انكسار الضوء: العناصر والقوانين والتجربة

انكسار الضوء هو الظاهرة البصرية التي تحدث عندما ينطلق الضوء بشكل غير مباشر على سطح الفصل بين وسيطين بمؤشر انكسار مختلف. عندما يحدث هذا ، يغير الضوء اتجاهه وسرعته.

يحدث الانكسار ، على سبيل المثال ، عندما يمر الضوء من الهواء إلى الماء ، لأن الماء به معامل إنكسار أقل. إنها ظاهرة يمكن رؤيتها تمامًا في حمام السباحة ، من خلال ملاحظة كيف تبدو أشكال الجسم تحت الماء تنحرف عن الاتجاه الذي ينبغي أن يكون عليه.

إنها ظاهرة تؤثر على أنواع الموجات المختلفة ، على الرغم من أن حالة الضوء هي الأكثر تمثيلا وتلك التي لها حضور أكثر في أيامنا هذه.

قدم الفيزيائي الهولندي ويلبرورد سنيل فان رويين تفسير انكسار الضوء ، الذي أنشأ قانونًا لتفسيره أصبح يعرف باسم قانون سنيل.

كان من بين العلماء الآخرين الذين اهتموا بانكسار الضوء إسحاق نيوتن. لدراسته ، ابتكر المنشور الزجاجي الشهير. في المنشور ، يخترق النور أحد وجوهه وينكسر ويتحلل بألوان مختلفة. وبهذه الطريقة ، أثبت من خلال ظاهرة انكسار الضوء أن الضوء الأبيض يتكون من جميع ألوان قوس قزح.

عناصر الانكسار

العناصر الرئيسية التي يجب مراعاتها في دراسة انكسار الضوء هي كما يلي: - شعاع الحادث ، وهو حادث الأشعة بشكل غير مباشر على سطح الفصل بين اثنين من الوسائط المادية. - الشعاع المنكسر ، وهو الشعاع الذي يعبر الوسيط ، ويعدل اتجاهه وسرعته. - الخط العادي ، وهو الخط الوهمي المتعامد على سطح الفصل بين الوسطتين. - زاوية السقوط (ط) ، والتي تعرف بأنها الزاوية التي تشكلها شعاع الحادث مع الزاوية العادية. - زاوية الانكسار (r) ، والتي تعرف بأنها الزاوية التي تكونت من الطبيعي مع الأشعة المنكسرة.

-بالإضافة إلى ذلك ، يجب على المرء أيضًا مراعاة مؤشر الانكسار (n) الخاص بالوسيط ، وهو حاصل ضرب سرعة الضوء في الفراغ وسرعة الضوء في الوسط.

ن = ج / ت

في هذا الصدد ، تجدر الإشارة إلى أن سرعة الضوء في الفراغ تأخذ قيمة 300،000،000 م / ث.

مؤشر الانكسار للضوء في وسائل الإعلام المختلفة

مؤشر الانكسار للضوء في بعض أكثر الوسائل شيوعًا هو:

قوانين الانكسار

غالبًا ما يشار إلى قانون سنيل على أنه قانون الانكسار ، ولكن الحقيقة هي أنه يمكن القول إن قوانين الانكسار هي قانونان.

أول قانون الانكسار

الشعاع العرضي ، والأشعة المنكسرة والأشعة العادية هي في نفس المستوى من الفضاء. في هذا القانون ، الذي يستنبطه سنيل أيضًا ، يتم تطبيق التفكير أيضًا.

القانون الثاني من الانكسار

والثاني قانون الانكسار أو قانون سنيل ، يتحدد بالتعبير التالي:

n 1 sin i = n 2 sen r

N 1 هو مؤشر الانكسار للوسط الذي يأتي منه الضوء ؛ أنا زاوية الإصابة ؛ n 2 معامل الانكسار للوسط الذي ينكسر فيه الضوء ؛ ص زاوية الانكسار.

مبدأ فيرما

من بداية الحد الأدنى من الوقت أو مبدأ Fermat ، يمكننا استنتاج كل من قوانين التفكير وقوانين الانكسار ، والتي رأيناها للتو.

يؤكد هذا المبدأ على أن المسار الحقيقي الذي يتبع بصيص ضوء يتحرك بين نقطتين من الفضاء هو المسار الذي يتطلب وقتًا صغيراً لعبوره.

