Eğlenceli Bilimler Akademisi'nin fizik video dersinde Profesör Daniil Edisonovich, programın önceki bölümünde başlayan ışıkla ilgili konuşmaya devam ediyor. TV izleyicileri ışığın yansımasının ne olduğunu zaten biliyor ama ışığın kırılması nedir? Günlük yaşamımızda gözlemleyebildiğimiz bazı tuhaf optik olayları açıklayan şey, ışığın kırılmasıdır.
Işığın kırılması olgusu
Neden suda duran insanların bacakları gerçekte olduklarından daha kısa görünüyor ve nehrin dibine baktığınızda daha yakın görünüyor? Her şey ışığın kırılması olgusuyla ilgili. Işık her zaman düz bir çizgide, en kısa yolda ilerlemeye çalışır. Ancak güneş ışınlarının bir fiziki ortamdan başka bir bölgeye geçişi yön değiştirir. Bu durumda ışığın kırılması olgusuyla karşı karşıyayız. Bu nedenle çay bardağındaki kaşık kırık görünür; kaşığın çayın içindeki kısmından gelen ışık, kaşığın sıvı yüzeyinin üzerindeki kısmından gelen ışıktan farklı bir açıyla gözümüze ulaşır. . Bu durumda ışığın kırılması hava ve su sınırında meydana gelir. Işık ışını yansıdığında en kısa yolu kat eder, kırıldığında ise en hızlı yolu alır. İnsanlar, ışığın yansıma ve kırılma yasalarını kullanarak, bugün hayatımızın onsuz düşünülemeyeceği birçok şey yarattılar. Işığın kırılma ve yansıması kanunları bilgisi olmadan teleskoplar, periskoplar, mikroskoplar, büyüteçler, bunların hepsini yaratmak imkansız olurdu. Büyüteç büyütür çünkü içinden geçen ışık ışınları, nesnenin kendisinden yansıyan ışınlardan daha büyük bir açıyla göze girer. Bunu yapmak için nesnenin büyüteç ile optik odağı arasına yerleştirilmesi gerekir. Optik odaklama; bu, başlangıçta paralel ışınların bir toplama sisteminden geçtikten sonra kesiştiği (odaklandığı) noktadır (veya sistem saçılıyorsa uzantılarının kesiştiği noktadır). Bir merceğin (gözlük merceği gibi) iki tarafı vardır, dolayısıyla bir ışık ışını merceğe girip çıkarken iki kez kırılır. Merceğin yüzeyi kavisli, içbükey veya düz olabilir; bu, içinde ışık kırılması olgusunun tam olarak nasıl gerçekleşeceğini belirler. Bir merceğin her iki tarafı da dışbükey ise, yakınsak bir mercektir. Böyle bir mercekte kırılan ışık ışınları bir noktada yoğunlaşır. Buna merceğin ana odağı denir. Kenarları içbükey olan merceğe ıraksak mercek denir. İlk bakışta odak eksikliği var çünkü içinden geçen ışınlar dağılıyor ve yanlara doğru ayrılıyor. Ancak bu ışınları geri yönlendirirsek, yine mercekten geçerek bu merceğin odak noktası olacak bir noktada toplanacaklardır. İnsan gözünde bir mercek vardır, buna mercek denir. Görüntüyü ekrana (gözün arka duvarı) (retina) yansıtan bir film projektörüne benzetilebilir. Böylece gölün, ışığın kırılması olgusuna neden olan dev bir mercek olduğu ortaya çıktı. Bu yüzden içinde duran balıkçıların bacakları kısa görünüyor. Gökkuşakları da mercekler nedeniyle gökyüzünde görülür. Rolleri küçük su damlacıkları veya kar parçacıkları tarafından oynanır. Gökkuşağı, güneş ışığının atmosferde yüzen su damlacıkları (yağmur veya sis) tarafından kırılması ve yansıtılmasıyla oluşur. Bu damlacıklar farklı renkteki ışığı farklı şekilde büker. Sonuç olarak, beyaz ışık bir spektruma ayrışır (ışık dağılımı meydana gelir). Sırtı ışık kaynağına dönük duran bir gözlemci, uzaydan daireler (yaylar) halinde yayılan çok renkli bir parıltı görür.
