Årskurs: 7-9, Gymnasiet
Ämnesområde: Ljus och ljud, Våglära och optik

Ett genomskinligt material, till exempel vatten, reflekterar i vissa fall ljus bättre än en spegel. Allt du behöver göra är att låta ljuset infalla i en lämplig vinkel. När vinkeln är tillräckligt stor kommer ljuset att reflekteras till 100 procent. Fenomenet kallas totalreflektion och förklarar bland annat hur optiska fibrer kan leda telefonsamtal.

Material

• Ett vattenfyllt akvarium eller motsvarande.
• Några droppar mjölk eller lite torrmjölk.
• En ljuskälla med en smal stråle. Helst en liten laser, till exempel en nyckelringslaser som finns att köpa hos elektronikåterförsäljare. Annars kan du använda en stark ficklampa eller en diaprojektor.

Tillverka

Fyll akvariet med vatten. Tillsätt mjölk, lite i taget under omrörning. Du ska bara ha så mycket mjölk att ljusstrålens väg blir synlig.

Om du använder dig av en diabildsprojektor kommer du behöva begränsa strålen. Det enklaste sättet att skapa en smal, kraftig ljusstråle är att slå hål med ett hålslag i en bit kartong som du sedan klipper till i diabildsformat så att den passar i projektorn.

Experimentet

Rikta ljusstrålen uppåt genom vattnet så att den träffar vattenytan underifrån. Om akvariets botten är genomskinlig kan du lysa genom den. Lys annars genom sidoväggen som figuren visar. Släck gärna belysningen i rummet när du experimenterar.

Rikta ljusstrålen så att den träffar vattenytan så rakt underifrån som möjligt. Vinkeln mellan stråle och vattenyta ska alltså vara så stor som möjligt.

Du kommer nu att kunna se att en del av ljuset reflekteras tillbaka ner i vattnet, medan en del bryts, och kommer ut i luften ovanför vattenytan. Om du har lite kritdamm i luften ser du ljusstrålen tydligare, men du kan också spåra strålen med en bit papper.

Minska vinkeln
Ändra sakta vinkeln så att ljuset infaller allt snedare mot vattenytan. Låt alltså vinkeln mellan ljusstrålen och vattenytan bli allt mindre. Notera att den reflekterade delen av ljuset blir allt starkare medan andelen ljus som går ut i luften minskar. 

Försök nu finna den vinkel då du inte längre får ut något ljus i luften, det vill säga då allt ljus reflekteras. Vinkeln där detta inträffar kallas för gränsvinkeln för totalreflektion och när du passerat den kommer allt ljus att reflekteras.

Vad händer?

När ljus går från ett genomskinligt material till ett annat, till exempel när det går mellan luft och vatten, reflekteras alltid en viss del medan resten bryts.

Du kan notera att ju snedare ljuset infaller mot ytan, desto mer bryts ljuset som kommer ut i luften. Till slut blir brytningsvinkeln så stor att inget ljus längre kan gå ut i luften. Fenomenet som inträffar kallas totalreflektion eftersom 100 procent av ljuset reflekteras i vattenytan.

Totalreflektion kan bara inträffa när ljuset lyser på vattenytan underifrån, det vill säga när ljuset går från vatten och mot luft. Det är ljusets fart i ett material, till exempel vatten respektive luft, som bestämmer om (och i så fall när) totalreflektion inträffar. 

Totalreflektion kan bara inträffa om ljus går från ett material med lägre ljusfart till ett material med högre ljusfart. I vatten är ljusets fart cirka 75 procent av ljuset fart i luft. För ljus som går från vatten mot luft inträffar totalreflektionen vid gränsvinkeln g = 49 grader, se figuren ovan.

Totalreflektion sker till exempel i optiska fibrer som leder telefonsamtal. Ljus som kommer in i fibern kommer att träffa fiberns väggar väldigt snett och reflekteras därför totalt. Detta gör att signalen varken försvagas nämnvärt eller "läcker ut" ur fibern trots att fibern går i kringelikrokar!

(Materialet ingår i Science Snacks och är översatt av NRCF med tillstånd av The Exploratorium, San Francisco. Besök deras hemsida för mer inspiration, ny flik)