisbilar, som tycks minska i frekvens då de passerar observatören. (Dopplereffekt)

Låt oss titta på hur man får fram detta. Figuren nedan från länk 1 kan vara till hjälp för förståelsen. Beteckningar:

Primade variabler (med ') - observatörens värden

Oprimade variabler - värden hos källan

f - frekvensen

v - ljudhastigheten

v_o - observatörens hastighet i förhållande till luften

v_s - källans (eng source) hastighet i förhållande till luften

T = 1/f - perioden för svängningen (tiden för en svängning)

l - svängningens våglängd

För alla vågrörelser gäller

lf = l/T = v (hastighet är sträcka dividerat med tid)

Om källan rör sig bort från observatören kommer våglängden att förlängas med ett belopp som är hur långt källan hinner på tiden T:

l' = l + v_sT = v/f + v_s/f

men l' = v/f ' så vi får om vi inverterar ovanstående ekvation:

f ' = f(v/(v+v_s)) (1 rörlig källa, från observatören)

Om källan rör sig mot observatören får vi med samma resonemang:

f ' = f(v/(v-v_s)) (2 rörlig källa, mot observatören)

Tillämpar vi (1) på ditt problem får vi

f ' = f(340/(340+340)) = f/2

Som vi ser av (1) så går f ' mot 0 när v_s blir mycket stort. Från (2) kan vi se att f ' går mot oändligheten när v_s närmar sig ljudhastigheten v.

Vad händer då om observatören rör sig och källan står stilla? I detta fallet är resonemanget lite enklare eftersom våglängden inte ändras. För att från våglängden räkna ut frekvensen måste vi ta hänsyn att den observerade ljudhastigheten blir v+v_o om observatören rör sig mot källan. Vi får då

T' = l'/(v+v_o) =
(v/f)/(v+v_o)
= 1/f '

Om vi inverterar ekvationen får vi

f ' = f(v+v_o)/v (3 rörlig observatör, mot källan)

Om observatören rör sig från källan

f ' = f(v-v_o)/v (4 rörlig observatör, från källan)

Vi ser från 4 att frekvensen går mot noll när v_o går mot v. För v_o>v "kör observatören ifrån" ljudet.

Länk 1 innehåller även en praktisk dopplerskiftskalkylator. Se även Doppler_effect.

/Peter E 2006-11-08

Svar:
Den färg man uppfattar hos ett föremål beror av många olika saker:

1. färg hos infallande ljus
   
2. föremålets reflektionsförmåga, dvs hur stor del av infallande strålning som reflekteras
   
3. föremålets fluorescens-egenskaper
   
4. föremålets temperatur bestämmer hur mycket "egenproducerad" temperaturstrålning som sänds ut
   
5. föremålets densitet och atomära/molekylära egenskaper som bestämmer vilka våglängder som sänds ut genom övergångar mellan tillstånd och i vilken mån temperaturstrålning utsänds
   
6. eventuell absorption mellan föremålet och ögat
   
7. ögats känslighet för olika våglängder
   

Som synes är ett föremåls färg ett ganska komplext problem som innehåller mycket fysik. Enkel reflektion (t.ex. i en spegel) kan uppfattas som att ljus "studsar" mot elektroner i föremålet. Exempel på temperaturstrålning är apparater man använder för att se i mörker med värmestrålning.

Färgseende är en levande varelses förmåga att registrera och särskilja olika föremål på basis av det ljus dessa reflekterar eller avger i olika våglängder (eller frekvenser) av det elektromagnetiska spektrum. Det synliga området och antalet olika typer av färgkänsliga tappar skiljer mellan olika arter.

Nedanstående figur visar relativa känsligheten hos mänskliga tappar, S (blått), M (grönt), och L (rött) typer, för monokromatiska stimuli; R är känsligheten för stavarna.

Se även Färgseende.

Om man använder en annan detektor än ögat kan färgerna i en bild vara helt artificiella i meningen att grundfärgerna rött/grönt/blått används för att visa helt andra våglängdsband som kan vara osynliga för ögat, t.ex. infraröda.

Se Color och Color_vision för mer information.

/Peter E 2006-12-06

Svar:
Klurig fråga! Sambandet mellan E-fältet och energin gäller emellertid amplituden och inte momentanvärdet, se länk 2. Man kan se en elektromagnetisk våg på två sätt: klassiskt enligt Maxwell (länk 1) eller kvantmekaniskt som en foton.

