• چرا نقش انگشت ما بر روی لیوان پر از آب دیده می شود؟

زاویه حد و بازتابش کلی

مقدمه:

اگر لیوان پر از آبی را در دست بگیریم و از داخل به بدنه آن نگاه کنیم، لیوان به نظر آینه­ای می­رسد، و وقتی که بدنه لیوان را لمس می کنیم، نقش انگشت روی آن می­ماند که نتیجه­ای از بازتابش کلی است.

میدانیم که سرعت نور در عبور از دو محيط با غلظت هاي متفاوت تغيير کرده و در نتيجه از مسير اصلي خودش منحرف ميشود. اين پديده شكست نور ناميده ميشود. در شكل زیر، تغییر مسیر نور تابش شده از درون یك ماده غلیظ به (سطح مشترك آن با) یك محیط رقیق نشان داده شده است.

تغییر مسیر نور درحالت های (زاویه های تابش) مختلف دیده می شود. هرچقدر زاویه تابش پرتو بیشتر باشد، نور بیشتر می شكند (1 و 2) تا آنجا كه مسیر نور شكسته شده، مماس بر سطح مشترك دو محیط می شود (3). در این حالت، زاویه تابش را زاویه حد مینامند. میتوان اندازه زاویه حد را با استفاده از قانون اسنل بدست آورد.

چنانچه زاویه تابش پرتو از زاویه حد بزرگتر شود، دیگر شكست رخ نمیدهد و نور از سطح مشترك دو محیطمثل سطح یك آینه، بازتاب می کند (4). این حالت، بازتابش كلی نامیده میشود. به بیان ديگر، وقتی که نور از یک محیط غلیظ مانند شیشه وارد محیط رقیقی مانند هوا ميشود، چنانچه زاویه تابش بزرگتر از زاویه حد باشد، پرتو به محیط اول باز می­گردد و بازتابش کلی اتفاق می­افتد. پدیده­ی بازتابش کلی در ادواتی مثل فیبر نوری و منشورهای بازتاب کلی نقش مهمی دارد و اساس کار آنها است.

به این ترتیب میتوانیم بگوییم که وقتی لیوان پر از آبی را در دست میگیریم، می توانیم اثر انگشت را روی آن ببینیم چون در این حالت نوری که در لیوان بازتاب نموده است در برجستگی­های انگشت نشت کرده و بازتاب نمی کند اما در قسمت های تو رفته انگشت بازتاب کلی رخ می دهد و همچنان آینه ای باقی می ماند. این روش برای ثبت اثر انگشت بدون جوهر بکار می رود. نور هنگامی که دچار بازتابش کلی می­شود به محیط اول باز می­گردد، اما عمق نفوذ بسیار کمی نیز در محیط دوم خواهد داشت که با چسباندن دست یا هر چیز دیگر آن نور نفوذی خارج شده و مانع بازتاب کلی آن میشود .

هدف:

در این آزمایش قصد داریم پرتو لیزر را به یک منشور یا ظرف آب و یا یک بلوک شفاف تابانده و با افزایش تدریجی زاویه تابش، حالت های مختلف شکست نور و زاویه حد را بررسی کرده و بازتابش کلی نور را مشاهده کنیم.

چه می خواهیم انجام دهیم و به چی نیاز داریم:

می خواهیم با تغییر زاویه پرتو تابیده به یک منشور یا ظرف آب و یا بلوک شفاف، زاویه حد دست را بدست آوریم. برای اینکار به اقلام زیر نیاز داریم:

– آکواریوم کوچک پر از آب

– لیزر با پایه مناسب

برای انجام علمی تر آزمایش و افزایش دقت این روشها به شما کمک می کند:

– موازی کردن پرتو لیزر با میز

– اندازه گیری زاویه

آزمایش :

در این آزمایش باید پرتو لیزر از محیط غلیظ مثل شیشه یا آب به مرز آن با هوا بتابد. برای این منظور باید لیزر را به سمت قطعه به نحوی نشانه گرفت که چنین مسیری را طی کند. از آنجا که در قطعات کوچک مشکل تر می توان مسیر نور را دنبال کرد، در اینجا با استفاده از یک آکواریوم کوچک این بررسی را ساده تر میکنیم.

– مطابق شکل، آکواریوم محتوی آب را مقابل باریکه لیزر قرار دهید. برای مشاهده مسیر باریکه لیزر میتوانید از شیر استفاده کنید. چند قطره شیر کم چرب را با آب مخلوط کرده و به آرامی به ظرف اضافه کنید تا انجا که مسیر پرتو رویت شود. دقت داشته باشید که اضافه کردن بیشتر شیرو چرب شدن آب، باعث انسداد مسیر پرتو و اختلال در روند آزمایش خواهد شد.