Işıkla ilişkili süreçler fiziğin önemli bir bileşenidir ve günlük hayatımızın her yerinde bizi kuşatır. Bu durumda en önemlisi, modern optiğin dayandığı ışığın yansıma ve kırılma yasalarıdır. Işığın kırılması modern bilimin önemli bir parçasıdır.
Distorsiyon etkisi
Bu makale size ışığın kırılması olgusunun ne olduğunu, kırılma yasasının neye benzediğini ve bundan ne çıktığını anlatacaktır.
Fiziksel bir olgunun temelleri
Bir ışın, farklı optik yoğunluklara sahip iki şeffaf maddeyle ayrılmış bir yüzeye (örneğin, farklı camlar veya su) düştüğünde, ışınların bir kısmı yansıyacak, bir kısmı da ikinci yapıya nüfuz edecektir (örneğin, suda veya camda çoğalırlar). Bir ortamdan diğerine geçerken ışın genellikle yönünü değiştirir. Bu, ışığın kırılması olgusudur.
Işığın yansıması ve kırılması özellikle suda görülür.
Suda bozulma etkisi
Sudaki şeylere bakıldığında çarpık görünüyorlar. Bu özellikle hava ve su arasındaki sınırda fark edilir. Görsel olarak su altındaki nesneler hafifçe sapmış gibi görünür. Tanımlanan fiziksel olay, suda tüm nesnelerin çarpık görünmesinin tam olarak nedenidir. Işınlar cama çarptığında bu etki daha az fark edilir.
Işığın kırılması, güneş ışınının bir ortamdan (yapıdan) diğerine geçtiği anda hareket yönündeki değişiklik ile karakterize edilen fiziksel bir olgudur.
Bu süreci daha iyi anlamak için havadan suya çarpan bir ışın örneğini düşünün (cam için olduğu gibi). Ara yüzey boyunca dik bir çizgi çizilerek ışık ışınının kırılma ve geri dönüş açısı ölçülebilir. Bu indeks (kırılma açısı), akış suya (camın içine) nüfuz ettikçe değişecektir.
Not! Bu parametre, bir ışın birinci yapıdan ikinciye girdiğinde iki maddenin ayrılmasına çizilen dikin oluşturduğu açı olarak anlaşılmaktadır.
Kiriş Geçişi
Aynı gösterge diğer ortamlar için de tipiktir. Bu göstergenin maddenin yoğunluğuna bağlı olduğu tespit edilmiştir. Eğer ışın daha az yoğun bir yapıdan daha yoğun bir yapıya düşerse, oluşan distorsiyon açısı daha büyük olacaktır. Ve eğer tam tersi ise, o zaman daha azdır.
Aynı zamanda düşüşün eğimindeki bir değişiklik de bu göstergeyi etkileyecektir. Ancak aralarındaki ilişki sabit kalmıyor. Aynı zamanda sinüslerinin oranı, aşağıdaki formülle yansıtılan sabit bir değer olarak kalacaktır: sinα / sinγ = n, burada:
- n, her bir spesifik madde (hava, cam, su vb.) için tanımlanan sabit bir değerdir. Dolayısıyla bu değerin ne olacağı özel tablolar kullanılarak belirlenebilir;
- α – geliş açısı;
- γ – kırılma açısı.
Bu fiziksel olguyu belirlemek için kırılma yasası oluşturuldu.
Fiziksel kanun
Işık akılarının kırılma yasası, şeffaf maddelerin özelliklerini belirlememizi sağlar. Kanunun kendisi iki hükümden oluşmaktadır:
- İlk kısım. Kiriş (olay, değiştirilmiş) ve örneğin hava ve su (cam vb.) sınırındaki geliş noktasında restore edilen dikey aynı düzlemde bulunacaktır;
- İkinci kısım. Geliş açısının sinüsünün, sınırı geçerken oluşan aynı açının sinüsüne oranı sabit bir değer olacaktır.
