Fysik

Bølger, der rammer en parabol

09. maj 2007 af topra (Slettet)
Ville alle slags bølger (lys, lys), der rammer en parabol, blive reflekteret til fokuspunktet i parabolen, ligegyldigt hvilken indfaldsvinkel de har? Gælder det også, hvis man taler om en parabel (dvs. parabol i 2d)?
Og hvordan kan men bevise det? Ved trigonometri/geometri?

Brugbart svar (0)

Svar #1
09. maj 2007 af holretz (Slettet)

Det er en længere diskussion. Men helt kort - hvis din bølgelængde er større end dimensionerne af parabolspejlet, så vil bølgen ikke "se" spejlet og den vil ikke have nogen spejlvirkning. Derudover er der forskellige overvejelser om hvorvidt spejloverfladen vil absorbere den indkommende stråling eller ej. Hvis du lyser på et parabolspejl, der er lavet til at reflektere satellitsignaler, så vil det meste af lyset formentlig blive absorberet i overfladen af spejlet...

Svar #2
09. maj 2007 af topra (Slettet)

Tak fordi du gad at svare!

Jeg er rimelig sikker på, at bølgelængden er (meget) kortere end parabolens diameter :)

Men kan jeg svare "ja" til det første spørgsmål, hvis jeg omformulerer det til: "Ville lysbølger med bølgelængder, der er væsentlig mindre end parabolens diameter, der rammer en parabol, blive reflekteret til fokuspunktet i parabolen, ligegyldigt hvilken indfaldsvinkel de har?"

Brugbart svar (0)

Svar #3
09. maj 2007 af holretz (Slettet)

Nej, det ville de ikke. Hvis du raytracer parabolen, så ser du at kun et strålebundt som er parallelt med parabolens symmetriakse vil blive reflekteret til fokuspunktet. Du kunne så undersøge hvor meget det betyder hvis strålerne ikke er helt parallelle med symmetriaksen. Spørgsmålet er så hvor meget det betyder i praksis hvis du tænker på at modtage signaler fra en satellit. Her er det formentligt rigeligt bare at ramme modtagehovedet, det er ikke så afgørende hvor god fokuseringen er...

Helt anderledes hvis du snakker om situationen i kikkerter og teleskoper o.s.v. , der er det selvfølgeligt afgørende at du har en præcis fokusering.


Svar #4
10. maj 2007 af topra (Slettet)

Raytrace??

Symmetriaksen: Er det den lodrette akse, der går gennem fokuspunktet?

Men hvis jeg skal anslå, hvor meget stråling, der rent faktisk bliver reflekteret til fokuspunktet, skal jeg så udregne det indre overfladeareal af hele parabolen og overfladearealet, hvor strålingen kan ramme parabolen parallelt med symmetriaksen, og så trække dem fra hinanden?
Sagt på en anden måde: Kan man godt antage, at strålingen rammer parabolen jævnt fordelt?

Bruger kikkerter og teleskoper også det samme princip som parabolen? Hmmm, det må jeg lige finde noget info om så.

Sætter stor pris på din hjælp. Jeg er i gang med at finde ud af, hvad jeg skal lave i et fysikprojekt under temaet Bølger. Paraboler er en mulighed. Vores opgave (gruppearbejde) kunne være at optimere vores egen parabol og teste den ved at bombardere den med gammastråling, hvor vi så sætter en Geiger-Muller-måler i fokuspunktet. Det er bare en tanke, vi skal også lige have talt med vores lærer :)

Brugbart svar (0)

Svar #5
10. maj 2007 af holretz (Slettet)

