שבירה של אור: אלמנטים, חוקים וניסוי - גוּפָנִי - 2025

השבירה של אור היא התופעה האופטית המתרחשת כאשר אור הוא אירוע באלכסון על פני שטח הפרדת השנייה בתקשורת עם מקדם שבירה שונה. כאשר זה קורה האור משנה את כיווןו ומהירותו.

שבירה מתרחשת, למשל, כאשר האור עובר מאוויר למים, מכיוון שיש לזה מדד שבירה נמוך יותר. זוהי תופעה שניתן להעריך בצורה מושלמת בבריכה, כאשר מתבוננים כיצד צורות הגוף מתחת למים נראות סטות מהכיוון שהן צריכות להיות.

אטומה

זוהי תופעה שמשפיעה על סוגים שונים של גלים, אם כי מקרה האור הוא המייצג ביותר וזה שיש לו הכי הרבה נוכחות בחיי היום יום שלנו.

את ההסבר לשבירת האור הציע הפיזיקאי ההולנדי ווילברורד סנל ואן רוין, שהקים חוק שיסביר אותו שהתפרסם כחוק של סנל.

מדען נוסף שהקדיש תשומת לב מיוחדת לשבירת האור היה אייזק ניוטון. כדי ללמוד אותו, הוא יצר את הפריזמה בזכוכית המפורסמת. בפריזמה האור חודר אליו דרך אחד מפניו, מתפרק ומתפרק לצבעים השונים. באופן זה, באמצעות תופעת שבירת האור, הוא הוכיח כי אור לבן מורכב מכל צבעי הקשת.

אלמנטים של שבירה

האלמנטים העיקריים שיש לקחת בחשבון במחקר השבירה של האור הם הבאים: - קרן האירוע, שהיא הקרן שנופלת באופן אלכסוני על משטח ההפרדה של שני המדיות הפיזיות. -הקרן השבורה, שהיא הקרן העוברת במדיום, משנה את כיוונה ומהירותה. -הקו הרגיל, שהוא הקו הדמיוני הניצב למשטח ההפרדה של שני המדיות. -זווית השכיחות (i), המוגדרת כזווית הנוצרת על ידי קרן האירוע עם הנורמלי. -זווית השבירה (r), המוגדרת כזווית הנוצרת על ידי הנורמלי עם הקרן השבירה.

בנוסף, יש לקחת בחשבון גם את מדד השבירה (n) של מדיום שהוא הכמות של מהירות האור בוואקום ומהירות האור במדיום.

n = c / v

בהקשר זה, יש לזכור כי מהירות האור בוואקום גוזלת את הערך של 300,000,000 m / s.

מדד שבירה של אור במדיות שונות

מדדי האור השבירה בכמה מהתקשורת הנפוצה ביותר הם:

דיני שבירה

החוק של סנל מכונה לעתים קרובות חוק השבירה, אך האמת היא שאפשר לומר שיש שני חוקי שבירה.

חוק שבירה ראשון

קרן האירוע, הקרן השבורה והנורמה נמצאים באותו מישור של חלל. בחוק זה, שהוסכם גם על ידי סנל, חל גם השתקפות.

חוק שבירה שני

השני, חוק השבירה או חוק סנל, נקבע על ידי הביטוי הבא:

n ₁ sin i = n ₂ sin r

כאשר n _{1 הוא} מדד השבירה של המדיום ממנו האור מגיע; i זווית ההיארעות; n ₂ מדד השבירה של המדיום בו האור שביר; r הוא זווית השבירה.

יוסל 7

העיקרון של פרמה

מעיקרון זמן המינימום או מעיקרון פרמה ניתן להסיק הן את חוקי ההשתקפות והן את חוקי השבירה, שאותה ראינו זה עתה.

עקרון זה קובע כי הנתיב האמיתי שאחריו קרן אור הנעה בין שתי נקודות בחלל היא זו הדורשת הכי פחות זמן לנסוע.

השלכות החוק של סנל

חלק מההשלכות הישירות הנגזות מהביטוי הקודם הן:

א) אם n ₂ > n ₁ ; sin r <sin io let r <i

לכן כאשר קרן אור עוברת ממדיום עם אינדקס שבירה נמוך יותר לאחר עם מדד שבירה גבוה יותר, הקרן השבורה מתקרבת למצב נורמלי.

