یک منشور چقدر می تواند نور را منحرف کند؟

محاسبه توان انحراف نور در منشور

 

 مقدمه:

منشور (Prism) محیط شفافی است که بین دو سطح تخت متقاطع محصور می‌باشد. به دلیل وابستگی ضریب شکست  (Refractive index) هر محیط به طول موج (Wavelength)، هر رنگ یا طول موج نور پس از عبور از منشور در زاویه مختلفی منتشر می‌شود و نور خروجی به رنگ‌های تشکیل دهنده‌اش تجزیه می­شود. به این پدیده پاشندگی (Dispersion) می‌گویند.

بدیهی است که هر طول موج نور تابیده به منشور به اندازه‌ای متناسب با ضریب شکست منشور در آن طول موج منحرف می‌شود. اگر پرتو لیزر که از یک رنگ تشکیل شده است را به منشور بتابانیم مسیر اولیه منحرف می‌شود. با افزایش طول موج از بنفش به قرمز ضریب شکست کاهش می‌یابد و در نتیجه نور قرمز انحراف کمتری نسبت به نور بنفش پیدا می‌کند.

میزان توانایی منشور در انحراف باریکه نور را توان منشور نامیده و واحد آن دیوپتر (Dioptre) است. منشوری با توان یک دیوپتر، می تواند در فاصله یک متری، یک سانتیمتر در نور جابه‌جایی ایجاد کند. البته با چرخاندن منشور یا به عبارتی با تغییر زاویه تابش(Angle of incidence)  نور به منشور، میزان انحراف هم تغییر خواهد کرد که بین زوایای مختلف، یک زاویه تابش به منشور، کمترین انحراف را ایجاد می‌کند و زاویه حداقل انحراف (Minimum deviation angle) نامیده می‌شود و برای اندازه‌گیری مشخصات منشور بکار می‌رود.

منشور یکی از وسایل مهم اپتیکی است که کاربردهای مختلفی دارد که در این آزمایش فقط در مورد انحراف نور توسط منشور بحث می‌شود. انحراف نور از مسیر اولیه کاربردهای متنوعی دارد که با برخی از آن‌ها آشنا خواهیم شد.

هدف:

در این آزمایش قصد داریم توان انحراف باریکه نور را در یک منشور محاسبه کنیم. برای این منظور از نور لیزر که تقریبا بدون واگرایی زیاد منتشر می‌شود، استفاده می‌کنیم.  به این منظور باید موقعیت لکه نور لیزر با حضور منشور و بدون آن را در فاصله ثابتی مقایسه کنیم.

چه کاری می‌خواهیم انجام دهیم و به چه لوازمی نیاز داریم:

میخواهیم با اندازه‌گیری میزان انحراف پرتو لیزر تابیده به منشور، توان انحراف آن را محاسبه کنیم. بدین منظور به اقلام زیر نیاز داریم:

 

 برای افزایش دقت آزمایش، این تکنیک‌ها به شما کمک می‌کند:

  • موازی کردن پرتو لیزر با سطح میز

 

 آزمایش:

  • قبل از قرار دادن منشور روی پایه چرخان، لیزر را موازی سطح میز کنید و محل لکه لیزر روی پرده مقابل را علامت بزنید و مطمئن باشید که لیزر، پایه، منشور و پرده در طول آزمایش تکان نخورند.
  • منشور را روی پایه چرخان گذاشته و در مقابل لیزر قرار دهید. همچنین باید موقعیت منشور به گونه‌ای تنظیم شود که با چرخاندن آن لکه لیزر روی منشور جابجا نشود. برای اطمینان از این مسئله باید پایه منشور را به آرامی چرخاند و در صورت جابجا شدن لکه لیزر، منشور را آنقدر جابجا کرد تا محل تلاقی لکه لیزر با منشور روی محور دوران پایه قرار گیرد و لکه جابجا نشود.
  • پایه منشور را بچرخانید تا پرتو لیزر پس از عبور از منشور روی پرده جابجا شود. خواهید دید که با چرخاندن منشور، لکه روی پرده به محل نور بدون منشور نزدیک و سپس دور می‌شود. درست هنگام برگشتن لکه لیزر، آن نقطه را روی پرده علامت بزنید. این موقعیت را حداقل انحراف منشور می‌نامند.
  • محل دو لکه ایجاد شده روی پرده یعنی فاصله پرتو منحرف شده با امتداد پرتو ورودی را اندازه بگیرید و بر فاصله پرده تا منشور تقسیم کنید. دقت نمایید که واحدهای به کار رفته برای اندازه‌گیری طول یکسان باشند. حال میتوانید با کمک رابطه زیر، زاویه شکست منشور را بدست آورید.

