آب کدام لیوان شیرین تر است؟

محاسبه ضریب شکست مایع با اندازه گیری زاویه شکست

 

 مقدمه:

به نظر شما اگر دریک لیوان آب، مقداری قند یا شکر اضافه کنیم، سرعت نور در آن تغییر می‌کند؟

برای پاسخ به این سوال، بهتر است کمی به اختلاف سرعت حرکت، در پیاده رو شلوغ و خلوت فکر کنید! البته دقت کنید این فقط یک مثال است و ماهیت نور به هیچ‌ وجه با این مثال تشابه ندارد.

سرعت نور، از یک طرف به شرایط محیطی از جمله شلوغی یا به عبارت علمی‌تر چگالی محیط و از طرف دیگر به جنس آن بستگی دارد. بنابر‌این سرعت نور با عبور از یک محیط شفاف به محیط دیگر تغییر می‌کند و تابعی از ویژگی‌های دو محیط  است. سرعت نور در هوا بیشتر از سایر محیط‌ها و برابر با ۳۰۰ هزار کیلومتر در ثانیه است. اگر نور وارد محیط غلیظ‌تر شود، سرعت آن کاهش می‌یابد. میزان این کاهش به جنس محیط بستگی دارد به همین دلیل میزان کاهش سرعت نور در آب شکر با آب نمک متفاوت است. همچنین اگر غلظت همان آب شکر را تغییر بدهیم، سرعت نور باز هم تغییر می‌کند. کمیتی که نمایانگر این تغییر سرعت نور است و جنس محیط را برای سرعت انتشار نور مشخص می‌کند، ضریب شکست نامیده می‌شود. ضریب شکست هوا را با خلا یکی می‌گیریم و فرض می‌کنیم سرعت نور در هوا همان ۳۰۰ هزار کیلومتر بر ثانیه و ضریب شکست یک باشد. ضریب شکست بقیه محیط‌های شفاف مثل شیشه، آب، آب شکر و غیره بیشتر از یک است و در نتیجه سرعت نور در آن‌ها کمتر از مقدار بالا است.

اگر نور از هوا وارد یک محیط شفاف (مانند آّب) شود، به خاطر تغییر سرعت، دچار شکست می‌شود. بنابراین ما می‌توانیم با اندازه‌گیری میزان شکست پرتو در آن، ضریب شکست را بدست آوریم. اگر محیط شفاف محلول آب و شکر باشد این ضریب شکست معیاری از غلظت مایع است و با مشخص کردن آن می‌توانیم آب  شیرین‌تر را حدس بزنیم!

رابطه تغییر زاویه پرتو نور هنگام تابیدن نور به سطح آب را رابطه اسنل می‌نامند:

(n1 sin(θ1) = n2 sin(θ2

این رابطه نشان می‌دهد که اگر پرتو نور به صورت مایل به سطح مایع بتابد زاویه آن تغییر می‌کند و دچار شکست می‌شود. مانند شکسته شدن قاشق در لیوان آب که به طور روزمره شاهد آن هستیم. همچنین باید خاطرنشان کرد که رابطه اسنل، نشان می‌دهد که اگر پرتو نور به صورت عمودی به سطح آب بتابد، دچار شکست نخواهد شد.

 

هدف:

در اینجا  قصد داریم ضریب شکست مایع را با اندازه‌گیری زاویه شکست نور لیزر پس از تابیدن به سطح مایع و در نتیجه سرعت نور و همچنین غلظت شکر افزوده شده را که موجب افزایش ضریب شکست شده است، بدست آوریم. هرچند دقت این اندازه‌گیری چندان بالا نیست ولی حداقل دید خوبی از تغییر سرعت نور در محیط با تغییر غلظت شکر می‌توان تخمین زد.

 

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

اگر محلول آب و شکر، با غلظت‌های مختلف را در یک ظرف با سطوح تخت (مثل یک آکواریوم) بریزیم و نور لیزر را با زاویه مناسب به آن بتابانیم می‌‌توانیم  با اندازه‌گیری زاویه شکست، ضریب شکست را تخمین بزنیم.