Tänk dig en klassisk mekanisk svängning, t.ex. en gitarrsträng. Energin i svängningen är proportionell mot amplituden i kvadrat (om den återställande kraften är -kx så blir energin kx²/2). Vid maxutslag är all energi potentiell energi. Vid nollutslag (rak sträng) är den potentiella energin noll, och all energi är rörelseenergi, se länk 2.

Jag vet inte hur långt man kan driva den mekaniska analogin när det gäller elektromagnetiska vågor - jag vet inte ens vad det är som "svänger".

Vad gäller den kvantmekaniska bilden så skulle i princip Heisenbergs obestämdhetsrelation tillåta energivariationen eftersom E = hv = h/T, där T är svängningens period:

ET = DEDT = h

/Peter E 2006-12-24

Svar:
En absorptionslinje uppkommer när en foton träffar en atom och lyfter upp (exiterar) en elektron till ett högre liggande tillstånd. En emissionslinje uppkommer när elektronen hoppar tillbaka till ett lägre tillstånd. Se fråga 176 för en förklaring hur emissions- och absorptionsspekta uppkommer. Vad som inte framkommer där är att inte alla emissionslinjer förekommer i absorptionsspektrum. Om den absorberande gasen är kall, så ser man bara övergångar från grundtillståndet, a och b i nedanstående bild. Detta för att alla atomer befinner sig i grundtillståndet. I emissionsspektrum, däremot, ser man alla tre övergångarna a, b och c.

Lymanserien är den serie i vätespektrum som slutar i grundtillståndet, och eftersom alla atomer vid rumstemperatur befinner sig i grundtillståndet ser man bara lymanserien i absorption. Om temperaturen är betydligt högre kan en del av atomerna tillfälligtvis befinna sig i tillstånd ovanför grundtillståndet. Man kan då (som i solens spektrum) se även andra serier, t.ex. balmerserien, i absorption, se fråga [17723].

/Peter E 2007-01-02

Svar:
Upplösningen hos en lins med diametern d för våglängden l ges av

upplösning = 1.22l/d.

Om pupillens diameter är 2 mm blir upplösningen för våglängden 600 nm

1.2260010^-9/(210^-3) = 0.000366 =
0.000366180/p = 0.0210^o

eller

0.021060 = 1.26' (alltså c:a 1 bågminut).

Vi antar här att densiteten av sensorer i ögat inte är begränsande. Detta är sannolikt eftersom utvecklingen av synen bör ha styrts av en optimering av synskärpan. När ovanstående optiska begänsning nåtts var det ingen vinst att öka densiteten, så denna utveckling bör ha stoppat.

Om avståndet till TV-skärmen är 3 m motsvarar upplösningen

0.0003663000 = 1.098 mm (alltså c:a 1 mm).

Om skärmen är 40 cm hög får vi plats med 400/1 = 400 horisontella linjer. Det kan då tyckas att de 576 linjerna i vårt nuvarande PAL-system borde räcka (totalt sänds 625 linjer men mellanskillnaden används för text-TV). Nu är emellertid uppskattningen av ögats upplösningsförmåga ovan lite pessimistisk. Det är när man kan se två punkter klart separerade. Man kan emellertid se två punkter bättre än så, i själva verket ner till halva avståndet dvs 800 linjer.

De vanligaste HDTV-skärmarna har 720 eller 1080 horisontella linjer (se figuren nedan), och det anses att man på normalavstånd inte ser någon skillnad på dessa. Om man sitter närmare (för att få bättre "biokänsla") kan man naturligtvis tänkas behöva den högre upplösningen.

Påpekas bör även att alla HDTV-skärmar är digitala. Detta betyder i normalfallet en bättre bild, man slipper analog-TVs ränder, brus och spökbilder. Problemet är att när den digitala signalen störs så blir bilden pixlad eller faller bort helt. Nedanstående citat visar att upplösning inte är allt - den är inte ens viktigast:

According to the Imaging Science Foundation, a group that consults for home-theater maufacturers and trains professional video calibrators, the most important aspect of picture quality is contrast ratio, the second most important is color saturation, and the third is color accuracy. Resolution comes in a distant fourth, despite being easily the most-talked-about HDTV spec today.

Eftersom det finns många olika antal pixlar i olika skärmar är den algoritm (sätt att räkna) som används för att anpassa den utsända digitala signalen till skärmen mycket viktig. Det är alltså en mycket viktig parameter när man väljer HDTV.

Se länkarna nedan för mer information. Observera att man där talar om 480 linjer som normalfallet - det är det amerikanska NTSC-systemet.