عواقب قانون سنيل

بعض النتائج المباشرة المستخلصة من التعبير السابق هي:

أ) إذا كانت n 2 > n 1 ؛ sen r <sen io sea r <i

لذلك عندما تمر شعاع الضوء من وسط به معامل إنكسار أقل إلى وسط به معامل إنكسار أعلى ، فإن الأشعة المنكسرة تقترب من الوضع الطبيعي.

ب) إذا كانت n 2 <n 1 ؛ سين ص> الخطيئة io البحر ص> أنا

لذلك عندما تنتقل شعاع الضوء من وسط ذي معامل إنكسار أعلى إلى وسط به مؤشر أقل ، فإن الشعاع المنكسر يتحرك بعيدًا عن العادي.

ج) إذا كانت زاوية السقوط صفراً ، تكون زاوية حزمة الانكسار صفراً.

زاوية الحد والتفكير الداخلي الكلي

من النتائج المهمة الأخرى لقانون سنيل هو ما يعرف بزاوية الحد. هذا هو الاسم المعطى لزاوية الإصابة التي تتوافق مع زاوية الانكسار التي تبلغ 90 درجة.

عندما يحدث هذا ، يتحرك الأشعة المنكسرة متدفقة مع سطح الفصل بين الوسيطتين. وتسمى هذه الزاوية أيضا الزاوية الحرجة.

للزوايا فوق زاوية الحد ، تحدث ظاهرة تسمى الانعكاس الداخلي الكلي. عندما يحدث هذا ، لا يحدث الانكسار ، حيث أن شعاع الضوء بأكمله ينعكس داخليًا. يحدث الانعكاس الداخلي الكلي فقط عند الانتقال من وسيط ذي معامل إنكسار أعلى إلى وسيط ذي معامل إنكسار أقل.

أحد تطبيقات الانعكاس الداخلي الكلي هو توصيل الضوء عبر الألياف الضوئية دون فقد الطاقة. بفضله ، يمكننا الاستمتاع بسرعات نقل البيانات العالية التي تقدمها شبكات الألياف البصرية.

تجارب

تتمثل تجربة أساسية للغاية لتكون قادرًا على ملاحظة ظاهرة الانكسار في إدخال قلم رصاص أو قلم في كوب مملوء بالماء. نتيجة لانكسار الضوء ، يظهر جزء من القلم أو القلم المغمور بالمياه مكسورًا أو منحرفًا بعض الشيء فيما يتعلق بالمسار الذي من المتوقع أن يكون عليه.

يمكنك أيضًا تجربة القيام بتجربة مماثلة باستخدام مؤشر ليزر. بالطبع ، من الضروري سكب بضع قطرات من الحليب في كوب من الماء لتحسين رؤية ضوء الليزر. في هذه الحالة ، يوصى بإجراء التجربة في ظروف الإضاءة المنخفضة لتقدير مسار حزمة الضوء بشكل أفضل.

في كلتا الحالتين ، من المثير للاهتمام تجربة زوايا مختلفة من الإصابة ومراقبة مدى اختلاف زاوية الانكسار مع تغير هذه التغييرات.

الأسباب

يجب البحث عن أسباب هذا التأثير البصري في انكسار الضوء الذي يؤدي إلى ظهور صورة القلم (أو شعاع الليزر) في انحراف تحت الماء فيما يتعلق بالصورة التي نراها في الهواء.

انكسار الضوء في يوم ليوم

يمكن ملاحظة انكسار الضوء في العديد من الحالات من يومنا إلى يوم. بعض منهم ذكرناهم بالفعل ، والبعض الآخر سنعلق عليه أدناه.

إحدى نتائج الانكسار هي أن التجمعات تبدو ضحالة أكثر من كونها بالفعل.

تأثير الانكسار الآخر هو قوس قزح الذي يحدث لأن الضوء ينكسر عبر تمرير قطرات الماء في الجو. إنها نفس الظاهرة التي تحدث عندما يمر شعاع من الضوء عبر المنشور.

ومن النتائج الأخرى لانكسار الضوء أننا نلاحظ غروب الشمس عندما تمر عدة دقائق بالفعل منذ حدوثها بالفعل.