Hvis du tegner er parabel i 2D i et retvinklet koordinatsystem, så kan du jo placere den sådan at den er symmetrisk om y-aksen. Hvis du så roterer den, så får du en parabol. Raytrace betyder at du følger et strålebundts bevægelse igennem et optisk system. Med hensyn til størrelsen af den modtagne stråling, så kommer det jo an på hvordan din strålingskilde ser ud. Hvis det nu er solstråling, som du kan få til at dække hele paraboloverfladen, ja der kan du finde et watt/m^2 for solstrålingen.
Det areal du skal regne med er et projiceret areal, d.v.s. du skal finde arealet af en cirkel med samme diameter som parabolen. Hvis du ganger det areal med Intensiteten i watt/ m^2 af solstrålingen så burde du finde det antal watt, du kan få reflekteret op i fokuspunktet. Hvis du bruger en gammakilde, så får du jo et meget smalt strålebundt ud. Her er der næppe problemer med at "ramme ved siden af", men du vil formentlig få absorberet en del af strålingen i parabolspejlets overflade. Jeg ved ikke hvad der er bedst egnet som reflektor for gammastråling. Men hvis du kan negligere absorption og du iøvrigt sender strålingen ind parallelt med symmetriaksen, så burde du kunne modtage stråling med samme effekt i fokuspunktet som gammakilden udstråler den med.


Når jeg snakker om kikkerter og teleskoper, så mener jeg netop spejlteleskoper - både dem til synligt lys og til radiobølger. Her drejer det sig jo om at have en god opløsning, så der skal være en nøje sammenhæng mellem den måde strålingen er fordelt i kilden og den måde den opfanges på i fokuspunktet. Det er selvfølgeligt ikke nok at man bare ser en "klat", man skal kunne skelne detaljer...


Brugbart svar (0)

Svar #6
10. maj 2007 af holretz (Slettet)

uddybning: hvis din parabol er lille, så bliver du selvfølgeligt nødt til at tage hensyn til at fokusarealet skygger for spejlet...men igen hvis du bruger et smalt strålebundt, så betyder det jo ingenting, da du jo så bare kan sigte uden om det.

Svar #7
10. maj 2007 af topra (Slettet)

Kan jeg matematisk udlede, hvorfor stråling, der falder ind i parabolen parallelt til dens symmetriaksen, bliver reflekteret til fokuspunktet?

Jeg mener nemlig at have set en udledning for i = u, dvs indgangsvinklen er lig med udgangvinklen, når lys rammer et spejl e.l., men jeg kan ikke finde det nu. Tilsvarende må det vel være muligt at bevise reflektionen til fokuspunktet på matematisk vis, ved at bruge geometri/triogometri. Eller hvad?

Ville det gøre nogen forskel, hvis vi brugte andre radioaktive kilder? Strålingen skal helst være jævnt fordelt. Måske kunne vi også fylde parabolen med reflekterende materiale og putte en solcelle i fokuspunktet, så får vi en jævn fordeling at strålingen, når den kommer fra solen.
Nå, men jeg prøver lige at tale med de andre i gruppen + lærer :)

Svar #8
10. maj 2007 af topra (Slettet)

Jeg kom lige i tanke om en vigtigt sidste ting:

Gælder det med reflektion, når strålingen kommer ind parallelt med symmetriaksen, også for parabler?

Brugbart svar (0)

Svar #9
10. maj 2007 af holretz (Slettet)

Du skal vise det for en parabel, ved at bruge metoderne fra geometrisk optik. Konstruktionen er forholdsvis lige ud af landevejen.
Først skal du forstå hvordan en parabel defineres geometrisk:

Definition:

En parabel er den mængde af punkter i planen som har samme afstand fra et givet fast punkt og en given fast linie i denne plan. The faste punkt hedder fokuspunktet og den faste rette linie kaldes parablens ledelinie ("directrix" på engelsk).

Hvordan omsættes det nu til et analytisk udtryk, som man kan regne på ?

Prøv at tegne et retvinklet koordinatsystem.

I punktet (0,p) afsætter du dit fokuspunkt F(0,p) og i y = -p afsætter du en ret linie vandret.

Hvis du nu udvælger et eller andet punkt i planen P(x,y), så ligger dette punkt ifølge definitionen på parablen hvis afstanden PF fra fokuspunktet til P(x,y) = afstanden PQ fra P(x,y) ned til punktet Q(x,-p) på ledelinien. (Tegn punkterne ind, så du kan se det). Altså PF=PQ.

