در یک درس ویدیویی فیزیک از آکادمی علوم سرگرمی، پروفسور دانیل ادیسونوویچ گفتگو را در مورد نور که در قسمت قبلی برنامه آغاز شد، ادامه می دهد. بینندگان تلویزیون از قبل می دانند که بازتاب نور چیست، اما شکست نور چیست؟ این انکسار نور است که برخی از پدیده های نوری عجیبی را که می توانیم در زندگی روزمره خود مشاهده کنیم را توضیح می دهد.
پدیده شکست نور
چرا پاهای افرادی که در آب ایستاده اند کوتاهتر از آنچه هستند به نظر می رسد و اگر به پایین رودخانه نگاه کنید، نزدیکتر به نظر می رسد؟ همه چیز در مورد پدیده شکست نور است. نور همیشه سعی می کند در یک خط مستقیم، کوتاه ترین مسیر حرکت کند. اما رسیدن از یک محیط فیزیکی به قسمت دیگر پرتوهای خورشید تغییر جهت می دهد. در این حالت با پدیده شکست نور سروکار داریم. به همین دلیل است که یک قاشق در یک لیوان چای شکسته به نظر می رسد - نور قسمتی از قاشق که در چای است با زاویه متفاوتی نسبت به نور قسمتی از قاشق که بالای سطح مایع است به چشم ما می رسد. . شکست نور در این حالت در مرز هوا و آب اتفاق می افتد. پرتوی نور وقتی بازتاب می‌شود کوتاه‌ترین مسیر را طی می‌کند و وقتی شکست می‌خورد سریع‌ترین حرکت را دارد. مردم با استفاده از قوانین بازتاب و شکست نور، چیزهای زیادی خلق کرده اند که بدون آنها زندگی امروز ما غیر قابل تصور است. ایجاد تلسکوپ، پریسکوپ، میکروسکوپ، ذره بین، بدون آگاهی از قوانین شکست و بازتاب نور غیرممکن است. ذره بین به این دلیل بزرگ می شود که با عبور از آن، پرتوهای نور با زاویه ای بیشتر از پرتوهای بازتاب شده از خود جسم وارد چشم می شوند. برای انجام این کار، جسم باید بین ذره بین و فوکوس نوری آن قرار گیرد. فوکوس نوری؛ این نقطه ای است که در آن پرتوهای موازی در ابتدا پس از عبور از یک سیستم جمع آوری (یا جایی که اگر سیستم در حال پراکندگی باشد، امتداد آنها قطع می شود) (تمرکز) می شوند. یک عدسی (مانند عدسی عینک) دو طرف دارد، بنابراین یک پرتو نور دو بار شکسته می‌شود—هنگام ورود و خروج به عدسی. سطح عدسی می تواند منحنی، مقعر یا مسطح باشد که دقیقا مشخص می کند پدیده شکست نور در آن چگونه رخ خواهد داد. اگر دو طرف عدسی محدب باشد، عدسی همگرا است. انکسار در چنین عدسی، پرتوهای نور در یک نقطه متمرکز می شوند. به این نقطه تمرکز اصلی لنز می گویند. عدسی با اضلاع مقعر را عدسی واگرا می گویند. در نگاه اول، فاقد تمرکز است، زیرا پرتوهای عبوری از آن پراکنده شده و به طرفین منحرف می شوند. اما اگر این پرتوها را به عقب هدایت کنیم، آنها دوباره با عبور از عدسی در نقطه ای جمع می شوند که کانون این عدسی خواهد بود. در چشم انسان عدسی وجود دارد که به آن عدسی می گویند. می توان آن را با یک فیلم پروژکتور مقایسه کرد که تصویری را روی صفحه نمایش می دهد - دیواره پشتی چشم (شبکیه). بنابراین معلوم می شود که دریاچه یک عدسی غول پیکر است که باعث ایجاد پدیده شکست نور می شود. به همین دلیل است که پاهای ماهیگیرانی که در آن ایستاده اند کوتاه به نظر می رسد. رنگین کمان ها نیز به دلیل عدسی ها در آسمان ظاهر می شوند. نقش آنها توسط قطرات ریز آب یا ذرات برف ایفا می شود. رنگین کمان زمانی رخ می دهد که نور خورشید توسط قطرات آب (باران یا مه) شناور در جو منعکس شده و منعکس می شود. این قطرات نور با رنگ های مختلف را متفاوت خم می کنند. در نتیجه، نور سفید به یک طیف تجزیه می شود (پراکندگی نور رخ می دهد). ناظری که با پشت به منبع نور می ایستد، درخشش چند رنگی را می بیند که به صورت دایره ای (قوس) از فضا نشات می گیرد.
