شکست نور و عدسی ها

بخش اول شکست نور:

شکست نور چگونه است؟

تعریف: هنگامی که پرتو نوری به طور مایل از یک محیط شفاف (مثل هوا)وارد محیط شفاف دیگری (مثل آب ) می شود، در سطح جدا کننده دو محیط مسیر آن تغییر می کند، این پدیده را شکست نور می گویند.

       

در شکل بالاپرتو AC پرتو تابش و پرتو CB پرتو شکست نامیده می شود و نیز محیطی را که نور در آن حرکت می کند محیط اول و محیطی را که در آن شکست می یابد محیط دوم می گویند.

موارد ساده ای از این پدیده را در شکل زیر مشاهده می کنید .

به ادامه مطلب مراجعه فرمایید.

وسیله های آزمایش : ورقه ی مقوای گلاسه یا تلق - چند عدد سنجاق - پرگار - خط کش - ظرف آب - نقاله .  الف - بر روی یک ورقه مقوای نسبتاً ضخیم دایره ای با دو قطر عمود بر هم مطابق شکل (٥-١- الف) رسم کنید. سپس سنجاقی در مرکز دایره و عمود بر مقوا و سنجاق دیگری به همان ترتیب روی محیط دایره درنقطه ی A بر آن فرو کنید. شکل ٥-١     ب -مطابق شکل (٥-١-ب) مقوا را تانیمه در آب فرو ببرید. به طوری که قطر M M'بر سطح آب مماس شود در این حالت سنجاق دیگری را عمود بر سطح مقوا بین M ظˆ N جابه جا کنید تا هر سه سنجاق را در یک راستا ببینید. در این حالت سنجاق سوم را بر مقوا فرو کنید. پ - مقوا را از آب خارج کنید و نقطه های A و B و C را به هم وصل کنید. چرا سنجاقهای A و B و C روی یک خط راست نیستند؟ در حالی که وقتی سنجاق A در درون آب قرار داشت هر سه سنجاق در یک راستا به نظر رسیدند. جواب: مطابق شکل مقابل این  پدیده به دلیل شکست نور سنجاق A وقتی که از آب خارج می شود اتفاق می افتد. هنگامی  که مقوا در داخل آب قرار دارد به دلیل پدیده شکست نور اندکی بالاتر از محل واقعی  دیده می شود و سه سنجاق A و B و C در یک راستا قرار می گیرند. اما وقتی که مقوا را از آب خارج می کنیم دیگر پرتوهای تابشی و شکست در یک راستا قرار نمی گیرند.

 

آزمایش شماره ی ١ را برای زاویه های تابش١٠؛ و٢٠؛   و٣٠؛ و ٤٠؛ تکرار کنید.  زاویه های شکست r در هر آزمایش نسبت به زا ویه تابش i چه تغییری می کند؟ جواب: چون در آزمایش قبل نور سنجاق A از آب( محیط غلیظ) وارد محیط رقیق ( هوا) می شود برای تمام زاویه های تابشی زاویه شکست بیشتر خواهد بود

تعریف زاویه تابش

زاویه بین پرتو تابش و خط عمود بر سطح جداکننده دو محیط در نقطه تابش را زاویه تابش می نامند و با حرف( i) نشان می دهند.