Du kan nu skrive ud med afstandsformlen:

PF = sqrt( (x-0)^2 + (y-p)^2 ) = sqrt(x^2 + (y-p)^2)

PQ = sqrt( (x- x)^2 + (y - (-p))^2 )= sqrt((y + p)^2)

Når du sætter disse to udtryk lig hinanden og reducerer fås y = x^2/4p

Punktet hvor parablen krydser y-aksen, der er symmetriaksen kaldes toppunktet (vertex på engelsk).
For parablen y=x^2/4p ligger den i (0,0).

Tallet p kaldes parablens brændvidde (focal lenght på engelsk)

Eksempel:

Standardligningen for en parabel med toppunkt i (0,0)
og fokus i (0,p) = (0, 1/4) er y = x^2/(4*1/4)= x^2.

Din gode gamle parabel y=x^2 har altså brændpunkt i (0, 1/4). Det er nyttigt at vide.

Tilsvarende kan parablen y = x^2/8 skrives som y = x^2/(4*p) hvoraf du kan se at p=2.
Derfor må fokus ligge i (0,p) = (0,2) og din ledelinie
ligger i y= - p = -2.

Du kan altså nu konstruere en eller anden vilkårlig parabel y=a * x^2 og finde hvor dens brændpunkt F er..

Nyttigt til det du skal lave.

Så er der spørgsmålet om hvordan du viser, at stråler parallelle med y-aksen (symmetriaksen) vil mødes i brændpunktet.

Det kommer i næste svar..




Svar #10
11. maj 2007 af topra (Slettet)

Wow... wow. Mange tak!
Jeg skal desværre i skole lige om lidt, men jeg printer det lige ud og kigger på det i dansktimen :)
Men det ser rigtig godt ud. Vi har nemlig lige afsluttet et forløb i analytisk plangeometri, så det er perfekt at bruge afstandsformlen.

Min fysiklærer siger i øvrigt at projektet ikke behøver at indeholde et forsøg, så hvis vi ikke kan lave parabolen (hvilket vi har droppet efterhånden), så kan vi sagtens skrive om emnet alligevel.

Brugbart svar (0)

Svar #11
11. maj 2007 af holretz (Slettet)

En parabol til at opfange solstråling kan i lave af pap og søvpapir - det er ren klippeklistre.
Mit forslag ville være følgende: I laver først et antal parabolske ribber i pap, men en eller anden given geometri - udfordringen ligger så i at få tegnet dem rigtigt inden i klipper ud. Det er den samme ide som en paraply - man laver nogle bæreribber og beklæder bagefter. To af de parabolske ribber kan falses sammen - man klipper halvt igennem hver på midten og sætter dem sammen i rillen.

Så har man de første 4 arme til at bære parabolfladen.

Der skal nok bruges yderligere 2 ribber til at give et stabilt stativ. De 4 resterende arme kan det så blive nødvendigt at klistre på rundt om midten, med noget godt papklister. (For at holde faconen ville det være oplagt at vende armen på hovedet, så enderne af de løse arme hviler på bordet og ind imod centrum, indtil limen er tør)

For at understøtte sølvpapiret ville det så sikkert være fornuftigt først at beklæde indersiden af parabolen med nogle kartonstrimler, der nogenlunde følger ribbebuerne. På denne måde kan man opbygge en parabolsk skål. Det hele skal selvfølgeligt sikres med klister. Tilsidst kan man så forsigtigt beklæde det hele med sølvpapir og undersøge om fokuspunktet ligger det forventede sted. Hvis man retter den mod solen, så skal man selvfølgeligt være opmærksom på under ingen omstændigheder at kigge ind imod parabolfladen fra nært hold. Al test af brændpunkter osv. skal man lave ved at holde et stykke papir (sort/mørkt) ind i strålen og se hvordan pletten ser ud. Hvis man har holder et objekt ind i fokuspunktet og skygger for det på bagsiden (med et stykke pap beklædt med sølvpapir) så burde det være muligt at regne den modtagne energi o.s.v. ud hvis man har tiden, massen på genstanden og dens specifikke varmekapacitet. Man kan så udregne tilført effekt og se om det passer nogenlunde med de tal der normalt opgives for solstrålingens effekt...