 – با روشن کردن لیزر، دو لکه روی پرده مشاهده خواهید کرد. لکه سمت راست صرفا مربوط به بازتاب نور لیزر از سطح ظرف است اما لکه سمت چپ، نقش پرتو شکست می باشد و با جابجایی لیزر، مکان آن تغییر میکند چون پرتو عبوری در هر مرحله با زاویه ی متفاوتی شکسته شده و مسیر متفاوتی را طی میکند. هر چه زاویه ی فرود بزرگتر باشد مقدار زاویه ی شکست مشاهده شده نیز بزرگتر خواهد بود.

– با چرخش لیزر، وضعیتی را بيابيد که در آن پرتو شکسته شده به طور مماس از وجه دیگر آکواریوم خارج می گردد. زاویه فرود متناظر با این وضعیت زاویه حد (θc) نام دارد.

– از نظر تئوری با معلوم بودن ضریب شکست شیشه می توانيد این زاویه را محاسبه نماييد.

^◦42 = θc ؛ sinθc = ضریب شکست شیشه (n_a)/ضریب شکست هوا(n_b)

این زاویه برای شیشه های معمول اندکی کمتر از 45 درجه است، به همین علت استفاده از منشورهای با زوایای بزرگتر از 45 درجه به عنوان سطوح بازتابنده در بسیاری از دستگاههای اپتیکی امکان پذیر می باشد.

-اگر لیزر را باز هم بچرخانید، شاهد پرتویی خواهید بود که از سطح داخلی لیزر بازتاب میشود. این پدیده بازتاب کلی نام دارد و در زوایای بیشتر از زاویه حد رخ میدهد.

به چه کار می آید:

بازتاب کلی به عنوان آینه: در دستگاههایی مثل دوربین دوچشمی و دوربین عکاسی با استفاده از بازتاب کلی در منشور آینه با بازتاب کامل و با حساسیت کم نسبت به محیط اطراف کاربرد دارد.

نشت بازتاب کلی: با تماس با سطح بازتاب کلی می توان شاهد نشت نور در محل تماس بود که عمق نفوذ این نشت خیلی کم است که حتی فرورفتگی های اثر انگشت را هم می تواند تشخیص دهد. این ویژگی کاربردهای مختلفی دارد که از آن جمله ثبت اثر انگشت بدون جوهر است. همچنین در طیف سنجی کاربرد دارد.

انتقال نور: فیبر نوری که مثل سیم برای هدایت نور بکار می رود از بازتاب کلی بهره می برد. بازتاب کلی در موجبرها نیز کاربرد دارد.

سؤال پیشنهاد و نکته:

– راجع به مکان لیزر در این آزمایش فکر کنید. چرا لیزر را مقابل سطح روبرویی ظرف قرار ندادیم؟ در صورتی که ناچار باشیم پرتو را از این سطح به ظرف بتابانیم، چه راهکاری پیشنهاد میکنید تا بتوان به زاویه حد دست یافت؟

-با استفاده از منشور و قرار دادن آن در محیط دیگری مانند آب و یا گازی جز هوا، می توانید بستگی زاویه حد به ضریب شکست محیط اطراف را بررسی و با پیش بینی حاصل از تئوری مقایسه کنید.

-اساس کار برخی ضریب شکست سنج ها، تعیین ضریب شکست مواد به کمک مفهوم زاویه حد می باشد. لازم به ذکر است که اگر محیط دوم جامد باشد از مایعی با ضریب شکستی برابر با منشور اول در میان دو محیط استفاده می شود(چرا؟). آیا می توانید چنین دستگاهی را طراحی کنید؟

– تحت جه شرایطی پرتو خارج شده از منشور موازی با پرتو فرودی خواهد بود؟

– آیا می توانید منشوری را طراحی کنید که بتواند نور فرودی را در داخل خود زندانی کند؟

– سعی کنید به کمک مفاهیم به کار رفته در این آزمایش پدیده ی سراب را توضیح دهید.

– زاویه ی حد کاربردهای زیادی در فیبرهای نوری و بازتاب از برخی منشورها دارد. می توانید ارتباط این تجربه را با بازتاب از فیبرهای نوری بررسی کنید.

آزمایشهای مرتبط:

آب کدام لیوان شیرین تر است؟

آیا نور خمیده هم میشود؟

مسیر انتشار نور را، هر چقدر خواستید، خم کنید!

بیشتر بدانید:

بازتاب نور – شکست نور – فیبر نوری