الصور في العدسات ، وتشغيل أدوات مثل المجاهر والتلسكوبات ، وظاهرة قوس قزح والإدراك الخادع لعمق المسطح المائي كلها أمثلة على ظاهرة انكسار الضوء. تناقش القوانين التي تصف هذه الظاهرة في هذه المقالة.
ظاهرة الانكسار
قبل النظر في قوانين انكسار الضوء في الفيزياء ، دعونا نتعرف على جوهر الظاهرة نفسها.
كما تعلم ، إذا كان الوسط متجانسًا في جميع النقاط في الفضاء ، فسوف يتحرك الضوء فيه على طول مسار مستقيم. يحدث انكسار هذا المسار عندما يعبر شعاع ضوئي بزاوية السطح البيني بين مادتين شفافتين ، مثل الزجاج والماء أو الهواء والزجاج. بالانتقال إلى وسط متجانس آخر ، سيتحرك الضوء أيضًا في خط مستقيم ، ولكن سيتم توجيهه بالفعل بزاوية معينة إلى مساره في الوسيط الأول. هذه ظاهرة انكسار شعاع الضوء
الفيديو أدناه يوضح ظاهرة الانكسار باستخدام الزجاج كمثال
النقطة المهمة هنا هي زاوية السقوططائرة واجهة. تحدد قيمة هذه الزاوية ما إذا كانت ظاهرة الانكسار ستُلاحظ أم لا. إذا سقطت الحزمة بشكل عمودي على السطح ، فبعد أن مرت إلى الوسط الثاني ، ستستمر في التحرك على نفس الخط المستقيم. الحالة الثانية ، عندما لا يحدث الانكسار ، هي زوايا وقوع الحزمة التي تنتقل من وسط أكثر كثافة بصريًا إلى وسط أقل كثافة ، والتي تكون أكبر من بعض القيم الحرجة. في هذه الحالة ، ستنعكس الطاقة الضوئية بالكامل إلى الوسط الأول. تمت مناقشة التأثير الأخير أدناه.
قانون الانكسار الأول
يمكن أيضًا أن يطلق عليه قانون الأسطر الثلاثة في مستوى واحد. افترض أن هناك شعاعًا من الضوء A يقع على السطح البيني بين مادتين شفافتين. عند النقطة O ، تنكسر الحزمة وتبدأ في التحرك على طول الخط المستقيم B ، وهو ليس استمرارًا لـ A. يمكن صياغة الانكسار على النحو التالي: تقع الحزمة العارضة A والحزمة N العادية والحزمة المنكسرة B في نفس المستوى ، وهو عمودي على مستوى السطح البيني.
هذا القانون البسيط ليس واضحا. صيغته هي نتيجة تعميم البيانات التجريبية. رياضيا ، يمكن اشتقاقه باستخدام ما يسمى بمبدأ فيرمات أو مبدأ أقل وقت.
قانون الانكسار الثاني
غالبًا ما يكلف مدرسو الفيزياء المدرسية الطلاب بالمهمة التالية: "صياغة قوانين انكسار الضوء". لقد درسنا واحدًا منهم ، فلننتقل الآن إلى الثانية
تشير إلى الزاوية بين الشعاع A والعمودي N كـ θ1، الزاوية بين الشعاع B و N ستسمى θ2. نأخذ في الاعتبار أيضًا أن سرعة الشعاع A في المتوسط 1 هي v1، وسرعة الشعاع B في المتوسط 2 هي v2. الآن يمكننا إعطاء صيغة رياضية للقانون الثاني للظاهرة قيد الدراسة:
الخطيئة (θ1) / v1=الخطيئة (θ2) / v2.
حصل الهولندي سنيل على هذه الصيغة في بداية القرن السابع عشر وهي الآن تحمل اسمه الأخير.
نتيجة مهمة تتبع من التعبير: كلما زادت سرعة انتشار الضوء في الوسط ، كلما كان الشعاع بعيدًا عن الطبيعي (كلما زاد جيب الزاوية).
مفهوم معامل الانكسار للوسيط
تمت كتابة صيغة Snell أعلاه حاليًا بشكل مختلف قليلاً ، وهو أكثر ملاءمة للاستخدام عند حل المشكلات العملية. في الواقع ، سرعة الضوء في المادة ، على الرغم من أنها أقل من سرعة الضوء في الفراغ ، لا تزال قيمة كبيرة يصعب التعامل معها. لذلك ، تم إدخال قيمة نسبية في الفيزياء ، يتم عرض المساواة لها أدناه:
n=c / v.
هنا c هي سرعة الحزمة في الفراغ. توضح قيمة n عدد المرات التي تكون فيها قيمة c أكبر من قيمة v في المادة. ويسمى معامل الانكسار لهذه المادة
مع الأخذ في الاعتبار القيمة المدخلة ، ستتم إعادة كتابة معادلة قانون انكسار الضوء بالشكل التالي:
الخطيئة (θ1)n1=الخطيئة (θ2)ن2.
مادة لها قيمة كبيرة من n ،دعا بصريا كثيفة. بالمرور من خلاله ، يبطئ الضوء سرعته بمقدار n مرة مقارنة بنفس القيمة للمساحة الخالية من الهواء.
توضح هذه الصيغة أن الشعاع سيكون أقرب إلى الطبيعي في الوسط الأكثر كثافة بصريًا.
على سبيل المثال ، نلاحظ أن معامل الانكسار للهواء يساوي تقريبًا واحدًا (1 ، 00029). بالنسبة للمياه ، قيمتها 1.33.
انعكاس كلي في وسط كثيف بصريًا
لنقم بالتجربة التالية: لنبدأ شعاع من الضوء من عمود الماء باتجاه سطحه. نظرًا لأن الماء بصريًا أكثر كثافة من الهواء (1 ، 33>1 ، 00029) ، فإن زاوية الوقوع θ1ستكون أقل من زاوية الانكسار θ2. الآن ، سنزيد تدريجياً θ1، على التوالي ، θ2سيزداد أيضًا ، في حين أن عدم المساواة θ1<θ2دائمًا يظل صحيحًا.
ستأتي لحظة عندما θ1<90oو θ2=90o. هذه الزاوية θ1تسمى حرجة لزوج من وسائط الهواء والماء. أي زوايا حدوث أكبر من هذا لن ينتج عنها أي جزء من الحزمة يمر عبر واجهة الماء والهواء إلى وسط أقل كثافة. سيختبر الشعاع بأكمله عند الحدود انعكاسًا كليًا.
يتم حساب الزاوية الحرجة للوقوع θcبالصيغة:
θc=arcsin (n2/ n1).
لوسائل الإعلام والمياهالهواء هو 48 ، 77o.
لاحظ أن هذه الظاهرة غير قابلة للعكس ، أي عندما ينتقل الضوء من الهواء إلى الماء ، لا توجد زاوية حرجة.
الظاهرة الموصوفة تستخدم في تشغيل الألياف الضوئية ، ومع تشتت الضوء هو سبب ظهور أقواس قزح الأولية والثانوية أثناء المطر.
