الانكسار: التعريف وقانون سنيل ومعامل الانكسار

عندما يمر شعاع الضوء من وسط إلى آخر - كما هو الحال عندما يخرج من بركة ماء ، أو عندما يمر عبر نظارتك - ربما لاحظت أنه ينحني. هذا يسمى الانكسار ، ويحدث في زوايا مختلفة اعتمادًا على الضوء الساقط والمادة. إنه أيضًا كيف يمكن للعينين رؤية الصور ونقلها إلى الدماغ

الانكسار هو انحناء أشعة الضوء أثناء مرورها من وسط إلى وسط آخر. إنه ناتج عن حقيقة أن الضوء ينتقل بسرعات مختلفة قليلاً في وسائط مختلفة. يعتمد مقدار انكسار شعاع الضوء على مدى اختلاف سرعته في الوسط الثاني عن الأول. كلما زاد الاختلاف في السرعات ، زادت زاوية الانكسار.

يمكنك التفكير في هذا باستخدام مبدأ أقل وقت. تخيل أحد رجال الإنقاذ يحاول الوصول إلى السباح ، بعيدًا عن الشاطئ وفي المياه ، في أقصر وقت ممكن. إنها تعلم أنها تستطيع الجري أسرع بكثير مما تستطيع السباحة. محاولة الوصول إلى السباح بالسفر في خط مستقيم لن تكون فعالة بسبب سرعتها البطيئة في السباحة مقارنة بسرعة جريها ؛ بدلاً من ذلك ، تجري على الشاطئ حتى تقترب من أمام السباح ، ثم تقفز في الماء.

المسافة التي تقطعها أطول ، لكن الوقت الذي تقطعه يكون أقصر بسبب سرعاتها المختلفة في الوسائط المختلفة. هذا ما يفعله الضوء عندما ينكسر.

يمكن أيضًا أن تنكسر موجات الماء عند السفر بين مناطق ذات أعماق مختلفة ، لأن الموجات ستنتقل بسرعات مختلفة اعتمادًا على ما إذا كانت في المياه الضحلة أو المياه العميقة.

مؤشر الانكسار لوسط معين هو رقم غير محددنأينن = ج / الخامس، أينجهي سرعة الضوء في الفراغ والخامسهي سرعة الضوء في المتوسط. كلما كان الضوء أبطأ ينتقل في وسط ، كلما ارتفع مؤشر انكسار هذا الوسط. ستعتمد سرعة الموجة الضوئية في الوسط على طولها الموجي ، وبالتالي سيعتمد معامل الانكسار كذلك.

هذا يؤدي إلى ظاهرة تسمىتشتتوالتي يمكن رؤيتها في مناشير الضوء: عند الضوء الأبيض الذي يحتوي على موجات ضوئية كثيرة مختلفة الأطوال الموجية ، تدخل المنشور ، تنكسر كل موجة ضوئية مكونة بزاوية مختلفة اعتمادًا على ذلك الطول الموجي. هذا يخلق مظهر قوس قزح.

يعتمد مؤشر الانكسار في الهواء على العديد من العوامل بما في ذلك الضغط ودرجة الحرارة. تحدث "الموجات" المنبعثة من الأجسام الساخنة مثل الرصيف في الصيف لأن الضوء ينكسر بشكل مختلف من خلال الهواء الأكثر سخونة من الهواء البارد ، مما يتسبب في صور مشوهة.

بالإضافة إلى ذلك ، يمكن للهواء القريب من طريق حار في الصيف أن يعكس الضوء الذي يتجه نحو المراقب بزاوية ضحلة ، مما يجعلها تبدو كما لو كانت هناك مرآة أو سطح مائي عاكس على السطح طريق.

يتعلق قانون سنيل بمؤشرات انكسار وسيطين ، وكذلك زاوية السقوطθ_أنالزاوية الانكسارθ_ص، كيف ينحني الضوء أثناء مروره من وسيط إلى آخر.

يمكن أن تتنبأ هذه المعادلة بالزاوية التي ينكسر فيها الضوء في وسط معين ، إذا كانت مؤشرات الانكسار لكل من الوسطين وزاوية السقوط معروفة. هذا صحيح في أي حالة تنطوي على انكسار الضوء ، بأي وسيطين.

إذا مرت الموجات الضوئية من وسط ذي مؤشر انكسار مرتفع إلى وسط بمؤشر انكسار أقل ، هناك زاوية حرجة ينحني فوقها الضوء بدرجة كافية بحيث لا ينتقل أي منها إلى الوسط الآخر. وهذا ما يسمى الانعكاس الداخلي الكلي.