فرآیندهایی که با نور مرتبط هستند جزء مهمی از فیزیک هستند و ما را در همه جای زندگی روزمره احاطه می کنند. مهمترین آنها در این شرایط قوانین انعکاس و شکست نور است که اپتیک مدرن بر آن استوار است. انکسار نور بخش مهمی از علم مدرن است.
اثر اعوجاج
این مقاله به شما خواهد گفت که پدیده شکست نور چیست و همچنین قانون شکست چگونه به نظر می رسد و چه چیزی از آن نتیجه می گیرد.
مبانی یک پدیده فیزیکی
هنگامی که یک پرتو بر روی سطحی می افتد که توسط دو ماده شفاف که چگالی نوری متفاوتی دارند (مثلاً شیشه های مختلف یا در آب) از هم جدا شده است، برخی از پرتوها منعکس می شوند و برخی به ساختار دوم نفوذ می کنند (مثلاً آنها در آب یا شیشه تکثیر می شوند). هنگام حرکت از یک رسانه به رسانه دیگر، یک پرتو به طور معمول جهت خود را تغییر می دهد. این پدیده شکست نور است.
انعکاس و شکست نور به ویژه در آب قابل مشاهده است.
اثر اعوجاج در آب
با نگاه کردن به چیزها در آب، آنها به نظر می رسند که منحرف شده اند. این امر به ویژه در مرز بین هوا و آب قابل توجه است. از نظر بصری، اجسام زیر آب کمی منحرف شده اند. پدیده فیزیکی توصیف شده دقیقاً دلیل این است که همه اشیا در آب اعوجاج به نظر می رسند. هنگامی که پرتوها به شیشه برخورد می کنند، این اثر کمتر قابل توجه است.
شکست نور یک پدیده فیزیکی است که با تغییر جهت حرکت پرتو خورشید در لحظه حرکت از یک محیط (ساختار) به محیط دیگر مشخص می شود.
برای بهبود درک ما از این فرآیند، مثالی از برخورد پرتو با آب از هوا (به طور مشابه برای شیشه) در نظر بگیرید. با کشیدن یک خط عمود بر سطح مشترک می توان زاویه شکست و بازگشت پرتو نور را اندازه گیری کرد. این شاخص (زاویه شکست) با نفوذ جریان به آب (داخل شیشه) تغییر خواهد کرد.
توجه داشته باشید! این پارامتر به عنوان زاویه ای است که توسط یک عمود کشیده شده برای جداسازی دو ماده در هنگام نفوذ یک پرتو از ساختار اول به ساختار دوم درک می شود.
گذر پرتو
همین شاخص برای محیط های دیگر نیز معمول است. مشخص شده است که این شاخص به چگالی ماده بستگی دارد. اگر تیر از ساختاری با چگالی کمتر به ساختاری متراکم تر بیفتد، زاویه اعوجاج ایجاد شده بیشتر خواهد بود. و اگر برعکس باشد، کمتر است.
در عین حال، تغییر در شیب نزولی نیز بر این شاخص تأثیر خواهد گذاشت. اما رابطه بین آنها ثابت نمی ماند. در همان زمان، نسبت سینوس های آنها یک مقدار ثابت باقی می ماند که با فرمول زیر منعکس می شود: sinα / sinγ = n، که در آن:
- n مقدار ثابتی است که برای هر ماده خاص (هوا، شیشه، آب و غیره) توضیح داده می شود. بنابراین، این مقدار چقدر خواهد بود را می توان با استفاده از جداول ویژه تعیین کرد.
- α – زاویه تابش؛
- γ - زاویه شکست.
برای تعیین این پدیده فیزیکی، قانون شکست ایجاد شد.
قانون فیزیکی
قانون شکست شار نور به ما اجازه می دهد تا ویژگی های مواد شفاف را تعیین کنیم. خود قانون شامل دو ماده است:
- قسمت اول. پرتو (برخورد، اصلاح شده) و عمودی که در نقطه فرود در مرز، به عنوان مثال، هوا و آب (شیشه و غیره) بازسازی شده است، در یک صفحه قرار خواهند گرفت.