Kanunun açıklaması
Bu durumda ışın ikinci yapıdan çıkıp birinciye geçtiği anda (örneğin ışık akısı havadan camdan geçip tekrar havaya geçtiğinde) bir distorsiyon etkisi de oluşacaktır.
Farklı nesneler için önemli bir parametre
Bu durumda ana gösterge, geliş açısının sinüsünün benzer bir parametreye oranıdır, ancak distorsiyon için. Yukarıda açıklanan kanundan da anlaşılabileceği gibi bu gösterge sabit bir değerdir.
Üstelik düşüş eğiminin değeri değiştiğinde benzer bir gösterge için de aynı durum tipik olacaktır. Bu parametre büyük önem taşımaktadır çünkü şeffaf maddelerin ayrılmaz bir özelliğidir.
Farklı nesneler için göstergeler
Bu parametre sayesinde cam türlerini ve çeşitli değerli taşları oldukça etkili bir şekilde ayırt edebilirsiniz. Çeşitli ortamlarda ışığın hızının belirlenmesi açısından da önemlidir.
Not! Işık akışının en yüksek hızı boşluktadır.
Bir maddeden diğerine geçerken hızı azalacaktır. Örneğin kırılma indisi en yüksek olan elmasta fotonun yayılma hızı havanınkinden 2,42 kat daha fazla olacaktır. Suda 1,33 kat daha yavaş yayılırlar. Farklı cam türleri için bu parametre 1,4 ile 2,2 arasında değişmektedir.
Not! Bazı camların kırılma indisi 2,2 olup elmasa (2,4) çok yakındır. Bu nedenle bir cam parçasını gerçek bir elmastan ayırmak her zaman mümkün olmuyor.
Maddelerin optik yoğunluğu
Işık, farklı optik yoğunluklarla karakterize edilen farklı maddelerden geçebilir. Daha önce de söylediğimiz gibi bu yasayı kullanarak ortamın (yapının) yoğunluk özelliğini belirleyebilirsiniz. Ne kadar yoğun olursa ışığın onun içinde yayılma hızı da o kadar yavaş olur. Örneğin cam veya su optik olarak havadan daha yoğun olacaktır.
Bu parametre sabit bir değer olmasının yanı sıra ışık hızının iki maddedeki oranını da yansıtır. Fiziksel anlam aşağıdaki formülle görüntülenebilir:
Bu gösterge, bir maddeden diğerine geçerken fotonların yayılma hızının nasıl değiştiğini anlatır.
Bir diğer önemli gösterge
Bir ışık akısı şeffaf nesnelerin içinden geçtiğinde polarizasyonu mümkündür. Dielektrik izotropik ortamdan ışık akısının geçişi sırasında gözlenir. Fotonlar camdan geçtiğinde polarizasyon meydana gelir.
Polarizasyon etkisi
İki dielektrik sınırındaki ışık akısının geliş açısı sıfırdan farklı olduğunda kısmi polarizasyon gözlenir. Polarizasyon derecesi, geliş açılarının ne olduğuna bağlıdır (Brewster yasası).
Tam iç yansıma
Kısa gezimizi bitirirken, böyle bir etkiyi tam bir iç yansıma olarak düşünmek hala gerekli.
Tam ekran olgusu
Bu etkinin ortaya çıkması için, maddeler arasındaki arayüzde daha yoğun bir ortamdan daha az yoğun bir ortama geçiş anında ışık akısının geliş açısının arttırılması gerekir. Bu parametrenin belirli bir sınır değeri aşması durumunda bu bölümün sınırına gelen fotonlar tamamen yansıtılacaktır. Aslında bu bizim istediğimiz olgu olacaktır. Bu olmadan fiber optik yapmak imkansızdı.
Çözüm
Işık akısı davranışının pratik uygulaması, hayatımızı iyileştirecek çeşitli teknik cihazlar yaratarak çok şey kazandırdı. Aynı zamanda ışık henüz tüm olanaklarını insanlığa açıklamadı ve pratik potansiyeli henüz tam olarak gerçekleşmedi.
