כשקרן אור עוברת ממדיום אחד למשנהו - כמו כאשר היא יוצאת מבריכת מים, או כשהיא עוברת דרך משקפי הראייה שלך - יתכן ששמת לב שהיא מתכופפת. זה נקרא שבירה, וזה קורה בזוויות שונות בהתאם לאור האירוע והחומר. כך גם העיניים יכולות לראות ולהעביר תמונות למוח.
שבירת אור
שבירה היא כיפוף קרני האור כשהן עוברות ממדיום אחד למדיום שני. זה נובע מכך שאור נע במהירויות שונות במקצת במדיות שונות. עד כמה קרן האור נשברת, תלוי כמה שונה מהירותה במדיום השני מהראשון. ככל שהפרש המהירויות גדול יותר, כך זווית השבירה גדולה יותר.
אתה יכול לחשוב על זה תוך שימוש בעקרון הפחות זמן. תארו לעצמכם מציל מנסה להגיע לשחיין, הרחק בחוף ולצאת למים, בפרק הזמן הקצר ביותר האפשרי. היא יודעת שהיא יכולה לרוץ הרבה יותר מהר ממה שהיא יכולה לשחות. ניסיון להגיע לשחיין בנסיעה בקו ישר לא יעיל בגלל מהירות השחייה האטית שלה יחסית למהירות הריצה שלה; במקום זאת, היא רצה במורד החוף עד שהיא כמעט מול השחיין ואז קופצת למים.
המרחק שהיא עוברת הוא ארוך יותר, אך זמן הנסיעה קצר יותר בגלל המהירויות השונות שלה במדיומים שונים. זה מה שאור עושה כשהוא נשבר.
ניתן לשבור גלי מים גם בנסיעה בין אזורים בעומקים שונים מכיוון שגלים יעברו במהירויות שונות, תלוי אם הם נמצאים במים רדודים או במים עמוקים.
מדד שבירה
מדד השבירה של מדיום נתון הוא מספר ללא יחידהנאיפהn = c / v, איפהגהיא מהירות האור בחלל ריק וvהיא מהירות האור במדיום. ככל שהאור האיטי יותר נע במדיום, כך אינדקס השבירה של המדיום יהיה גבוה יותר. מהירות גל האור במדיום תהיה תלויה באורך הגל שלו, ולכן גם אינדקס השבירה.
זה מוביל לתופעה שנקראתפְּזִירָה, אשר ניתן לראות במנסרות קלות: כאשר אור לבן, המכיל גלי אור שונים רבים באורכי גל, נכנס לפריזמה, כל גל אור רכיב נשבר בזווית שונה בהתאם לו אֹרֶך גַל. זה יוצר מראה של קשת.
אינדקס השבירה באוויר תלוי בגורמים רבים כולל לחץ וטמפרטורה. ה"גלים "הנראים בוקעים מעצמים חמים כמו מדרכה בקיץ מתרחשים מכיוון שאור שובר בצורה שונה דרך אוויר חם יותר מאשר אוויר קריר יותר, וגורם לתמונות מעוותות.
בנוסף, אוויר ליד כביש חם בקיץ יכול למעשה להחזיר אור שמגיע לעבר צופה בזווית רדודה, וכך נראה כאילו יש מראה או משטח מים מחזיר אור על כְּבִישׁ.
חוק סנל
החוק של סנל מתייחס למדדי השבירה של שני מדיה, כמו גם לזווית ההיארעותθאנילזווית השבירהθר, לאופן בו האור מתכופף כשהוא עובר ממדיום אחד למשנהו.
n_i \ sin (\ theta_i) = n_r \ sin (\ theta_r)
משוואה זו יכולה לחזות את הזווית בה האור ישבור במדיום נתון, אם ידועים מדדי השבירה של שני המדיומים וזווית האירוע. זה נכון בכל מצב הכרוך בשבירת האור, בכל שני מדיומים.
השתקפות פנימית מוחלטת
אם גלי אור עוברים ממדיום עם אינדקס שבירה גבוה למדיום עם אינדקס שבירה נמוך יותר, יש זווית קריטית שמעליה האור הופך כפוף מספיק כדי שאף אחד ממנו לא יעבור למדיום האחר. זה נקרא השתקפות פנימית מוחלטת.