- قسمت دوم. نسبت سینوس زاویه تابش به سینوس همان زاویه که هنگام عبور از مرز تشکیل می شود یک مقدار ثابت خواهد بود.
شرح قانون
در این حالت، در لحظه ای که پرتو از ساختار دوم به ساختار اول خارج می شود (مثلاً هنگامی که شار نور از هوا، از شیشه عبور می کند و به هوا برمی گردد)، اثر اعوجاج نیز رخ می دهد.
یک پارامتر مهم برای اشیاء مختلف
شاخص اصلی در این وضعیت، نسبت سینوس زاویه تابش به یک پارامتر مشابه، اما برای اعوجاج است. طبق قانون توضیح داده شده در بالا، این شاخص یک مقدار ثابت است.
علاوه بر این، هنگامی که مقدار شیب کاهش تغییر می کند، وضعیت مشابه برای یک شاخص مشابه معمول خواهد بود. این پارامتر از اهمیت بالایی برخوردار است زیرا یک ویژگی جدایی ناپذیر از مواد شفاف است.
نشانگر برای اشیاء مختلف
به لطف این پارامتر، می توانید به طور موثر بین انواع شیشه و همچنین سنگ های قیمتی مختلف تمایز قائل شوید. همچنین برای تعیین سرعت نور در محیط های مختلف مهم است.
توجه داشته باشید! بیشترین سرعت جریان نور در خلاء است.
هنگام حرکت از یک ماده به ماده دیگر، سرعت آن کاهش می یابد. به عنوان مثال، در الماس که دارای بالاترین ضریب شکست است، سرعت انتشار فوتون 2.42 برابر بیشتر از هوا خواهد بود. در آب 1.33 برابر کندتر پخش می شوند. برای انواع شیشه، این پارامتر از 1.4 تا 2.2 متغیر است.
توجه داشته باشید! برخی از شیشه ها دارای ضریب شکست 2.2 هستند که بسیار نزدیک به الماس است (2.4). بنابراین، همیشه نمی توان یک تکه شیشه را از یک الماس واقعی تشخیص داد.
چگالی نوری مواد
نور می تواند از طریق مواد مختلفی نفوذ کند که با چگالی نوری متفاوتی مشخص می شوند. همانطور که قبلاً گفتیم، با استفاده از این قانون می توانید مشخصه چگالی محیط (ساختار) را تعیین کنید. هر چه متراکم تر باشد، سرعت انتشار نور در آن کمتر است. به عنوان مثال، شیشه یا آب از نظر نوری چگال تر از هوا خواهد بود.
این پارامتر علاوه بر اینکه یک مقدار ثابت است، نسبت سرعت نور را در دو ماده نیز منعکس می کند. معنای فیزیکی را می توان به صورت فرمول زیر نمایش داد:
این شاخص نشان می دهد که چگونه سرعت انتشار فوتون ها هنگام حرکت از یک ماده به ماده دیگر تغییر می کند.
شاخص مهم دیگر
هنگامی که یک شار نور از میان اجسام شفاف حرکت می کند، قطبش آن امکان پذیر است. در هنگام عبور یک شار نور از محیط همسانگرد دی الکتریک مشاهده می شود. قطبش زمانی اتفاق می افتد که فوتون ها از شیشه عبور می کنند.
اثر پلاریزاسیون
پلاریزاسیون جزئی زمانی مشاهده می شود که زاویه تابش شار نور در مرز دو دی الکتریک با صفر متفاوت باشد. درجه قطبی شدن بستگی به این دارد که زوایای فرود چقدر بوده است (قانون بروستر).
انعکاس کامل داخلی
با پایان یافتن سفر کوتاه خود، هنوز لازم است چنین تأثیری را به عنوان بازتاب داخلی کامل در نظر بگیریم.
پدیده نمایش کامل
برای اینکه این اثر ظاهر شود، لازم است زاویه تابش شار نور در لحظه انتقال آن از یک محیط چگال تر به یک محیط کمتر متراکم در سطح مشترک بین مواد افزایش یابد. در شرایطی که این پارامتر از یک مقدار محدود کننده خاص تجاوز کند، فوتون‌هایی که در مرز این بخش فرو می‌آیند کاملاً منعکس می‌شوند. در واقع، این پدیده مورد نظر ما خواهد بود. بدون آن، ساخت فیبر نوری غیرممکن بود.
