بررسی تجربی قوانین اسنل

مقدمه

شکست نور عبارت است از انحراف ناگهانی مسیر پرتوهای نور وقتی که بطور مایل از یک محیط شفاف مانند هوا ، وارد محیط شفاف دیگری مانند آب یا شیشه بشوند. این پدیده را بدون استثناء همه ما در زندگی روزمره خود بارها تجربه و مشاهده کرده‌ایم و چون بطور مکرر تکرار شده در نظر ما کاملا طبیعی و عادی جلوه‌گر شده‌اند. برای مثال وقتی لبه استخر پر از آب ایستاده‌ایم، کف استخر بالاتر به نظر رسیده و احتمال دارد ما را گمراه سازد. یا پدیده سراب ، ماهی که در یک تنگ شیشه‌ای نیمه‌پر قرار دارد، میله چوبی که بطور مایل در لیوان پر از آب فرو رفته ، در محل فرورفتن در آب شکسته می‌بینیم.
یا یک قطعه شیشه ضخیم تخت را روی صفحه‌ای از کتاب بگذاریم، نوشته‌ها چطور به نظر می‌رسند، همه‌ اینها نمونه‌ای از پدیده شکست نور هستند. اولین فرمولبندی و بدست آوردن رابطه‌ای که ارتباط بین پارامترهای مختلف و شرایط محیطی حاکم بر آنها را کاملا مشخص و روشن می‌کند، توسط دو دانشمند به نامهای اسنل و دکارت که قوانین مربوطه نیز به نام خودشان معروف می‌باشد، انجام شد. شما هم می‌توانید بر اساس انتشار نور به خط راست با آزمایشهای ساده‌ای قوانین شکست نور را بدست آورید.

تئوری آزمایش

زاویه تابش i زاویه‌ای است که میان پرتو تابش و خط عمود بر سطح در محل تابش درست می‌شود و زاویه شکست r زاویه‌ای است که بین پرتو شکست و خط عمود تشکیل می‌گردد. وقتی نور از هوا یا خلا وارد ماده چگالتری مانند شیشه یا آب می‌شود، طوری می‌شکند که پرتو شکست به خط عمود نزدیکتر می‌شود. برعکس ، هنگامی که نور از ماده‌ای چگالتر از هوا (مانند شیشه یا آب) وارد هوا می‌شود، پرتو شکست از خط عمود دور می‌شود. در نتیجه زاویه شکست از زاویه تابش بزرگتر است.

قوانین شکست نور (قوانین اسنل - دکارت)

1. پرتو تابش و پرتو شکست و خط عمود بر سطح جدا کننده دو محیط در نقطه تابش ، هر سه در یک صفحه‌اند.
2. برای دو محیط شفاف معین ، نسبت سینوس زاویه تابش به سینوس زاویه شکست مقداری ثابت است. این مقدار ثابت را ضریب شکست محیط دوم (یعنی محیطی که پرتو شکست در آن قرار دارد) نسبت به محیط اول (یعنی محیطی که پرتو تابش در آن واقع است) می‌نامند و آن را با حرف n نمایش می دهند.
علت شکست نور ، به هنگام عبور از یک محیط به محیط دیگر ، در واقع این است که سرعت نور در دو محیط مجاور هم متفاوت است. اگر سرعت نور در هوا V و در محیط شفاف دیگر V باشد، روابط زیر برقرارند:
ضریب شکست هر محیط نسبت به محیط دیگر بستگی به جنس دو محیط دارد.
مثلا نسبت سرعت نور در هوا به سرعت نور در آب برابر 33/1 است که این عدد درست برابر ضریب شکست آب است. حال اگر نور از محیط شفاف 1 (مثلا آب) به ضریب شکست n1 وارد محیط شفاف (مثلا شیشه) به ضریب شکست n2 بشود ضریب شکست محیط 2 نسبت به محیط 1 برابر:
(سرعت نور در محیط 2/سرعت نور در محیط 1)n2,1 = n2/n1 = v1/v2

تحقیق تجربی قانون دوم شکست نور
وسایل لازم

1. منبع نور (با یک شکاف نازک)
2. صفحه گرد مدرج و کاملا تخت که بر حسب درجه مدرج شده باشد.
3. نیم استوانه شیشه ای با ضخامت کم.

شرح آزمایش

به کمک این اسباب به آسانی می‌توان قانون دوم شکست را تحقیق کرد. روش آزمایش بدین صورت می‌باشد که قسمتی از پرتو باریک منبع نوری از روی وجه مسطح نیم استوانه که مرکز آن منطبق بر مرکز صفحه مدرج بوده و امتدادها طبق شکل درست در دو طرف ˚90 می‌باشد، بازتابیده شده و قسمت دیگر وارد نیم استوانه می‌شود و در آن شکست می‌یابد. مسیرهای پرتوهای تابش و شکست روی صفحه مدرج دیده می‌شود.
زاویه‌های تابش و شکست به آسانی اندازه گرفته می‌شوند. بدون تغییر دادن راستای پرتو تابش ، صفحه مدرج (و درنتیجه نیم استوانه شفاف) را چرخانده و زاویه تابش را از صفر تا نزدیک ˚90 تغییر داده و برای هر زاویه تابش ، زاویه شکست مربوط به آن را روی صفحه مدرج اندازه گرفت و تحقیق کرد که Sini/Sinr همواره مقدار ثابتی است. حال همین آزمایش را برای موادی دیگر نظیر آب و کوارتز و ... تکرار نمایید.

ضریب شکست پاره‌ای از مواد شفاف

نوع ماده	ضریب شکست
هوا	1.00آب 1.33
بنزن	1.50سولفید کربن           1.63
کوارتز	1.46شیشه کراون1.52
شیشه فلینت	1.66پلکس گلاس (پلی اتیلنی(   1.50
الماس	2.42

این بررسیها نشان می‌دهد که قوانین اسنل - دکارت بدون وابستگی محیط همواره پابرجا هستند.

نتایج آزمایش

1. این آزمایش موئید اصل انتشار نور به خط مستقیم است.
2. قوانین بازتابش و شکست نور ، مستقل از طول موج نور و هندسه سطح تابشی است.
3. قوانین اسنل - دکارت بدون وابستگی به نوع محیط همواره پابرجا هستند.
4. در طراحی و ساخت کلیه دستگاههای نوری از جمله عدسی (تنظیم ابیراهیها و ...) ، انواع دوربین عکاسی ، تلسکوپ ، میکروسکپ و ... .

سوالات

در زیر سئوالاتی مطرح شده که آنها با مفهوم شکست نور توجیه می‌شوند؟اگر چوب را تا قسمتی از آن بطور قائم در آب فرو بریم چگونه به نظر خواهد رسید؟
1. اگر یک پرتو نور بطور عمودی بر سطح یک محیط شفاف بتابد، چگونه وارد این محیط می‌شود؟
2. اگر n ضریب شکست شیشه نسبت به هوا باشد، ضریب شکست هوا نسبت به شیشه چیست؟
3. با توجه به این که نور ستارگان از خلا وارد جو زمین می‌شوند، آیا ستارگان بویژه آنها که به سطح افق نزدیکترند در جای حقیقی خود دیده می‌شوند؟
4. فرض کنید با یک زاویه ثابت به یک پارچ کدر که ته آن برای ما قابل روئیت نیست و ته پارچ یک سکه قرار داده شده ، تماشا می کنیم، چه روشی پیشنهاد می‌کنید تا در شرایط مذکور بدون تغییر وضعیت موجود ، سکه مشاهده شود؟
منبع:دانشنامه ی رشد
/خ