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 می‌کنیم، نقش انگشت روی آن می­ماند که نتیجه­ای از بازتابش کلی است.

می‌دانیم که سرعت نور در عبور از دو محیط با غلظت‌های متفاوت تغییر کرده و در نتیجه از مسیر اصلی خودش منحرف می‌شود. این پدیده شکست نور نامیده می‌شود. در شکل زیر، تغییر مسیر نور تابش شده از درون یک ماده غلیظ به (سطح مشترک آن با) یک محیط رقیق نشان داده شده است.

 تغییر مسیر نور در حالت‌های (زاویه‌های تابش) مختلف دیده می‌شود. هرچقدر زاویه تابش پرتو بیشتر باشد، نور بیشتر می‌شکند (۱ و ۲) تا آنجا که مسیر نور شکسته شده، مماس بر سطح مشترک دو محیط می شود (۳). 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 شکست رخ نمی‌دهد و نور از سطح مشترک دو محیط مثل سطح یک آینه، بازتاب می‌کند (۴). این حالت، بازتابش کلی نامیده می‌شود. به بیان دیگر، وقتی که نور از یک محیط غلیظ مانند شیشه وارد محیط رقیقی مانند هوا می‌شود، 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، می‌توانیم اثر انگشت را روی آن ببینیم، چون در این حالت نوری که در لیوان بازتاب نموده است در برجستگی­های انگشت نشت کرده و بازتاب نمی‌کند اما در قسمت‌های تو رفته انگشت بازتاب کلی رخ می‌دهد و همچنان آینه‌ای باقی می‌ماند. این روش برای ثبت اثر انگشت بدون جوهر بکار می‌رود. 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 کاری می‌خواهیم انجام دهیم و به چه لوازمی نیاز داریم:

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

 

برای انجام علمی‌تر آزمایش و افزایش دقت، این روش‌ها به شما کمک می‌کند:

  • موازی کردن پرتو لیزر با میز
  • اندازه‌گیری 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، مشکل‌تر می‌توان مسیر نور را دنبال کرد، در اینجا با استفاده از یک آکواریوم کوچک این بررسی را ساده‌تر 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 آنجا که مسیر پرتو رویت شود. دقت داشته باشید که اضافه کردن بیشتر شیر و 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 می‌باشد و با جابجایی لیزر، مکان آن تغییر می‌کند چون پرتو عبوری در هر مرحله با زاویه متفاوتی شکسته شده و مسیر متفاوتی را طی می‌کند. هر چه زاویه فرود بزرگتر باشد، مقدار زاویه شکست مشاهده شده نیز بزرگتر خواهد بود.
  • با چرخش لیزر، وضعیتی را بیابید که در آن پرتو شکسته شده به طور مماس از وجه دیگر آکواریوم خارج گردد. زاویه فرود متناظر با این وضعیت زاویه حد (θc) نام دارد.

  • از نظر تئوری با معلوم بودن ضریب شکست شیشه می‌توانید این زاویه را محاسبه نمایید. این زاویه برای شیشه‌های معمول اندکی کمتر از ۴۵ درجه است، به همین علت استفاده از منشورهای با زوایای بزرگتر از ۴۵ درجه به عنوان سطوح بازتابنده در بسیاری از دستگاه‌های اپتیکی امکان‌پذیر می‌باشد.
  • 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.

 

کاربرد:

  • بازتاب کلی به عنوان آینه: در دستگاه‌هایی مثل دوربین دوچشمی و دوربین عکاسی که 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 می‌توان شاهد نشت نور در محل تماس بود که عمق نفوذ این نشت خیلی کم است که حتی فرورفتگی‌های اثر انگشت را هم می‌تواند 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 می‌رود از بازتاب کلی بهره می‌برد. 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، می‌توانید بستگی زاویه حد به ضریب شکست محیط اطراف را بررسی و با پیش بینی حاصل از تئوری مقایسه کنید.
  • اساس کار برخی ضریب شکست‌سنج‌ها، تعیین ضریب شکست مواد به کمک مفهوم زاویه حد می‌باشد. لازم به ذکر است که اگر محیط دوم جامد باشد از مایعی با ضریب شکستی برابر با منشور اول در میان دو محیط استفادهمی‌شود(چرا؟). آیا می‌توانید چنین دستگاهی را طراحی کنید؟
  • تحت جه شرایطی پرتو خارج شده از منشور موازی با پرتو فرودی خواهد بود؟
  • آیا می‌توانید 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 سراب را توضیح دهید.
  • زاویه حد کاربردهای زیادی در فیبرهای نوری و بازتاب از برخی منشورها دارد. می‌توانید ارتباط این تجربه را با بازتاب از فیبرهای نوری بررسی کنید.

 

آزمایش‌های مرتبط:

 

بیشتر بدانید:

ارتباط با بخش

از متخصص نور بپرس

در این بخش می توانید سؤالات خود را در رابطه با نور و لیزر بپرسید تا متخصصین به آن‌ها پاسخ دهند

لینک ارتباط مستقیم با