تعریف زاویه شکست زاویه بین پرتو شکست و خط عمو بر سطح جداکننده دو محیط درنقطه  تابش را زاویه شکست می نامند و با حرف (r) نشان می دهند. شکل مقابل ، گذر نور از سطح مرزی بین یک محیط شفاف رقیق ، مانند هوا و یک محیط شفاف غلیظ مانند شیشه یا آب را نشان می دهد . زاویه بین باریکه نور وخط عمود بر سطح ، در محیط غلیظ تر ، کمتر از محیط رقیق تر است . Eتذکر های مهم: 1- محیطی که پرتو تابش در آن قرار دارد محیط اول و محیطی که پرتو شکست در آن است محیط دوم در نظر گرفته می شود. 2- هرگاه پرتوی بطور عمود بر سطح جدا کننده دو محیط شفاف بتابد، بدون شکست عبور می کند. 3- هرگاه محیط شفاف دوم غلیظ تر از محیط   شفاف اول باشد، پرتو شکست به خط عمود نزدیکتر می شود و برعکس اگر محیط اول غلیظتر از محیط دوم باشد، پرتو شکست از خط عمود دورر می شود. 1- شکست نور در تیغه شیشه ای: مطابق شکل مقابل پرتو (I ) بطور مایل از وجه کناری یک تیغه شیشه ای کلفت به آن می تابد و هنگام ورود به تیغه در نقطه X می شکند. سپس به صورت پرتو (R) در داخل تیغه حرکت می کند و یکبار دیگر هنگام خروج از آن در نقطه Y می شکند و به صورت پرتو (E ) از تیغه خارج می شود.  ملاحظه می کنیدکه پرتو (E ) نسبت به پرتو( I ) جابه جا شده استاما با آن موازی می باشد. قانون های شکست نور پرتو تابش ، خط عمود بر سطح جدا کننده دو محیط در نقطه تابش و پرتو شکست ، در یک صفحه واقعند. نسبت سینوس زاویه تابش به سینوس زاویه شکست ، برای پرتو هایی که از یک محیط شفاف وارد محیط شفاف دیگری می شوند مقداری ثابت است. ضریب شکست یک محیط نسبت به خلا (یا بطور تقریبی هوا )  را ضریب شکست مطلق آن محیط گویند. 2- شکست چوب در آب: در شکل زیر چوبی در آب نشان داده شده است. وقتی از بالا به آن نگاه می کنیم، شکسته به نظر می رسد. زیرا پرتوهایی که از نقطه B به سطح آب می رسند، پس از شکست در سطح آب به چشم می رسند و به نظر می رسد که این پرتوها از نقطه به چشم رسیده اند و انتهای چوب به جای B در   به نظر می رسد. به همین ترتیب می توان نشان داد که نقطه های دیگر چوب هم که درون آب قرار دارند، بالاتر از جای واقعی شان دیده می شوند و به این سبب چوب شکسته به نظر می رسد. اگر نور از یک محیط شفاف با ضریب شکست n1 وارد محیط شفاف دیگری با ضریب شکست n2 شود ، بگونه ای که n1>n2 ، رابطه (5-1) چگونه نوشته می شود؟ n1=sin iهوا /sin Eمحیط 1 n2=sin gهوا / sin fمحیط 2 n=n1/n2=(sin iهوا /sin Eمحیط 1)/(sin gهوا / sin محیط 2)=sin Eمحیط 1/ sin fمحیط 2     وسیله های آزمایش : قطعه شیشه ی ضخیم - وسیله ی تولید باریکه ی نور - یک تکه مقوا - خط کش     ١- مطابق شکل (٥-٥) قطعه شیشه ی ضخیم را روی مقوا قرار دهید و باریکه ی نور را طوری به قطعه شیشه بتابانید که مسیرنور بر سطح مقوا دیده شود. مسیر پرتو تابش SI را برای ورود به این محیط شفاف و پس از خارج شدن از آن رسم کنید.     ٢- پرتو تابش ورودی به شیشه و پرتو خروجی از شیشه نسبت به هم چگونه اند؟ شکل ٥-٥ جواب 1: 2- پرتو خروجی با پرتو ورودی موازی است. عمق ظاهری و واقعی چرا در نواحی که ماهی با نیزه شکار می شود . همیشه شکارچیان نیزه را به موقعیتی پائین تر از محلی که ماهی را مشاهده می کنند ، می زنند ؟  چرا درشکل زیر مسیر نی در آب شکسته به نظرمی آید و به ظاهر کمی بالاتر به نظر می رسد ؟ به مدل سازی زیر توجه کنید.قسمت روشن ، ناحیه رقیق و قسمت تیره ، ناحیه غلیظ می باشد.در سمت چپ ناظر قرار دارد . بر روی صفحه تیره رنگ تقه زده و موشواره را به حرکت در آورید.نقطه زرد رنگ موقعیت عمق ظاهری را نشان میدهد. در این پدیده پرتوهای نور  از آب وارد هوا شده لذا طوری منحرف می شوند که از خط عمود بر سطح دور شوند . اما چشم همیشه عادت دارد اجسام را در مسیر مستقیم مشاهده کند . لذا شی آبی رنگ کمی بالاتر به نظر می آید . به فیلم زیر توجه کنید . چرا کارت بالاتر به نظر می رسد؟ اگر ماهی از داخل آب به دنیای بیرون نگاه کند اشیاء اطراف خود را چگونه می بیند؟ برای سادگی اشیاءی بیرون آب را یک مستطیل در نظر گرفته ایم . سعی کنید شی(object)را جابجا کنید و از دید ماهی به دنیای اطراف نگاه کنید ! (آنچه که ماهی مشاهده می کند (image) می باشد.) همان طور که مشاهده می کنیدتصویر دورتر از شی به نظر می رسد و همچنین تغییر شکل نیز می یابد. در ضمن شما می توانید فاصله چشمهای ماهی را نیز تغییر دهید.   