Svar #12
12. maj 2007 af topra (Slettet)

Hej, nu har jeg kigget på beviset, og det er ganske letforståeligt.
Mht. parabolen: Jo, det er en ide. Men vi mener selv at det begynder at bevæge sig lidt for langt ud i forhold til vores fokusemne, hvilket er bølger. Vi har ikke så lang tid, og der er næsten ikke nogen af de andre grupper der laver noget eksperimentielt (nogen skriver om, hvorfor et lyssværd ikke er muligt at lave :) Det er også en rigtig sjov ide).

Nå, men jeg skal bare lige være sikker på en ting:
Hvis strålingen kommer ind parallelt med symmetriaksen for en PARABEL (ikke en parabol), vil den så blive reflekteret til fokuspunktet? Eller gælder det kun for PARABOLER?

Takker for al din hjælp.

Brugbart svar (0)

Svar #13
12. maj 2007 af holretz (Slettet)

Altså hvis du er i 2D, så kalder du figuren en parabel, og dens brændpunkt er så en (x,y) koordinat.
Hvis du forestiller dig et fladt strålebundt som kommer ind imod parablen parallelt med symmetriaksen, så vil det blive reflekteret op i fokuspunktet.
Hvis du nu drejer parablen om symmetriaksen, så får du et omdrejningslegeme vi kalder en parabol.
Brændpunktet er nu et punkt i rummet, men det har jo de samme (x,y) koordinater. Derudover får det så en z-koordinat som er 0. Men brændpunktet ligger jo altså nøjagtigt det samme sted på symmetriaksen som før.
Hvis du nu sender et rumligt strålebundt ind parallelt med symmetriaksen, ja så bliver dette rumlige strålebundt reflekteret ind imod brændpunktet.
Du behøver ikke en ny argumentation for at vise dette, du viser det for 2D tilfældet og så argumenterer du med den symmetri der er i omdrejningslegemet til at vise at det også må gælde den rumlige figur. (Du kan jo forestille dig det der sker i den rumlige figur som sammensat af uendeligt mange flade 2D situationer).



Svar #14
12. maj 2007 af topra (Slettet)

Det har du selvfølgelig ret i. Jeg har fundet et bevis for det med reflektion, og er i gang med at kigge på det nu.
Takker mange gange for din hjælp!

Svar #15
12. maj 2007 af topra (Slettet)

Jeg kom lige i tanke om en aller sidste ting: lys har jo bølge/partikel-dualitet, er reflektion så en bølgeegenskab eller en partikelegenskab?
Jeg vil umiddelbart svare "bølge" (fordi lyd og vandbølger også bliver reflekteret), men et rundt legeme, der rammer en lodret væg vil jo have samme indgangsvinkel som udgangsvinkel?

Brugbart svar (0)

Svar #16
12. maj 2007 af holretz (Slettet)

Det afhænger af eksperimentet om det er mest oplagt at fortolke det på den ene eller den anden måde...

Normalt når du siger at indfaldsvinkel = udfaldsvinkel, så udleder du det fra bølgeegenskaber fordi det er den måde man traditionelt har tolket lysets egenskaber i optik. Derfor ser du den form for argumentation i de fleste optikbøger og i general physics bøgers behandling af optik. Der findes forskellige eksperimenter, hvor det derimod er helt oplagt at tolke lyset som en partikelstrøm. Et udmærket eksempel (skoleeksempel) er Comptons eksperiment, hvor man kan bedste kan fortolke det der sker ved at tænke på lyset som bestående af relativistiske "billiardkugler".


Svar #17
13. maj 2007 af topra (Slettet)

Jeg takker mange gange for hjælpen!
Ærgerligt at du ikke vil/kan undervise gymnasieelever, jeg ville da gerne prøve at have dig som lærer :)

Skriv et svar til: Bølger, der rammer en parabol

Du skal være logget ind, for at skrive et svar til dette spørgsmål. Klik her for at logge ind.
Har du ikke en bruger på Studieportalen.dk? Klik her for at oprette en bruger.