تصاویر در عدسی ها، عملکرد ابزارهایی مانند میکروسکوپ و تلسکوپ، پدیده رنگین کمان و ادراک فریبنده از عمق یک آب، همگی نمونه هایی از پدیده شکست نور هستند. قوانین توصیف کننده این پدیده در این مقاله مورد بحث قرار گرفته است.
پدیده انکسار
قبل از بررسی قوانین انکسار نور در فیزیک، بیایید با ماهیت خود پدیده آشنا شویم.
همانطور که می دانید، اگر محیط در تمام نقاط فضا همگن باشد، نور در آن در طول مسیر مستقیم حرکت می کند. شکست این مسیر زمانی اتفاق می افتد که یک پرتو نور با زاویه ای از سطح مشترک بین دو ماده شفاف مانند شیشه و آب یا هوا و شیشه عبور کند. با حرکت به یک محیط همگن دیگر، نور نیز در یک خط مستقیم حرکت می کند، اما قبلاً در محیط اول در زاویه ای نسبت به مسیر خود هدایت می شود. این پدیده شکست پرتو نور است.
ویدئوی زیر پدیده شکست را با استفاده از شیشه به عنوان مثال نشان می دهد.
نکته مهم در اینجا زاویه تابش استصفحه رابط مقدار این زاویه تعیین می کند که آیا پدیده شکست مشاهده می شود یا خیر. اگر پرتو به صورت عمود بر سطح بیفتد، پس از عبور از محیط دوم، در امتداد همان خط مستقیم به حرکت خود ادامه می دهد. حالت دوم، زمانی که شکست رخ نمی دهد، زوایای برخورد پرتوی است که از یک محیط نوری متراکم تر به یک محیط کمتر چگال تر می رود، که از مقدار بحرانی بیشتر است. در این حالت، انرژی نور به طور کامل به محیط اول بازتاب می شود. آخرین اثر در زیر مورد بحث قرار گرفته است.
اولین قانون شکست
همچنین می توان آن را قانون سه خط در یک صفحه نامید. فرض کنید یک پرتو نور A وجود دارد که روی سطح مشترک بین دو ماده شفاف می افتد. در نقطه O، پرتو شکسته می شود و شروع به حرکت در امتداد خط مستقیم B می کند که ادامه A نیست. اگر عمود N را به صفحه جداسازی به نقطه O برگردانیم، قانون 1 برای پدیده شکست را می توان به صورت زیر فرموله کرد: پرتو فرودی A، N معمولی و پرتو شکست B در یک صفحه قرار دارند که عمود بر صفحه رابط است.
این قانون ساده واضح نیست. فرمول آن نتیجه تعمیم داده های تجربی است. از نظر ریاضی، می توان آن را با استفاده از به اصطلاح اصل فرما یا اصل حداقل زمان به دست آورد.
قانون دوم شکست
معلمان فیزیک مدرسه اغلب این وظیفه را به دانش آموزان می دهند: "قانون انکسار نور را فرموله کنید." ما یکی از آنها را در نظر گرفتیم، اکنون به سراغ دومی می رویم.
زاویه بین پرتو A و عمود N را به عنوان θ1 نشان دهید، زاویه بین پرتو B و N را θ2 می نامیم.. ما همچنین در نظر می گیریم که سرعت پرتو A در محیط 1 v1 است، سرعت پرتو B در محیط 2 v2 است. اکنون می‌توانیم یک فرمول ریاضی قانون دوم را برای پدیده مورد بررسی ارائه دهیم:
sin(θ1)/v1=sin(θ2)/ v2.
این فرمول توسط اسنل هلندی در آغاز قرن هفدهم به دست آمد و اکنون نام خانوادگی او را دارد.
یک نتیجه مهم از عبارت به دست می آید: هر چه سرعت انتشار نور در محیط بیشتر باشد، پرتو از حالت عادی دورتر خواهد بود (سینوس زاویه بزرگتر).
مفهوم ضریب شکست محیط
فرمول اسنل فوق در حال حاضر به شکل کمی متفاوت نوشته شده است، که استفاده از آن هنگام حل مسائل عملی راحت تر است. در واقع، سرعت v نور در ماده، اگرچه کمتر از آن در خلاء است، اما هنوز مقدار زیادی است که کار با آن دشوار است. بنابراین، یک مقدار نسبی به فیزیک وارد شد که برابری آن در زیر ارائه شده است:
n=c/v.
در اینجا c سرعت پرتو در خلاء است. مقدار n نشان می دهد که چند برابر مقدار c بیشتر از مقدار v در ماده است. به آن ضریب شکست این ماده می گویند.
با در نظر گرفتن مقدار وارد شده، فرمول قانون شکست نور به شکل زیر بازنویسی می شود:
sin(θ1)n1=گناه(θ2) n2.
مواد با مقدار زیادی n،از نظر نوری متراکم نامیده می شود. نور با عبور از آن، سرعت خود را n برابر در مقایسه با مقدار مشابه فضای بدون هوا کاهش می دهد.
این فرمول نشان می دهد که پرتو در محیطی که از نظر نوری متراکم تر است به حالت عادی نزدیک تر خواهد بود.
برای مثال، توجه می کنیم که ضریب شکست هوا تقریباً برابر با یک است (100029). برای آب، مقدار آن 1.33 است.
بازتاب کلی در یک محیط نوری متراکم
بیایید آزمایش زیر را انجام دهیم: بیایید یک پرتو نور از ستون آب به سمت سطح آن شروع کنیم. از آنجایی که آب از نظر نوری چگال تر از هوا است (1, 33>1, 00029)، زاویه تابش θ1 کمتر از زاویه شکست θ2 خواهد بود.. اکنون، به ترتیب θ1 را افزایش خواهیم داد، θ2 نیز افزایش می یابد، در حالی که نابرابری θ1 نیز افزایش می یابد.<th2همیشه صادق می ماند.
لحظه ای فرا می رسد که θ1<90o و θ2=90 o. این زاویه θ1 برای یک جفت رسانه آب-هوا حیاتی نامیده می شود. هر زوایای تابشی بیشتر از این باعث می شود که هیچ بخشی از پرتو از سطح مشترک آب و هوا به محیطی با چگالی کمتر عبور نکند. کل پرتو در مرز بازتاب کامل را تجربه خواهد کرد.
محاسبه زاویه بحرانی تابش θc با فرمول:
انجام می شود
θc=arcsin(n2/n1).
برای مدیا آب وهوا 48 است، 77o.
توجه داشته باشید که این پدیده برگشت پذیر نیست، یعنی وقتی نور از هوا به آب می رود، زاویه بحرانی وجود ندارد.
پدیده توصیف شده در عملکرد فیبرهای نوری استفاده می شود و همراه با پراکندگی نور باعث پیدایش رنگین کمان های اولیه و ثانویه در هنگام بارندگی می شود.