با رسم حدا قل دو پرتو نشان دهید که چرا گربه ، ماهی را نزدیکتر و ماهی گربه را دورتر از سطح آب می بیند؟ جواب : از آنجاییکه شکل کتاب کمی شلوغ است ، ما چگونگی نز دیک دیدن سکه  زیر را به تصویر کشیده ایم . شما می توانید با الهام از این شکل پاسخ ای فعالیت را بدهید. رابطه (5-2) را برای حالتی که ناظر در محیط شفاف (1) با ضریب شکست n1 به جسمی در محیط شفاف (2) با ضریب شکست n2 می نگرد بنویسید. جواب: رابطه شکست نور با تغییر سرعت نور در دو محیط اصل برگشت پذیری نور چگونه است در پدیده های بازتابش یا شکست نور، هرگاه جهت تابش نور عوض شود نور همان مسیر قبلی را طی خواهد کرد. به عبارت دیگر مسیر نور به جهت تابش آن بستگی ندارد. این خاصیت را اصل برگشت پذیری نور می گویند. علت شکست نور چیست سرعت نور در محیط های شفاف مختلف یکسان نیست، بطوریکه بیشترین سرعت آن در خلاء ( یا تقریباً هوا) بوده و برابر 300000 کیلومتر بر ثانیه است. در محیطهتی دیگر مثل آب و شیشه و غیره سرعت نور کمتر از این مقدار است. لذا هنگامی که محیط حرکت نور از نظر غلظت تغییر میکند سرعت آن نیز تغییر می نماید و با افزایش غلظت سرعت کاهش پیدا می کندو بر عکس. به این ترتیب علت شکست نور تغییر سرعت آن هنگام وارد شدن به محیط شفاف دوم است. ماده‌ی شفاف سرعت نور به کیلومتر برثانیه هوا آب شیشه الماس ٣٠٠,٠٠٠ ٢٢٥,٠٠٠ ٢٠٠,٠٠٠ ١٢٥,٠٠٠  ضریب شکست چیست  تعریف: نسبت سرعت نور در هوا به سرعت نور در یک محیط شفاف را ضریب شکست آن محیط می نامند وبا نماد n نشان می دهیم. اگر سرعت نور در هو ا C و سرعت نور در ماده شفاف V باشد داریم: هر قدر ضریب شکست ماده شفاف بیشتر باشد ( n بزرگتر باشد) نور بیشتر شکسته می شود یعنی زاویه انحراف بیشتر میشود و به همان میزان سرعت نور بیشتر کاهش پیدا می کند. Eتذکر مهم: ضریب شکست هوا ( یا خلاء) برابر 1 در نطر گرفته میشود.   دانستنیها: مقدار سرعت نور - اندازه گیری سرعت نور- آیا میتوان سرعت نور را تغییر داد؟ پاسخ این پرسشها را در این مقاله بخوانید : دانشمندان در سرعت نور دخالت مى کنند سرعت نور در آب  است. ضریب شکست آب را تعیین کنید. سرعت نور در هوا را    در نظر بگیرید. جواب:                                      =(3*108)/(2.3*108)=1.3 سرعت نور در شیشه ای    است. ضریب شکست این شیشه را تعیین کنید. جواب:   =(3*108)/(1.8*108)=1.6 Eتذکر: نسبت ضریب شکست دو محیط بر هم را ضریب شکست نسبی دو محیط می نامند. n2 = ضریب شکست نسبی ------- n1 چون ضریب شکست با سرعت نور نسبت وارونه دارد رابطه بین ضریب شکست دو محیط و سرعت نور در آن دو محیط به صورت زیر خواهد بود:                                                       n2 V1 -------= ------- n1 V2 سرعت نور درآب ودر نفت  2*108 است. اگر ضریب شکست آب 3/1 باشد ضریب شکست نفت را تعیین کنید. جواب: n2 V1 -------= ------- n1 V2 2.3*108 n2     2.3*108*1.3     -------= -------     ==> n2= -----------  ==> n2=1.5 2*108 1.3     2*108     تمرین 1 با توجه به رابطه سرعت نور در یک محیط شفاف و ضریب شکست آن ، مکانهای خالی جدول (5-2) را کامل کنید :   سرعت نور km/s ضریب شکست یخ 229182 1.309 بنزن 199867 1.501 کربن دی سولفات 184275 1.628 پلی استیرن 201342 1.49 سدیم کلراید 194300 1.544 گلسیرین 203666 1.473 هوا 300000 1 آب 225000 1.333 شیشه 197368 1.520 الماس 125000 2.4 پاسخ دهید 1: با استفاده از جدول( 5-2) پاسخ دهید. الف- ضریب شکست شیشه و آب را با هم مقایسه کنید. جواب : ضریب شکست شیشه از آب کمتر است . ب- نور یک بار با زاویه تابش( i) از هوا به آب و بار دیگر با همین زاویه تابش به شیشه می تابد. در کدام مورد زاویه انحراف بزرگتر است و پرتو شکست به خط عمود نزدیک تر است؟ چرا؟ جواب: هنگامی که نور به شیشه می تابد زاویه انحراف آن بیشتر از هنگامی است که به آب می تابد و به خط عمود نزدیک تر می شود. زیرا ضریب شکست شیشه از ضریب شکست آب بیشتر است. ب) با افزایش سرعت ، ضریب شکست چگونه تغییر می کند ؟ جواب : کاهش می یابد.