/Peter E 2007-02-14

Svar:
Hej Marie! Intressant fråga! Jag har inte observerat effekten själv, men jag tror det finns två samverkande effekter.

1 Ditt eget förslag: varm luft har lägre densitet så den stiger. Vi har alltså en luftström uppåt. När ljudvågorna kommer in i den uppåtgående luftströmmen kommer ljudet att böjas av lite uppåt eftersom ljudvågorna följer med luftstömmen. Ljudvågor som går nära marken (som kunde tänkas böjas upp för att träffa ett öra på andra sidan elden) stoppas av materialet som bygger upp elden.

2 Ljudhastigheten beror av temperaturen hos luften, se fråga 12639. Den är proportinell mot roten ur luftens absoluta temperatur (temperatur i Kelvin, T). Om luftens temperatur är 20+273=c:a 300 K och eldens temperatur är 600+273 = c:a 900 K, blir ljudhastigheten i elden ungefär sqrt(3)=1.7 gånger högre än i luften. En ljudvågfront som går in i elden kommer då att vrida sig utåt - elden fungerar som en negativ (spridande) lins för ljus. Ljudfronten sprids alltså ut över ett större område, vilket innebär att intensiteten minskar. En besläktad effekt beskrivs i Sound_speed_gradient.

Jag vet inte vilken av effekterna som dominerar, men de bör båda kunna bidra till en försvagning av ljudet på andra sidan elden.

Luften ovanför elden är också mycket turbulent, vilket medför att ljudvågorna blir deformerade. Detta stör ytterligare hur man uppfattar ljudet.
/Peter E 2007-09-17

Svar:
Sara! Evolutionen (utvecklingsläran, se Darwins evolutionsteori)
brukar inte resultera i onödiga konstruktioner, så de flesta delar (se figuren nedan från Wikipedia) har säkert en mening.

Syn är, som man lätt kan förstå, mycket viktigt för ett djur. Synen är viktig både för att söka föda, för att söka en partner och för att upptäcka fiender. Synorgan har därför utvecklats helt oberoende på flera ställen i djurens släktträd. Det finns olika konstruktioner av synorgan t.ex. många fristående sensorer (facettögon som insekter har, se Compound_eye) och ett litet antal (oftast två) ögon bestående av lins och en ljuskänslig yta. Vi skall här bara behandla det mänskliga ögat.

Ljuset börjar sin färd vid föremålet vi tittar på. På sin väg till ögat kan det tänkas att ljuset träffar på en glasögonlins eller en kontaktlins, men i allmänhet är dessa ganska svaga så de påverkar inte stålgången så mycket. De tre viktigaste bitarna av ögat är regnbågshinnan som anpassar storleken på pupillöppningen till ljusnivån, linsen som bryter strålknippet (se fråga 14748) så att en bild av föremålet projiceras på näthinnan som innehåller ljuskänsliga sensorer. Linsen kan med hjälp av muskler fås att ändra form så att en skarp bild kan erhållas antingen på avlägsna och närbelägna föremål.

Sensorerna på näthinnan är av två slag. Stavarna är färgblinda men mycket känsliga, varför de är viktiga för mörkerseendet. Av tapparna finns det (hos icke-färgblinda) tre typer med olika våglängdskänslighet (rött, grönt och blått), se färg/färgseende. Via synnerven transporteras synintrycken till hjärnan som är mycket viktig för tolkningen.

Se vidare ögat, Eye och nedanstående länk.

/Peter E 2007-11-27

Svar:
Strålning kan vara mycket olika saker även om man begränsar sig till elektromagnetisk strålning. Allting som inte är vid absoluta nollpunkten sänder ut elektromagnetisk strålning, s.k. temperaturstrålning. Allt som belyses med elektromagnetisk strålning reflekterar en viss del av strålningen.

Hur mycket olika apparater strålar är svårt att säga. I vilken enhet? Watt, fotoner/sekund eller i förhållande till skadliga nivåer? Eftersom endast det senare är av praktiskt intresse koncenterar vi oss på dessa. Låt oss gå igenom det elektromagnetiska spektret med utgångspunkt från nedanstående bild (Bilden är från NASA och därmed fri att användas med angivandet av källan. Den finns i större skala på Wikipedia Electromagnetic_spectrum.)

Radiovågor

Anses vara ofarliga eftersom de innehåller mycket lite energi och dessutom går rakt igenom kroppen. Apparater med radiosändare är t.ex. trådlös telefon, trådlöst nätverk.