Kendi elinizle bir kağıt lamba nasıl yapılır
Bir LED şeridin performansı nasıl kontrol edilir
1. Işığın kırılması üzerine deneyler yapıyoruz
Böyle bir deney yapalım. Geniş bir kaptaki suyun yüzeyine yüzeye belli bir açıyla dar bir ışık huzmesi yönlendirelim. Geliş noktalarında ışınların yalnızca su yüzeyinden yansımadığını, aynı zamanda kısmen suya geçerek yönlerini değiştirdiğini fark edeceğiz (Şekil 3.33).
- Işığın iki ortam arasındaki arayüzden geçerken yayılma yönünün değişmesine ışığın kırılması denir.
Işığın kırılmasıyla ilgili ilk söz, şu soruyu merak eden antik Yunan filozofu Aristoteles'in eserlerinde bulunabilir: Bir çubuk neden suda kırılmış görünür? Ve eski Yunan eserlerinden birinde şu deney anlatılıyor: “Geminin dibine yerleştirilen düz halkanın kenarının arkasına saklanması için durmanız gerekiyor. Daha sonra gözlerin konumunu değiştirmeden kaba su dökün.
Pirinç. 3.33 Işığın kırılmasını gösteren bir deneyin şeması. Havadan suya geçen ışık ışını yönünü değiştirerek ışının geldiği noktaya dik olan noktaya doğru kayar.
2. Gelme açısı ile kırılma açısı arasında aşağıdaki ilişkiler vardır:
a) geliş açısı artarsa kırılma açısı da artar;
b) bir ışık ışını daha düşük optik yoğunluğa sahip bir ortamdan daha yüksek optik yoğunluğa sahip bir ortama geçerse, kırılma açısı geliş açısından daha az olacaktır;
c) Bir ışık ışını optik yoğunluğu daha yüksek olan bir ortamdan optik yoğunluğu daha düşük olan bir ortama geçerse, kırılma açısı geliş açısından daha büyük olacaktır.
(Lisede trigonometri dersi aldıktan sonra ışığın kırılmasına daha aşina olacağınızı ve bunu kanunlar düzeyinde öğreneceğinizi unutmayın.)
4. Bazı optik olayları ışığın kırılmasıyla açıklıyoruz
Bir rezervuarın kıyısında durup, derinliğini gözle belirlemeye çalıştığımızda, her zaman olduğundan daha küçük görünür. Bu fenomen ışığın kırılmasıyla açıklanmaktadır (Şekil 3.37).
Pirinç. 3. 39. Çalışması ışığın kırılması olgusuna dayanan optik cihazlar
- Test soruları
1. Işık iki ortam arasındaki arayüzden geçtiğinde hangi olguyu gözlemleriz?
L.I. Mandelstam, başta görünür ışık olmak üzere elektromanyetik dalgaların yayılımını inceledi. Bazıları artık kendi adını taşıyan bir dizi efekt keşfetti (Raman saçılması, Mandelstam-Brillouin etkisi vb.).
Seçenek 1. Teçhizat: geometrik optik yasalarını incelemek için bir cihaz, bir doğrultucu VS-24 veya VS 4-12, cihazın parçalarından yapılmış düz bir ayna.
Geometrik optik cihazı çalışmaya hazırlarken ekran aydınlatmasını ayarlayın. Bunu yapmak için, bilyeli mafsalı gevşetin ve aydınlatıcıyı, orta ışık şeridi ekranın tamamından (çapı boyunca) geçene kadar döndürün veya hareket ettirin. Aydınlatıcı bu konumda sabitlenir. Aynı zamanda ışık şeridi bulanıksa ve keskin değilse, elektrikli kartuşu aydınlatıcıya sabitleyen vidayı serbest bırakarak, ekranda net bir ışık şeridi elde edilene kadar elektrik kartuşunu döndürün, indirin veya kaldırın. Yan ışık şeritleri ekranın kenarına ulaşmıyorsa aydınlatıcının eğimi değiştirilmelidir. Ayarlamanın ardından tüm vidalar güvenli bir şekilde sıkılır.