 زاویه حد چگونه است

 تعریف: در پدیده شکست نور هرگاه زاویه شکست به 90 درجه برسد، ( یعنی پرتو شکست بر سطح جدایی دو محیط مماس شود) زاویه تابش به مقداری می رسد که آنرا زاویه حد دو محیط می نامند.

هر محیط شفاف دارای زاویه حد معینی است. مثلاًزاویه حد آب تقریباً 48 درجه و زاویه حد شیشه در حدود 42 درجه است.

Eتذکر مهم: زاویه حد هنگامی به وجود می آید که نور از محیط غلیظ وارد محیط رقیق شود.

اینجا را کلیک کنید تا بهتر با مفهوم زا ویه حد آشنا شوید

اگر نوری از یک محیط شفاف با ضریب شکست n1 وارد محیط شفاف دیگری با ضریب شکست n2 شود ، به گونه ای که n1>n2 باشد ، رابطه (5-4-ب) چگونه نوشته می شود ؟ جواب :   n2 =sin ic -----   n1

 پدیده بازتابش کلی چگونه است؟

 در پدیده شکست نور، اگر زاویه تابش از زاویه حد بیشتر شود، پرتو تابش نمی تواند از محیط غلیظ خارج شود و تمام نور از سطح جداکننده دومحیط به درون محیط غلیظ باز می تابد. یعنی سطح جداکننده دو محیط مانند یک آینه عمل می کند. به این پدیده بازتابش کلی میگویند.