نتیجه
کاربرد عملی رفتار شار نور چیزهای زیادی را به وجود آورده است و ابزارهای فنی مختلفی را برای بهبود زندگی ما ایجاد کرده است. در عین حال، نور هنوز تمام امکانات خود را برای بشریت آشکار نکرده و پتانسیل عملی آن هنوز به طور کامل تحقق نیافته است.
چگونه با دستان خود یک لامپ کاغذی درست کنید
نحوه بررسی عملکرد نوار LED
1. ما آزمایشاتی را در مورد شکست نور انجام می دهیم
بیایید چنین آزمایشی را انجام دهیم. اجازه دهید یک پرتو باریک نور را در یک ظرف پهن با زاویه معینی به سطح آب به سطح آب هدایت کنیم. متوجه خواهیم شد که در نقاط تابش پرتوها نه تنها از سطح آب منعکس می شوند، بلکه تا حدی به داخل آب می روند و جهت خود را تغییر می دهند (شکل 3.33).
- تغییر جهت انتشار نور هنگام عبور نور از سطح مشترک بین دو محیط، شکست نور نامیده می شود.
اولین اشاره به انکسار نور را می توان در آثار ارسطو فیلسوف یونان باستان یافت، که متعجب بود: چرا یک چوب در آب شکسته به نظر می رسد؟ و در یکی از رساله های یونان باستان آزمایش زیر شرح داده شده است: "شما باید به گونه ای بایستید که حلقه صافی که در کف ظرف قرار دارد در پشت لبه آن پنهان شود. سپس بدون تغییر وضعیت چشم ها، آب را در ظرف بریزید.
برنج. 3.33 طرح آزمایشی برای نشان دادن شکست نور. با عبور از هوا به آب، یک پرتو نور جهت خود را تغییر می‌دهد و به سمت عمودی که در نقطه تابش پرتو ثابت است تغییر می‌کند.
2. روابط زیر بین زاویه تابش و زاویه شکست وجود دارد:
الف) اگر زاویه تابش افزایش یابد، زاویه شکست نیز افزایش می یابد.
ب) اگر یک پرتو نور از محیطی با چگالی نوری کمتر به محیطی با چگالی نوری بالاتر عبور کند، زاویه شکست کمتر از زاویه تابش خواهد بود.
ج) اگر یک پرتو نور از محیطی با چگالی نوری بیشتر به محیطی با چگالی نوری کمتر عبور کند، زاویه شکست از زاویه تابش بیشتر خواهد بود.
(لازم به ذکر است که در دبیرستان پس از گذراندن دوره مثلثات با شکست نور بیشتر آشنا می شوید و در سطح قوانین با آن آشنا می شوید.)
4. برخی از پدیده های نوری را با شکست نور توضیح می دهیم
وقتی در ساحل یک مخزن ایستاده ایم و سعی می کنیم عمق آن را با چشم تعیین کنیم، همیشه کوچکتر از آنچه هست به نظر می رسد. این پدیده با شکست نور توضیح داده می شود (شکل 3.37).
برنج. 3. 39. دستگاه های نوری که عملکرد آنها بر اساس پدیده شکست نور است
- سوالات تستی
1. وقتی نور از سطح مشترک بین دو رسانه عبور می کند چه پدیده ای را مشاهده می کنیم؟
ماندلشتام انتشار امواج الکترومغناطیسی، عمدتاً نور مرئی را مطالعه کرد. او تعدادی اثر را کشف کرد که برخی از آنها اکنون نام او را دارند (پراکندگی رامان، اثر ماندلشتام-بریلوین و غیره).
انتخاب 1. تجهیزات:دستگاهی برای مطالعه قوانین اپتیک هندسی، یکسو کننده VS-24 یا VS 4-12، یک آینه تخت ساخته شده از قسمت هایی از دستگاه.
هنگام آماده کردن یک دستگاه اپتیک هندسی برای عملکرد، نور صفحه را تنظیم کنید. برای انجام این کار، مفصل توپ را شل کنید و روشن کننده را بچرخانید یا حرکت دهید تا نوار میانی نور از کل صفحه (در امتداد قطر آن) عبور کند. روشن کننده در این موقعیت ثابت است. اگر در همان زمان نوار نور تار و تیز نیست، با باز کردن پیچ ثابت کننده کارتریج الکتریکی در روشن کننده، کارتریج الکتریکی را بچرخانید، پایین بیاورید یا بالا ببرید تا نوار روشنی از نور روی صفحه نمایش به دست آید. اگر نوارهای جانبی نور به لبه صفحه نمایش نرسد، شیب روشنگر باید تغییر کند. پس از تنظیم، تمام پیچ ها به طور ایمن بسته می شوند.