الزاوية الحرجة هي زاوية سقوط الشعاع الخارج بزاوية انكسار 90 درجة. وبالتالي

عند الزوايا فوق الزاوية الحرجة ، يخضع كل الضوء لانعكاس داخلي كلي.

يوضح الانعكاس الداخلي الكلي لماذا ، من زاوية معينة ، سيبدو سطح الماء / الهواء في حوض للأسماك عند ملاحظته من الأسفل وكأنه مرآة مثالية. مؤشر انكسار الهواء أقل بكثير من الماء ، وبالتالي فإن موجات الضوء بزاوية ضحلة بالنسبة لـ سوف ينعكس السطح من الأسفل عن السطح بدلاً من الانكسار خلاله ، مما يؤدي إلى إنشاء ملف مرآة.

يمكن أن يحدث الانعكاس الداخلي الكلي أيضًا في موجات الماء والموجات الصوتية.

يمكن أن يتغير انكسار الضوء في الوسط عندما يكون السطح بين الوسطاء منحنيًا. في الواقع ، الضوء القادم من نفس الاتجاه سينكسر بزوايا مختلفة اعتمادًا على المكان الذي يصطدم به على السطح المنحني.

العدسات عبارة عن قطع من مادة شفافة ذات جوانب منحنية تستخدم الانكسار للتأثير على مسار الضوء. العدسة المتقاربة أكثر سمكًا في الوسط ، مما يسمح للأشعة الضوئية بالدخول من أحد جانبي العدسة إلى نقطة محورية على الجانب الآخر. هذا ما تستخدمه العدسات المكبرة وبعض التلسكوبات.

العدسة المقعرة أرق في المنتصف مما هي عليه عند الحواف ، والأشعة الضوئية الداخلة من جانب واحد تنكسر للخارج وتتباعد عند ظهورها على الجانب الآخر.

يتم استخدام كلا النوعين من العدسات في الرؤية التصحيحية ، سواء في النظارات أو العدسات اللاصقة ، اعتمادًا على طبيعة المشكلة في العين.

تفسر أعيننا الضوء باستخدام الانكسار. يدخل الضوء إلى القرنية ثم العدسة ، وينكسر إلى نقطة دقيقة في شبكية العين. ثم تنتقل الصورة إلى الدماغ عبر العصب البصري. تؤدي العيون الدامعة إلى عدم وضوح الرؤية بسبب الخصائص الانكسارية للدموع.

أي شيء يحتوي على ألياف بصرية يعتمد على الانعكاس الداخلي الكلي. تتمتع الألياف بمؤشر انكسار مرتفع وتحيط بها مادة ذات معامل انكسار منخفض للغاية. عندما ينتقل الضوء عبر الألياف ، تكون زاويته مع الجزء الخارجي من الألياف منخفضة بما يكفي لمنعه من الهروب. هذا يسمح للألياف بحمل ضوء شديد التركيز لمسافة كبيرة. تستخدم الألياف البصرية بشكل أساسي في خدمات الإنترنت والهاتف.

تحدث أقواس قزح بسبب انكسار وانعكاس ضوء الشمس عن قطرات الماء في الهواء. يمكن أن يحدث هذا بعد العواصف المطيرة أو في ظروف ضبابية ، ولكن أيضًا بالقرب من الشلالات والنوافير. كما ذكرنا من قبل ، الأطوال الموجية (الألوان) المختلفة للضوء لها مؤشرات انكسار مختلفة قليلاً لمادة معينة ، مما يجعلها تنكسر بزوايا مختلفة. ثم يرى المراقب قوس قزح من الألوان ، مرتبة حسب الطول الموجي.

الانكسار هو السبب في أن الماء في البركة يبدو ضحلًا مما هو عليه في الواقع. بمجرد دخول الضوء الموجود في الهواء إلى الماء ، فإنه ينحني بزاوية ضحلة مع السطح بسبب الانكسار. بالنسبة للمراقب على جانب "الهواء" من السطح ، يبدو أن كل شيء تحت السطح ضحل ، لأن الضوء ينحني بزوايا ضحلة.

تؤثر الزاوية الحرجة أيضًا على طريقة قطع الأحجار الكريمة. يمكن قطع الحجر الكريم بحيث يخضع الضوء الذي يدخله إلى انعكاس داخلي كلي عندما يضرب الجوانب الخلفية ، ويخرج من مقدمة الحجر مرة أخرى ليجعله يبدو أكثر إشراقًا. الماس ، ذو مؤشر الانكسار العالي ، مثالي بشكل خاص لهذا ، مما يجعله حجر كريم شائع.