به مدل سازی زیر توجه کنید. جنس محیط ها را طوری قرار دهید تا نور از محیط غلیظ وارد محیط رقیق شود .(البته شما در این مدل سازی پرتوی بازتاب جزیی را نیز مشاهده می کنید)

سعی کنید زاویه تابش را به آرامی زیاد کنید ، آیا زاویه شکست بزرگتر از زاویه تابش است؟ آیا می توانید زاویه شکست را روی ٩٠ تنظیم کنید؟

اگر زاویه تابش از حالت فوق بیشتر شود آیا پرتویی وارد محیط رقیق خواهد شد ؟

 پدیده سراب چگونه است؟

 پدیده سراب معمولاً در بیابان ها و جاده ها در روزهای گرم اتفاق می افتد. هر چه به سطح زمین نزدیک تر می شویم دمای لایه های هوا بیشتر و در نتیجه رقیق تر می شود. پرتو های نور که از یک شئی دور مانند درخت به طور مایل به سطح زمین می تابند، در اثر عبور از لایه های غلیظ تر به لایه های رقیق تر به تدریج به طرف بالا شکست می یابند تا این که در لایه های نزدیک به سطح زمین زاویه تابش آنها از زاویه حد این لایه ها بزرگتر شده و بازتاب کلی صورت می گیرد. پرتوهای بازتاب پس از شکست های متوالی( از لایه های رقیق تر به غلیظ تر ) به چشم ما می رسند، در این صورت لایه های نزدیک به سطح زمین که نور را باز می تابانند مانند سطح آب به نظر می رسند.

فن آوری و کاربرد:

 تار نوری یا لوله نوری چگونه است؟

 تار نوری  میله شیشه ای بلندی است که ضخامت آن در حدود کسری از میلی متر تا 50 میلی متر است. نور می تواند درون میله شیشه ای جلو رود حتی اگر میله خمیده شده باشد. هنگامی که پرتو نوری از درون میله به سطح آن بتابد، اگر زاویه ی تابش بزرگتر از زاویه حد باشد، بازتابش کلی نور روی می دهد و به این ترتیب نور نمی تواند از میله خارج شود چنان که گویی سطح درونی میله نقره اندود است، در حالی که چنین نیشت. میله ی شیشه ای توپر، از درون، یک سطح بازتابنده ی کامل دارد. از کاربرد این تارها در آندوسکوپی و صنعت مخابرات می توان نام برد.

الف ـ یک تار نوری یا لوله نور، که در آن پرتو نور چند بار باز تابش داخلی پیدا کرده است.

   

ب ـ دسته ای از تارهای شیشه ای که برای انتقال تصویر استفاده می شود.

 منشور چیست؟

 منشور جسم شفاف و سختی است که معمولاً قاعده آن به شکل مثلث بوده و دارای دو وجه غیر موازی است. هرگاه پرتو نور تک رنگی را به یکی از وجه های آن بتابانیم، شکسته شده و به طرف قاعده ضخیم منشور منحرف می شود.

با رسم مسیر پرتو نور در منشورزاویه انحراف را نشان دهید. جواب:

