ljusets brytning i Vatten

Det handlar om ljusets brytningsindex och Snells lag.

Alla medier har ett särskilt brytningsindex, ett mått på hur snabbt ljuset färdas i dem. Brytnigsindex definieras som:

$\displaystyle n := \frac{c}{v}$

där $c$ är ljusets fart i vakuum och $v$ dess utbredningshastighet i det aktuella mediet (t.ex. luft, vatten eller glas). Det följer som specialfall att vi har $n=1$ i vakuum.

Snells lag säger att $\displaystyle n_1\sin\theta_1=n_2\sin\theta_2$, där $n_1$ och $n_2$ är brytningsindexen i de olika medierna och där $\theta_1$ och $\theta_2$ är ingångs- respektive utgångsvinklarna mätt mot normalen till ytan där ljuset bryts.

Anledningen till att fisken ser ut att vara högre upp än den är är alltså att de olika brytningsindexen ger olika ingångs- och utgångsvinklar. Det är ju utgångsvinkeln som avgör var fisken ser ut att vara för dig (vilket illustreras av den inprickade linjen). Fisken ser ut för dig att vara på förlängningen av ljusstrålen som träffar dina ögon. Ljusstrålen färdades dock inte helt rakt in i näthinnor, utan böjdes vid gränsytan mellan vattnet och luften.

Tillägg: 23 feb 2025 19:42

Ser nu att detta är grundskolenivå (dumma mig), så det kanske är lite överkurs att babbla om Snells lag. Poängen är i alla fall att ljusstrålen som når dig inte färdas i en rak linje.

Äh, det e lugnt, jag har aldrig något emot att lära mig lite extra saker för all del! Men att fisken hamnar tidigare än vad vi tror förstår jag, det är helt logiskt. Men hur kan vi avgöra hur djupt fisken befinner sig? Varför tror vi liksom att fisken är högre upp? Låter kanske som en lite dum fråga men jag ska lägga in en bild på vad jag menar där det röda jag har ritat till är var jag tänkte att vi borde tro att fisken befinner sig. 
Nu är inte den röda streckade linjen exakt som den svarta men försökte rita det på min mobil så d va lite svårt hehe…

Jaha, du undrar alltså varför man inte rör sig ännu längre längs ljusstrålens förlängning (den streckade linjen), varför det helt plötsligt bara tar stopp?

Ja, Exakt! Det var svårt att formulera frågan så jag tänkte att jag lika gärna kunde rita vad jag menade.

Det är en väldigt bra fråga, som jag tyvärr saknar svar på!

Man skulle ju kunna fundera på varför vår hjärna inte tolkar fisken som nere på botten.

Förhoppningsvis finns det någon som kan mer om detta som kan upplysa oss. Jag är också ganska nyfiken.

Ja, jag har funderat på det ganska länge men har inte kommit fram till ett rimligt svar än. Jag vet inte om det har något med får uppfattning av fisken storlek att göra. För man tänker kanske omedvetet att ju större fisken är, desto närmare är den. Kanske gör brytningen också att vi uppfattar fisken som större än vad den faktiskt är och därav högre upp. Men det underbygger inte faktumet att vi också kan uppfatta det som att havsbotten är högre upp, för det gör vi om vi betraktar den från en viss vinkel. Då kan man inte utgå ifrån storleken, så det måste finnas någon annan anledning. 

Jag är också nyfiken och hoppades att någon skulle förklara. 

Om jag skall spekulera så tror jag det skulle bli tydligare om man inte tittade på problemet eller fisken som i illustrationen. 

Vi ser en fisk för att det projiceras en bild av en fisk på ögats näthinna. Det är inte en enda stråle som gör att vi ser den. Från fiskens nos (?) går det en, från ryggfenan en annan och ytterligare någon från stjärtfenan. Förstås är det inte bara tre, men om man ritade dem (med rätt vinklar) så att de även passerar ögats lins och bildar en pytteliten fisk på näthinnan skulle nog bilden bli en annan. 

Då kommer man nog fram till att fisken ser ut att simma grundare än vad den gör. Den ser nog även mindre ut än vad den är, för att få ihop bilden. 

Spekulationer från min sida och jag har inte ritat (ännu). 

Ja, det var lite så jag också tänkte, Men det förklarar inte riktigt vad som gör att vi tror att havsbotten också hamnar högre upp. För det är liksom inte en enda liten sak utan något som bara fortsätter, vet inte riktigt hur jag ska förklara, men föreställ er bara att ni står en bit in i havet och tittar mot havsbotten, det är ju inte bara lite botten framför er utan det fortsätter ju åt alla håll liksom. Men det kanske hänger ihop lite med fisken. För om vi uppfattar botten högre upp så blir ju fisken också per automatik högre upp (i vår uppfattning). Har ingen aning om var detta resonemang riktigt syftade på, men jag tänkte iaf att de har något med varandra o göra, och det kan väl inte bara vara projiceringen av ett litet objekt som fisken på näthinnan, utan hela havsbotten som vi tittar på (och kan se såklart, för vi kan ju inte se havsbotten hur långt som helst)

Jo, så är det förstås. Botten ser också ut att vara högre upp så sjön ser grundare ut. Både botten och fisken kommer närmare ytan (och längre bort). 