Mikrovågor

Dessa innehåller mer energi och är dessutom i resonans med vattenmolekylen. Detta betyder att de absorberas i kroppen och kan ge upphov till en viss uppvärmning. Faran med mobiltelefoner är mycket diskuterad, men även mikrovågsugnar läcker en del mikrovågor, se mikrovågsugn.

Infrarött (värmestrålning)

Fjärrkontroller använder ofta infrarött, men de är så svaga at de knappast utgör någon fara. Värmeelement och spisplattor strålar i infrarött, men eftersom huden stoppar stålningen samtidigt som den är känslig för värmen, så bör värmeelement normalt inte utgöra någon fara. Största delen av effekten i glödlampor strålar i infrarött, så glödlampor är egentligen bättre som värmeelement än ljuskällor.

Synligt ljus

Synligt ljus är en form av elektromagnetisk strålning med en våglängd mellan cirka 390 och 770 nanometer. Genom att ögat är känsligt för strålning i just detta intervall, kan vi se vår omgivning. (Ljus)

Ljus kommer från glödlampor, lysrör och lysdioder. Synligt ljus har mycket liten inträngningsförmåga i kroppen, varför strålningen knappast utgör en fara - bara ögat påverkas. Lysdioder (små lasrar) finns även i t.ex. CD-spelare. Ljuset från dessa kan i princip vara skadligt, men bara om man skruvar isär apparaten.

Ultraviolett

Kommer från UV-lampor. Kan orsaka brännskador vid överdriven exponering. Kan på längre sikt även orsaka hudcancer.

Solen är annars den viktigaste och starkaste källan för infrarött, synligt ljus och UV-strålning. Även stjärnor strålar mest i dessa våglängder, men eftersom effekten avtar med kvadraten på avståndet så är effekten från stjärnor helt försumbar.

Röntgenstrålning

Kommer naturligtvis från röntgenapparater, men de har man knappast hemma. Eftersom en gammal tjock-TV ritar bilden med 20 keV elektroner, så kommer det lite röntgenstrålning från bildskärmen. Platt-TV fungerar på ett annorlunda sätt, så de ger ingen röntgenstrålning.

Röntgenstrålning och gammastrålning är vad som betecknas joniserande strålning. Den är genomträngande och kan jonisera (slita loss elektroner) materia den träffar. Joniserande strålning är därför skadlig - speciellt kan den orsaka skador på DNA och därmed, på sikt, cancer.

Gammastrålning

Gammastrålning är en del av den naturliga strålningsbakgrunden från bergarter och från byggnadsmaterial. Så länge bakgrundsnivån inte är mycket förhöjd får man betrakta den som ofarlig - den går knappast att undvika.

Annan strålning

Alfastrålning är inte elektromagnetisk strålning utan består av He-kärnor som utsänds från tunga kärnor. Alfastrålning förekommer i brandvarnare (därför skall dessa när de är slut tas om hand på ett ordnat sätt). Radon, som finns i varierande mängd överallt i bostäder mm, är i vissa fall definitivt ett hälsoproblem.

Har jag glömt något? Det har jag säkert. Vi har inte heller diskuterat magnetfält och elektriska fält som bildas av elektriska apparater. Skadligheten hos dessa är dåligt känd och ganska kontroversiell.

Figuren nedan innehåller mycket nyttig information om elektromagnetisk strålning. Överst visas t.ex. att endast radiostrålning och synligt ljus släpps igenom jordens atmosfär. Termometern längst ner visar vilka våglängder som utstrålas vid olika temperaturer. Synligt ljus utsänds alltså vid temperaturer mellan 1000 K (c:a 700^oC) och 10000 K.

/Peter E 2008-01-18

Svar:
Hej Jonas! Ja, det är inte lätt! Försök med
Maxwells ekvationer, dom säger allt om elektromagnetisk strålning. Skämt åsodo :-), detta är ett problem. Vi måste acceptera två fakta vad gäller fysik och även annan naturvetenskap:

Djupare förståelse för många fenomen kräver goda kunskaper i matematik och fysik.

På en fundamental nivå förstår vi ingenting. Ingen vet t.ex. varför två massor attraherar varandra, varför elektromagnetisk strålning finns eller varför elektronens massa är vad den är.

När det gäller att undervisa i fysik tycker jag att man skall följa nedanstående punkter: alltså börja med naturvetenskapens grundvalar experiment och observationer och inte alltför tidigt teoretisera för mycket. Fysikundervisning utartar alltför ofta i att lösa tillrättalagda problem genom att sätta in värden i en formel. Problemet reduceras då ofta till ett meningslöst gissande vilken formel man skall använda. Det är bättre att koncentrera sig på experiment, och om man skall räkna så skall det vara verklighetsförankrade s.k. kontextrika problem - dvs sådana man ställs inför i verkligheten, se länk 1.