وسیله های آزمایش : چراغ قوه - منشور - یک ورق کاغذ سفید. در اتاق نسبتاً تاریکی ، باریکه ی نوری را که به وسیله ی یک چراغ قوه پرنور تشکیل داده اید به یک وجه منشور بتابانید. (از آویز بلوری چلچراغ ها می توانید به جای منشور استفاده کنید) در طرف دیگر منشور ، ورق کاغذ سفیدی را در مسیر پرتوهای خروجی قرار دهید. اگر آزمایش را با دقت انجام دهید روی سطح کاغذ نورهای رنگینی را مشاهده خواهید کرد. در شکل (٥-١٠) ترتیب انجام آزمایش نشان داده شده است.     الف - نام این رنگها را به ترتیب بنویسید.     ب - از این آزمایش چه نتیجه ای می گیرید. جواب الف)  جواب ب) از این آزمایش نتیجه می شود: 1- نور سفید ترکیبی از هفت رنگ مختلف است. 2- طیف نور سفید پیوسته است. 3- ضریب شکست منشور برای نورهای مختلف یکسان نیست. 4- ضریب شکست منشور برای نور قرمز کمترین و برای نور بنفش بیشترین مقدار را دارد. به این علت نور قرمز در منشور کمتر از سایر نورها و نور بنفش بیشتر از همه شکست پیدا می کنند.

پاشیدگی نور توسط منشور چگونه است؟  تعریف: جداسازی رنگهای نور سفید به وسیله منشور را پاشیدگی نور می گویند. س: تعریف طیف نور؟ ج: رنگهای تشکیل دهنده نور سفید را که به ترتیب عبارتند از: قرمز، نارنجی، زرد، سبز، آبی، نیلی، بنفش طیف نور سفید می نامند.  شکل ٥-١١- پاشندگی نور سفید به وسیله ی منشور  علت پاشیدگی نور سفید چیست؟  متفاوت بوده و از هم جدا می شوند. بطوریکه نور بنفش بیشترین انحراف و قرمز کمترین انحراف را پیدا می کنند. زیرا ضریب شکست منشور برای نور بنفش از رنگهای دیگر نور سفید بیشتر و برای نور قرمز کمتر است.   کاربرد های منشور کدامند؟  از منشورها معمولا برای بازتابش کلی و پاشیدگی نور استفاده می شود.  منشورهای بازتابش کلی چه مشخصاتی دارند؟  این منشورها از شیشه ای که زاویه حد آن 42 درجه است ساخته می شوند و قاعده آنها به شکل مثلث قائم الزاویه متساوی الساقین است.  بازتابش کلی در منشورها به چند صورت انجام می گیرد؟  به دو صورت: الف )یک بار بازتابش کلی و انحراف پرتو نوربه اندازه 90 درجه. ب) دو بار بازتابش کلی و انحراف پرتو به اندازه 180 درجه. در شکل مقابل مقطع منشور قائم الزاویه ای متساوی الساقین نشان داده شده است. زاویه حد منشور 42 درجه است. پرتو نور تکرنگی( نوری که به وسیله منشور پاشیده نمی شود) عمود بر یک وجه آن تابیده است. شکل ٥-19 الف- مسیر این پرتو را تا رسیدن به وجه مقابل رسم کنید. ب- زاویه تابش در داخل منشور چقدر است؟ این زاویه را با زاویه حد منشور مقایسه کنید و مسیر پرتو را کامل کنید. 2- در شکل مقابل زاویه حدمنشور 42 درجه است مسیر پرتو تکرنگ SI را کامل کنید. جواب الف: چون پرتو SI به طور عمود بر وجه قائم مشور می تابد، پس بدون شکست وارد منشور می شود: جواب ب: با توجه به  اینکه مجموع زاویه های داخلی یک مثلث برابر 180 است برای زاویه تابش در داخل  منشور خواهیم داشت: a=180-(45+90)=45 i=90-a =90-45=45 چون زاویه تابش در منشور از زاویه حد منشور یعنی 42 درجه بیشتر است، پس بازتابش کلی پیدا می کند و به صورت شکل مقابل از منشور خارج می گردد. 2- زاویه تابش در داخل منشور برابر است با: a=180-(90+30)=60 i=90-60=30 چون زاویه تابش در داخل منشور از زاویه حد آن کمتر است، نمی تواند بازتابش کلی پیدا کند لذا از منشور خارج شود و از خط عمود دور می گردد.