نصب مطابق شکل 278 مونتاژ شده است. با استفاده از یک گیره، یک آینه تخت از مجموعه ای از قطعات نوری نصب می شود تا سطح بازتابنده آن با محور افقی منطبق شود. فقط یک پرتوی میانی باقی مانده است. آنها زاویه تابش را از 0 به 90 درجه تغییر می دهند، زاویه انعکاس را یادداشت می کنند، این زوایا را با هم مقایسه می کنند و نتیجه می گیرند.
آزمایش تکرار می‌شود و خواص برگشت‌پذیری پرتوهای نور را نشان می‌دهد که برای آن روشن‌کننده از یک قسمت دیسک به قسمت دیگر منتقل می‌شود. (هنگام نشان دادن آزمایشات در اپتیک هندسی، اتاق باید تاریک شود.)
برنج. 278 شکل. 280
آزمایش 2. شکست نور
انتخاب 1. تجهیزات:
یک نیم سیلندر شفاف روی صفحه نمایش قرار می گیرد که طرف مات آن رو به صفحه است و قسمت صاف آن برش داده می شود تا با محور افقی منطبق باشد. مرکز نیم سیلندر با وسط صفحه با استفاده از علائم روی سطح مات نیم سیلندر تراز شده است (شکل 280).
هنگام نشان دادن آزمایش، از پرتو میانی استفاده کنید. پرتو به مرکز نیم سیلندر عمود بر صفحه هدایت می شود (پرتو بدون تغییر جهت عبور می کند). پرتو فرودی را از عمود منحرف کنید و توجه کنید که پرتو شکسته شده با زاویه دیگری از نیم سیلندر خارج می شود. زوایای تابش و شکست مقایسه شده و نتیجه گیری می شود.
آزمایش را با زاویه بروز متفاوت تکرار کنید. (در طول آزمایش باید به انشعاب پرتو نور در سطح مشترک بین دو رسانه توجه کنید.)
آزمایش 3. پدیده بازتاب کامل نور
انتخاب 1. تجهیزات:دستگاهی برای مطالعه قوانین اپتیک هندسی، یکسو کننده VS-24 یا VS 4-12، نیم سیلندر از مجموعه ای از قطعات نوری.
با توجه به نسبت زوایای تابش و شکست در آزمایش قبلی (شکل 280)، موقعیت نیم سیلندر تغییر می کند. سمت محدب آن به سمت روشنگر نصب شده است (برش صاف با محور افقی منطبق است). زوایای فرود در مقایسه با زوایای شکست تغییر می کند و نتیجه گیری می شود.
نسبت زوایای تابش و شکست بسته به نسبت چگالی نوری محیط (نتایج این آزمایش و آزمایش های قبلی) مقایسه می شود. نتیجه می گیرند.
اطمینان حاصل کنید که با افزایش زاویه تابش، روشنایی پرتو بازتابی افزایش یافته و پرتو شکسته شده کاهش می یابد. زاویه تابش را تا ناپدید شدن پرتو شکسته افزایش دهید. با افزایش بیشتر زاویه تابش، فقط پرتو بازتابی مشاهده می شود. پدیده بازتاب کامل نور مشاهده می شود.
سوالزاویه محدود بازتاب کلی چقدر است؟ (پاسخ خود را به یک رقم مهم بدهید.)
گزینه 2. تجهیزات:دستگاه پروجکشن، آکواریوم.
نصب طبق شکل 281 مونتاژ شده است. یک لایه آب به ضخامت 7-8 سانتی متر در یک حمام شیشه ای (آکواریوم) ریخته می شود و با کنسانتره کاج رنگ می شود. یک شکاف افقی در جلوی کندانسور دستگاه پروجکشن نصب شده است و یک آینه تخت روی قاب لنز قرار می گیرد. یک پرتو نور به دیواره جانبی حمام شیشه ای هدایت می شود. شکست پرتو نور در آب، انعکاس کلی از سطح آب و شکست هنگام خروج پرتو از حمام مشاهده می شود. با تغییر زاویه تابش، می توان بازتاب های چندگانه پرتو نور را از سطح آب و کف حمام مشاهده کرد.