Glöm inte att fysik är en experimentell vetenskap! Albert Einstein (som för de flesta är urtypen av en teoretisk fysiker) har sagt:

"In the matter of physics, the first lessons should contain nothing but what is experimental and interesting to see.
A pretty experiment is in itself often more valuable than twenty formulae extracted from our minds; it is particularly important that a young mind that has yet to find its way about in the world of phenomena should be spared from formulae altogether. In his physics they play exactly the same weird and fearful part as the figures of dates in Universal History."

Den franske matematikern Henri Poincaré hävdade att arbetet med fysik var som att driva ett bibliotek:

"Den experimentella fysiken svarar för förvärven, och det är bara den ensam som kan berika biblioteket. Den matematiska fysiken ska ordna katalogen. Biblioteket blir inte rikare om katalogen är lätt att hitta i, men läsaren kan utnyttja dess rikedomar bättre. Och genom att visa bibliotekarien på luckorna i samlingarna, kan resurserna användas klokt, vilket är helt avgörande, då resurserna alltid är bristfälliga."

För elektromagnetisk strålning är en möjlig utgångspunkt att beskriva användningen av och faran med strålning av olika våglängder, se fråga [15570]. Fråga [13590] ger en starkt förenklad model av vad elektromagnetisk strålning är. Vad gäller experiment med elektromagnetisk strålning är det lättast att begränsa sig till de typer vi kan uppfatta med sinnerna, dvs ljus och värmestrålning.

Nu tillbaka till lite allmänt om fysikens väsen:

1 Experimentera, observera

Detta är grunden för all naturvetenskap. Observationer i modern mening gjordes först av dansken Tycho Brahe (se Tycho_Brahe)under slutet av 1500-talet. Han mätte framför allt planeten Mars' bana. Italienaren Galileo Galilei (se Galileo_Galilei) fortsatte 1609 observationerna av stjärnhimlen med det nyuppfunna teleskopet, men han utförde även många andra experiment framför allt i mekanik.

2 Se släktskap mellan olika fysikaliska fenomen

För många grenar av fysiken, som kan tyckas mycket olika, visar det sig att tolkningen av fenomen ofta har stora likheter. Teoretiska modeller från ett område kan ofta överföras med mindre modifikationer till ett annat. Alla mikroskopiska system (storlek atom och nedåt) styrs i princip av en enda ekvation, schrödingerekvationen.

3 Enkla modeller

För att föreställa sig ett fysikaliskt fenomen använder man sig ofta av enkla modeller. Bohr-atomen, med elektroner som rör sig i banor kring atomkärnan, beskriver en liten del av verkligheten och har därför ett visst värde. Man får emellertid inte övertolka förenklade modeller - modellen är inte verkligheten även om vissa modeller beskriver mätbara värden mycket väl.

4 Begränsa antalet grundläggande lagar

Olika fysikaliska lagar och teorier har olika dignitet eller status. Keplers lagar för planeternas rörelse kan t.ex. härledas från Newtons gravitationslag. Denna senare får därmed en högre status. På samma sätt beskriver Maxwells ekvationer (se ovan) det mesta som har att göra med elektricitet och magnetism, inklusive elektromagnetisk strålning. På så sätt kan vi beskriva världen med ett rimligt antal fundamentala lagar.

Följden Nicolaus Copernicus (idén att jorden kretsade kring solen), Tycho Brahe (noggranna observationer av planeternas rörelser), Galileo Galilei (mekanikförsök och observationer av astronomiska objekt med teleskop), Johannes Kepler (lagar för planetrörelsen) och Isaac Newton (universella gravitationslagen och Newtons rörelselagar) brukar framställas som början till ett modernt arbetssätt i vetenskapen. Detta brukar kallas den vetenskapliga revolutionen (Scientific Revolution, History_of_physicsScientific_Revolution).

Om man följer ovanstående punkter och bara går så långt som elevernas begreppsbild och andra färdigheter tillåter uppkommer inte problemet att läraren egentligen känner att han/hon inte förstår fenomenet fullständigt. Läraren får trösta sig med att det gör ingen!

Några nyckelord i frågelådan som är relevanta för naturvetenskaplig metod:

  vetenskaplig metod

  fysik

  fysikalisk modell

  fysik, förståelse av

  fysik, nytta med

  pseudovetenskap

  parapsykologi

  astrologi
/Peter E 2008-02-12