ב) אם n2 <n ₁ ; sin r> sin io let r> i

לכן כאשר קרן אור עוברת ממדיום עם אינדקס שבירה גבוה יותר לאחר עם אינדקס נמוך יותר, הקרן השבורה מתרחקת מהנורמה.

ג) אם זווית ההיארעות היא אפס, זווית קרן השבירה היא אפס.

הגבלת זווית ושיקוף פנימי מוחלט

תוצאה חשובה נוספת של החוק של סנל היא מה שמכונה זווית הגבול. זהו השם שניתן לזווית השכיחות שתואמת לזווית שבירה של 90 מעלות.

כאשר זה קורה, הקרן השבורה נעה במישור עם משטח ההפרדה של שני המדיות. זווית זו נקראת גם הזווית הקריטית.

בזוויות שגדולות מזווית הגבול מתרחשת התופעה המכונה השתקפות פנימית מוחלטת. כאשר זה קורה, לא מתרחש שום שבירה, מכיוון שכל קרן האור משתקפת באופן פנימי. השתקפות פנימית מוחלטת מתרחשת רק כאשר עוברים ממדיום עם מדד שבירה גבוה יותר למדיום עם מדד שבירה נמוך יותר.

יישום אחד של השתקפות פנימית מוחלטת הוא הולכת האור דרך הסיב האופטי ללא אובדן אנרגיה. בזכותו אנו יכולים ליהנות ממהירויות העברת הנתונים הגבוהות המוצעות על ידי רשתות סיבים אופטיים.

ניסויים

ניסוי בסיסי מאוד בכדי להיות מסוגל להתבונן בתופעת השבירה מורכב מהנחת עיפרון או עט בכוס מלאה מים. כתוצאה משבירת האור נראה החלק השקוע בעיפרון או בעט מעט שבור או סוטה מהנתיב שאפשר היה לצפות לו.

ולואל

אתה יכול גם לנסות ניסוי דומה עם מצביע לייזר. כמובן שצריך לשפוך כמה טיפות חלב לכוס המים בכדי לשפר את הנראות של אור הלייזר. במקרה זה, מומלץ לבצע את הניסוי בתנאי אור נמוכים כדי להעריך טוב יותר את מסלול קרן האור.

בשני המקרים, מעניין לנסות זוויות שכיחות שונות ולבחון כיצד זווית השבירה משתנה ככל שהם משתנים.

סיבות

יש לחפש את הגורמים לאפקט אופטי זה בשבירת האור הגורמת לדימוי העיפרון (או קרן האור מהלייזר) להראות סטייה מתחת למים ביחס לתמונה שאנו רואים באוויר.

שבירת האור בחיי היומיום

ניתן לראות את שבירת האור במצבים רבים של ימינו. על כמה שכבר שמנו, ואחרים עליהן נביא תגובה.

תוצאה אחת של שבירה היא שבריכות נראות רדודות ממה שהן בפועל.

השפעה נוספת של שבירה היא הקשת המתרחשת מכיוון שהאור נשבר על ידי מעבר דרך טיפות המים הקיימות באטמוספרה. זו אותה תופעה שמתרחשת כאשר קרן אור עוברת דרך פריזמה.

תוצאה נוספת של שבירת האור היא שאנו צופים בשקיעת השמש כאשר חלפו מספר דקות מאז שאכן קרה.

הפניות

1. אור (nd). בוויקיפדיה. הוחזר ב- 14 במרץ 2019 מ- en.wikipedia.org.
2. בורק, ג'ון רוברט (1999). פיזיקה: טבע הדברים. מקסיקו DF: תומסון עורך בינלאומי.
3. השתקפות פנימית מוחלטת (nd). בויקיפדיה. הוחזר ב- 12 במרץ 2019 מ- en.wikipedia.org.
4. אור (nd). בויקיפדיה. הוחזר ב- 13 במרץ 2019 מ- en.wikipedia.org.
5. לקנר, ג'ון (1987). תורת ההשתקפות, גלים אלקטרומגנטיים וחלקיקים. שפרינגר.
6. שבירה (nd). בויקיפדיה. הוחזר ב- 14 במרץ 2019 מ- en.wikipedia.org.
7. קרופורד הבן, פרנק ס '(1968). גלים (קורס ברקלי לפיזיקה, כרך ג '), מקגרו-היל.