Människan avgör en grejs avstånd med hjälp av hur stor den är (jämfört med hur stor vi av erfarenhet vet att den borde vara), och grejer förstoras i vatten, vilket du kan inse om du försöker dra en till linje från fiskens fena till ögat. 

https://physics.stackexchange.com/questions/83480/why-would-an-object-appear-a-different-size-when-in-water

Väldigt bra fråga, det är sånt här som gör att man får A :)

Människan avgör en grejs avstånd med hjälp av hur stor den är (jämfört med hur stor vi av erfarenhet vet att den borde vara), och grejer förstoras i vatten, vilket du kan inse om du försöker dra en till linje från fiskens fena till ögat. 

Jo men det var ju det jag antog!  Det låter rimligt. Men vi uppfattar ju havsbotten som högre upp också. Hur kan vi uppfatta havsbotten som större? Det är det jag inte riktigt fattar. En hypotes är att skuggor och ojämnheter också förstoras så att även det ser närmare ut. Men vet dock inte om det är korrekt. 

Men för att vi ska uppfatta något som större borde det väl ske mer än en brytning, så att det blir som en konvex (?) lins. Eller? Just nu spekulerar jag bara, her ingen aning om hur det faktiskt är

Liten uppdatering, om man nu kan kalla det så... Jag tror inte att det finns en faktisk förklaring till varför vi uppfattar fisken som högre upp än vad den är, och varför fisken inte kan vara där den röda fisken är. 

Jag tror det har något med vårt lite halvt undermedvetna att göra. Sättet vi bedömer och avgör avstånd. För att vi skulle uppfatta fisken som större borde havsytan funka mer som en konvex lins och även då borde det varit ganska specifika förhållanden för att vi skulle uppfatta fisken som större. Om man någonsin har tappat något i vattnet så ser det inte större ut, men vår hjärna gör bara bedömningen att objektet är högre upp när vi försöker plocka upp det igen. 

Sedan kanske skuggor osv fortfarande spelar en roll i hur högre upp vi tror att saker är, för ju mer skuggor desto sjupare ror jag att våra hjärnor tänker att det är. 

Jag frågade min NO-lärare idag och hans svar stämmer in ganska likt detta, men han var själv inte 100% säker. 

Nästan så att denna fråga kommer förbli halvt obesvarad, med en fortsatt idé om att storleken påverkar vår uppfattning av djup. 

Men hur uppfattar vi isåfall djup när vi kollar på en spegelbild. För vår hjärna tänker ju att det är en faktisk människa i spegeln och den uppfattar djup. Så kanske är detta bara någon typ av medfödd mekanism som utvecklas med åren.

Jag har dock ingen aning. Återigen är allt detta bara rena spekulationer. 

På nära håll så kan vi bedöma avstånd genom hur ögonen behöver fokusera (dels ställa in sig i sidled så att de ser samma sak, dels ställa in linserna så att bilden blir skarp). För en fisk på tre meters avstånd kanske det fortfarande är relevant.

När jag vadar i mycket grunt vatten så känns det nog som om botten ser ut att vara högre upp än den egentligen är. Hur det är med att sitta på en brygga med ett metspö vet jag inte.

Det här kittlar min nyfikenhet också :-)

Vi har ju två ögon att se med och använder det för att göra avståndsbedömningar (stereoseende). Kan detta göra att vi upplever fisken som högre upp och inte längre bort som i din skiss?

Ja, kanske. Men hur funkar egentligen stereoseende? För antagligen är det något vår kropp automatiskt gör som på något sätt gör att vi bara uppfattar att fisken är högre upp, utan att man behöver göra några djupare resonemang om varför osv. Jag menar, om vi gör det enklare och tänker att man har en vattenflaska framför sig så står man inte riktigt och tänker på ungefär hur långt ifrån en flaskan är. Vi bara liksom vet att den är ex 30 cm ifrån en på ett ungefär. Jag börjar tro att detta är något som bara händer i vår kropp utan att vi riktigt tänker på det. 

Men den mekanismen kan ju bara en kombination av hur många saker som helst som hjärnan uppfattar, för vår hjärna är ju väldigt avancerad. Det betyder att det möjligtvis hade kunnat vara en kombination av både stereoseendet och det Laguna nämnde med att vår hjärna avgör hur mycket lins men måste ställas in så att vi får ett bra fokus och en bra bild. 

Stereoseende bygger på att ögonen ser en sak från två lite olika vinklar och hjärnan kan då med hjälp av det göra en avståndsbedömning. Prova att blunda med ena sen det andra ögat så ser du att det blir lite olika perspektiv.

Min tanke var att detta gör så vi får rätt avstånd mellan ögon och fisk men ljusbrytningen lurar oss att tro den är högre upp.

Sen finns det nog undermedvetna erfarenheter som att vi vet hur stor t.ex en människa är som gör att vi kan bedöma hur långt bort den är.

Som du säger så pågår det en massa i hjärnan och vårt nervsystem utan att vi tänker på det. Det hade ju varit extremt jobbigt om vi medvetet måste styra alla ansiktets muskler för le och prata. :-)