הזווית הקריטית היא זווית האירוע שלקרן היוצאת יש זווית שבירה של 90 מעלות. כך
\ theta_i = \ sin ^ {- 1} \ frac {n_i} {n_r}
בזוויות מעל הזווית הקריטית, כל האור עובר השתקפות פנימית מוחלטת.
השתקפות פנימית מוחלטת מסבירה מדוע, מזווית מסוימת, פני המים / האוויר במיכל הדגים כאשר הם נצפים מלמטה ייראו כמו מראה מושלמת. לאוויר אינדקס שבירה נמוך בהרבה ממים, ולכן גלי אור בזווית רדודה ל משטח מלמטה ישקף מעל פני השטח במקום להישבר דרכו וליצור מַרְאָה.
השתקפות פנימית מוחלטת יכולה להתרחש גם בגלי מים וגלי קול.
עדשות
שבירת האור במדיום יכולה להשתנות כאשר השטח בין המדיום מעוקל. למעשה, אור שמגיע מאותו כיוון ישבור בזוויות שונות, תלוי היכן על המשטח המעוקל שהוא פוגע.
עדשות הן חלקי חומר שקוף עם דפנות מעוקלות המשתמשות בשבירה כדי להשפיע על דרך האור. עדשה מתכנסת עבה יותר באמצע, ומאפשרת לקרני האור הנכנסות מצד אחד של העדשה להתכנס לנקודת מוקד בצד השני. בזה משתמשים משקפיים מגדילים וכמה טלסקופים.
עדשה קעורה היא דקה יותר באמצע מאשר בקצוות, וקרני אור הנכנסות מצד אחד נשברות כלפי חוץ ומתפשטות זו מזו כשהן מגיחות בצד השני.
שני סוגי העדשות משמשים בראייה מתקנת, בין אם במשקפיים או במגעים, תלוי מה הבעיה בעין.
דוגמאות
העיניים שלנו מפרשות אור באמצעות שבירה. אור נכנס לקרנית ואז לעדשה, ונשבר לנקודה מדויקת ברשתית. התמונה מועברת לאחר מכן למוח דרך עצב הראייה. עיניים דומעות מובילות לטשטוש ראייה בגלל תכונות השבירה של הדמעות.
כל דבר המכיל סיבים אופטיים מסתמך על השתקפות פנימית מוחלטת. הסיבים בעלי אינדקס שבירה גבוה והם מוקפים בחומר עם אינדקס שבירה נמוך מאוד. כאשר האור עובר דרך הסיב, הזווית שלו עם החלק החיצוני של הסיב נמוכה מספיק כדי למנוע ממנו לברוח. זה מאפשר לסיבים לשאת אור ממוקד מאוד למרחק רב. סיבים אופטיים משמשים בעיקר בשירותי אינטרנט וטלפון.
קשתות קשת נגרמות על ידי שבירה והשתקפות של אור השמש מטיפות מים באוויר. זה יכול לקרות לאחר סופות גשם או בתנאים ערפיליים, אך גם ליד מפלים ומזרקות. כאמור, באורכי גל שונים (צבעים) של אור יש אינדקסי שבירה שונים במקצת עבור חומר נתון, מה שגורם להם להישבר בזוויות שונות. צופה ואז רואה קשת צבעים, לפי סדר אורך הגל.
שבירה היא הסיבה לכך שמים בבריכה נראים רדודים מכפי שהם באמת. ברגע שאור באוויר נכנס למים, הוא מתכופף בזווית רדודה יותר לפני השטח בגלל שבירה. למתבונן בצד ה"אוויר "של המשטח נראה כאילו הכל מתחת לפני השטח רדוד יותר, מכיוון שהאור מכופף בזוויות רדודות יותר.
הזווית הקריטית משפיעה גם על אופן חיתוך אבני החן. ניתן לחתוך אבן חן כך שאור שנכנס אליה עובר השתקפות פנימית מוחלטת כאשר היא פוגעת בפן האחורי, ויוצאת שוב מקדמת האבן כדי לגרום לה להיראות בהירה יותר. יהלום, עם אינדקס שבירה גבוה, הוא אידיאלי במיוחד לכך והופך אותו לאבן חן פופולרית.