برای انجام این آزمایش به اقلام زیر نیاز داریم:

 

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

  • تکنیک اندازه‌گیری زاویه پرتو لیزر
  • تکنیک موازی‌سازی پرتو لیزر با میز

 

آزمایش:

  • ابتدا چند محلول آب و شکر با غلظت‌های متفاوت درست کرده و مقدار شکر و آب مصرفی را درهر مورد یادداشت کنید.
  • لیزر را روی نگهدارنده نصب کرده و آن را با سطح همتراز نمایید. توجه داشته باشید که در طول آزمایش، لیزر جابجا نشود.
  • یک کاغذ میلی‌متری روی میز آزمایش قرار داده و با چسب محکم کنید.
  • آکواریوم را روی کاغذ و مقابل لیزر قرار دهید.برای اینکه نتایج قسمت‌های مختلف آزمایش قابل مقایسه با یکدیگر باشند، بایستی موقعیت لیزر و آکواریوم در تمام مراحل آزمایش ثابت باشد، به همین دلیل پیشنهاد می‌شود که محیط آکواریوم را روی کاغذ شطرنجی رسم کنید تا در صورت جابجایی، بتوانید آن‌ را سر جای خودش برگردانید.
  • غلیظ ترین محلول آب و شکر خود را به آرامی درون آکواریوم بریزید. دقت کنید کاغذ شطرنجی خیس نشود.
  • لیزر را روشن کنید. خواهید دید که پرتو لیزر تابیده شده به آکواریوم، از وجه مقابل و موازی با پرتو اولیه خارج می‌شود و البته زاویه تابش بیشتر، زاویه شکست بیشتری ایجاد کرده و دقت اندازه‌گیری را افزایش می‌دهد. امتداد مسیر پرتو لیزر را روی کاغذ شطرنجی رسم کنید. برای این کار می‌توانید با کمک یک قوطی (که تابش لیزر را خوب نمایان می‌کند) نقطه ورود و خروج پرتو از آکواریوم را روی صفحه شطرنجی علامت بزنید. با اتصال این نقاط به یکدیگر، مسیر پرتو فرودی و شکسته شده در آکواریوم را خواهید داشت.

  • زاویه تابش و شکست را اندازه بگیرید.
  • با استفاده ازرابطه اسنل، ضریب شکست محلول را محاسبه کنید.
  • مقابل نقطه خروج پرتو از آکواریوم، که پیش از این مشخص کرده‌اید، ضریب شکست و غلظت محلول را بنویسید.
  • حال آکواریوم را خالی کرده و محلول بعدی را درون آن بریزید. دقت کنید که آکواریوم را دقیقا در موقعیتی که در ابتدای آزمایش علامت زدید، برگردانید.
  • این بار هم، مثل مرحله قبل، زاویه تابش و شکست را یافته و ضریب شکست را محاسبه کنید.
  • مقابل نقطه خروج پرتو، ضریب شکست و غلظت محلول را بنویسید.
  • این مراحل را برای سایر محلول‌ها انجام داده و نتایج را مقایسه کنید و سرعت نور در هر محلول را بدست آورید.

حال شما دستگاهی دارید که می‌توانید با کمک آن غلظت و ضریب شکست مجهول هر محلول آب و شکر دیگر را تخمین بزنید. به این فرآیند که طی آن، نتایج آزمایش را به گونه‌ای مرتب کنیم که با استفاده از آن‌ها سایر مقادیر مجهول برآورد گردد ، کالیبره کردن دستگاه می‌گویند. با کالیبره کردن این دستگاه منظورمان مشخص کردن غلظت و ضریب شکست برای چند محلول مشخص است که بر اساس آن مقدارها، بتوانیم غلظت و ضریب شکست محلول مجهول را بدست آوریم.

کاربرد:

  • اندازه‌گیری ضریب شکست و غلظت مجهول مایعات در شیمی و صنایع غذایی

 

سؤال، پیشنهاد و نکته:

  • دو محلول مختلف را در یک ظرف دیگر ریخته و ضریب شکست محلول جدید را بدست آورید. به نظر شما سرعت نور در محلول جدید رابطه‌ای منطقی با غلظت دو محلول دارد یا نه؟
  • زاویه تابش را زیاد کنید. آیا می‌توانید به زاویه حد برسید؟ در چه شرایطی به زاویه حد می‌رسید؟ دقت اندازه‌گیری برای زاویه حد بیشتر است یا زوایای دیگر؟

 

ایده‌پردازی:

دستگاهی برای اندازه‌گیری ضریب شکست بر این اساس بسازید.

 

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