Kurulum, Şekil 278'e göre monte edilmiştir. Bir kelepçe kullanılarak, bir dizi optik parçadan, yansıtıcı yüzeyi yatay eksenle çakışacak şekilde düz bir ayna monte edilir. Yalnızca bir orta ışın kaldı. Gelme açısını 0'dan 90°'ye değiştirirler, yansıma açısını not ederler, bu açıları karşılaştırırlar ve bir sonuca varırlar.
Aydınlatıcının diskin bir kısmından diğerine aktarıldığı ışık ışınlarının tersinirlik özelliklerini gösteren deney tekrarlanır. (Geometrik optik deneylerini gösterirken oda karartılmalıdır.)
Pirinç. 278 Şek. 280
Deney 2. Işığın kırılması
Seçenek 1. Teçhizat:
Ekranın üzerine, mat tarafı ekrana bakacak ve düz kısmı yatay eksene denk gelecek şekilde şeffaf bir yarım silindir yerleştirilir. Yarım silindirin merkezi, yarım silindirin mat yüzeyindeki işaretler kullanılarak ekranın merkezi ile hizalanır (Şekil 280).
Deneyi gösterirken orta ışını kullanın. Işın, düzleme dik olarak yarım silindirin merkezine yönlendirilir (ışın yön değiştirmeden geçer). Gelen ışını dik açıdan saptırın ve kırılan ışının yarım silindirden farklı bir açıyla çıktığına dikkat edin. Gelme ve kırılma açıları karşılaştırılır ve bir sonuca varılır.
Deneyi farklı bir geliş açısıyla tekrarlayın. (Deney sırasında, iki ortam arasındaki arayüzde ışık ışınının çatallanmasına dikkat etmelisiniz.)
Deney 3. Işığın toplam yansıması olgusu
Seçenek 1. Teçhizat: geometrik optik yasalarını incelemek için bir cihaz, doğrultucu VS-24 veya VS 4-12, bir dizi optik parçadan yarım silindir.
Önceki deneyde (Şekil 280) geliş ve kırılma açılarının oranına dikkat edilerek yarım silindirin konumu değiştirildi. Dışbükey tarafı aydınlatıcıya doğru monte edilmiştir (düz kesim yatay eksenle çakışmaktadır). Gelme açıları kırılma açılarına göre değiştirilir ve bir sonuca varılır.
Geliş ve kırılma açılarının oranı, ortamın optik yoğunluğunun oranına bağlı olarak karşılaştırılır (bunun ve önceki deneylerin sonuçları). Bir sonuca varıyorlar.
Geliş açısı arttıkça yansıyan ışının parlaklığının arttığından ve kırılan ışının parlaklığının azaldığından emin olun. Kırılan ışın kaybolana kadar geliş açısını artırın. Geliş açısının daha da artmasıyla yalnızca yansıyan ışın gözlemlenecektir. Işığın toplam yansıması olgusu gözlenir.
Soru. Toplam yansımanın sınırlayıcı açısı nedir? (Cevabınızı önemli bir rakama verin.)
Seçenek 2. Teçhizat: projeksiyon cihazı, akvaryum.
Tesisat Şekil 281'e göre monte edilir. Bir cam banyoya (akvaryum) 7-8 cm kalınlığında bir su tabakası dökülür ve çam konsantresi ile renklendirilir. Projeksiyon aparatının kondansatörünün önüne yatay bir yarık, mercek çerçevesinin üzerine ise düz bir ayna yerleştirilmiştir. Cam banyonun yan duvarına bir ışık huzmesi yönlendirilir. Bir ışık ışınının suda kırılması, su yüzeyinden toplam yansıması ve ışının banyodan çıktığında kırılması gözlemlenir. Geliş açısı değiştirilerek, ışık ışınının su yüzeyinden ve banyonun tabanından birden fazla toplam yansıması gözlemlenebilir.