  • اگر زاویه شکست منشور راδ ، فاصله دو لکه را A و فاصله پرده تا منشور را نیز C بنامیم، این زاویه مطابق شکل  زیر برابر است با:

(tan δ =  A/C    → δ  =  Arctan(A/C

در صورتیکه فاصله پرده تا منشور یک متر باشد، با استفاده از رابطه زیر میتوان توان انحراف منشور را بدست آورد:

فاصله پرده از منشور (در فاصله ی ۱ متری)   /  فاصله پرتو خروجی تا امتداد نور ورودی  =  توان انحراف منشور

 آزمایش (پیشرفته تر):

می توانید با استفاده از رابطه منشور و با دانستن طول موج نور، زاویه راس منشور و زاویه انحراف، ضریب شکست منشور را برای آن طول موج بدست آورید. این روش، اساس کار برخی از ضریب شکست‌سنج‌ها یا رفرکتومترها(Refractometer)  است.

با دو لیزر مختلف سبز و قرمز در شرایط یکسان زاویه انحراف را بدست بیاورید. آیا می‌توانید بر اساس همین اختلاف انحراف نور قرمز و سبز کاربردی پیشنهاد بدهید؟

کاربرد منشور:

  • انحراف نور شاید بدیهی‌ترین کاربرد منشور باشد و کاربردهای زیادی بر این اساس دارد. میزان انحراف با چرخاندن منشور تغییر می‌کند و در زاویه حداقل انحراف به کمترین مقدار می‌رسد که برای انحراف نور از مسیر اولیه به مقدار لازم، کاربرد دارد. به عنوان مثال از انحراف نور توسط منشور در چشم پزشکی، عینک سازی و دستگاه‌های نوری مانند دوربین استفاده می‌شود. آیا می‌توانید مثال‌های دیگری از سیستم‌هایی که انحراف نور در آن‌ها کاربرد دارد، بزنید؟
  • تجزیه نور نیز از جمله کاربردهایی است که در طیف نمایی و طیف سنجی کاربرد فراوان دارد و این پدیده نتیجه وابستگی میزان انحراف نور به طول موج یا رنگ نور است.
  • قابلیت اندازه‌گیری ضریب شکست با دقت بالا برای هر طول موج نیز از دیگر کاربردهای منشور است.
  • توجه داشته باشید که منشور غیر از انحراف نور و وابستگی طول موجی آن، ویژگی‌های مهم دیگری نیز دارد. مانند بازتاب کلی (Total internal reflection) که به عنوان بخشی از سامانه‌های اپتیکی در جهت دادن تصویر کاربرد دارد.

 

 سؤال:

  • چرا اندازه گیری ضریب شکست با منشور دقت بیشتری از اندازه‌گیری با استفاده از یک تکه شیشه تخت دارد؟
  • چرا از زاویه حداقل انحراف برای اندازه‌گیری استفاده می‌شود؟
  • چه زمانی محاسبه ضریب شکست یک شیشه یا محیط شفاف در هر طول موج مهم است و کجا کاربرد دارد؟
  • طیف نما غیر از منشور برای پاشنده کردن نور، نیاز به یک شیار باریک برای ورود نور دارد. چرا؟
  • آیا می توانید برای ویژگی‌های مهم منشور مانند انحراف نور و وابستگی طول موجی انحراف نور توسط منشور کاربردهای دیگری را مثال بزنید؟

 

ایده پردازی:

  • منشوری تهیه کنید. ایده های مختلفی برای بکارگیری منشور است. ابتدا سعی کنید آن‌ها را تجربه کنید. این کاربردها شامل بکارگیری منشور برای تغییر جهت نور به جای آینه با مزیت‌های خاص خود، جدا کردن طول موج‌های مختلف هنگام عبور نور از منشور، انحراف نور، اندازه گیری ضریب شکست، تغییر جهت تصویر، تزویج نور در داخل موجبر، و …
  • هنگامی که برای بازتاب به جای آینه از منشور استفاده می‌کنید، این بازتاب، بازتاب کلی است. هرگونه اشاره یا اتصال به آن سطح باعث می‌شود نور در آنجا به جای بازتاب کلی نشت کند و در سمتی که بازتاب دیده می‌شود آثار این نشت نیز دیده خواهد شد. از این پدیده طرحی را برای ثبت اثر انگشت بدون جوهر، ارائه و اجرا کنید.
  • با چرخاندن منشور زاویه انحراف تغییر می‌کند. در شرایط خاصی انحراف به کمترین میزان خود می‌رسد. برای ارزیابی و مطالعه این شرایط می توانید از یک آرایه CCD استفاده کنید تا با دقت بالا زاویه حداقل انحراف بدست آید.
  • همانطور که گفته شد با چرخاندن منشور زاویه انحراف نور تغییر می‌کند ولی با نزدیک شدن به زاویه حداقل انحراف دوباره به انحراف برمی‌گردد. آیا ایده و یا کاربردی برای این رفت و برگشت نور می توانید بدهید؟
  • آیا کاربرد دیگری برای منشور می‌توانید پیشنهاد دهید؟

 

 

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