شکست نور چیست؟ علت، کاربرد و قوانین
شاید تا به حال دیده باشید که وقتی قاشقی را در لیوان آب میگذاریم، به نظر میرسد شکسته یا کج شده است. این اتفاق بهدلیل پدیدهای به نام شکست نور رخ میدهد. در تحقیق شکست نور یاد میگیریم که وقتی نور از محیطی مانند هوا وارد محیطی دیگر مانند آب یا شیشه میشود، مسیرش انحراف پیدا میکند. این تغییر مسیر باعث میشود اجسام در جای دیگری قابل مشاهده باشند. شناخت این پدیده به ما کمک میکند علت بسیاری از موضوعاتی که در کتاب های علمی نوجوانان بررسی میشوند، قابل درک باشد. برای مثال عدسیها و عینکها چطور کار میکنند یا رنگینکمان چگونه تشکیل میشود. در این مقاله همراه ما باشید تا توضیح دهیم شکست نور چیست.
شکست نور چیست؟
شکست نور چیست؟ سوالی که همه ما با آن در کتاب علوم پنجم و کتاب علوم هشتم مواجه شدیم. شکست نور، پدیدهای از نورشناسی است که وقتی نور از یک منبع نور طبیعی یا مصنوعی مانند خورشید، ستارهها یا لامپ از یک محیط شفاف به محیط شفاف دیگری وارد میشود، اتفاق میافتد.
در واقع این پدیده میتواند هنگام عبور نور از محیط با چگالی بیشتر (غلیظ) به محیط با چگالی کمتر (رقیق) یا بالعکس اتفاق بیفتد. اگر بخواهیم بگوییم علت پدیده شکست نور چیست باید به تغییر سرعت در 2 محیط اشاره کنیم که باعث تفاوت در ضریب شکست و در نهایت تغییر مسیر میشود. بهترین اختراعات جهان از جمله عدسی، عینک، لنز و منشور بر اساس ارتباط نور و شکست نور ساخته شدند. به طور خلاصه، تعریف شکست نور عبارت است از:
خم شدن یا انحراف مسیر پرتو نور هنگام ورود از یک محیط شفاف به محیط شفاف دیگر (محیط با چگالی بیشتر (غلیظ) به محیط با چگالی کمتر (رقیق) یا بالعکس)
علت شکست نور چیست؟
اکنون که میدانیم شکست نور یعنی چه خیلی راحتتر میتوانیم توضیح دهیم که علت اصلی شکست نور چیست. علت شکست مربوط به تغییر سرعت نور است. سرعت نور در محیطهای شفاف مختلف، فرق میکند؛ در خلاء (تقریبا هوا) برابر 299,792,458 متر بر ثانیه (حدود 300,000 کیلومتر بر ثانیه) و مقدار آن در محیطهای شفاف مانند آب، شیشه و… کمتر است.
با تغییر غلظت در محیط حرکت نور، سرعت آن هم تغییر میکند؛ یعنی با افزایش غلظت، سرعت کاهش پیدا میکند و بالعکس. برای مثال اگر یک لیوان آب داشته باشیم، با توجه به محل تابش نور و تغییر محیط آن، مدل شکست نور هم متفاوت خواهد بود:
- اگر نور از محیط رقیق به غلیظ (آب به هوا) وارد شود: با فرض وجود خط عمود روی مرز آب و هوا، نور به خط عمود نزدیکتر میشود.
- اگر نور از محیط غلیظ به رقیق (شیشه به هوا) وارد شود: نور از خط عمود دورتر میشود.
- اگر نور به صورت عمود (مستقیم) بر سطح جداکننده بتابد: جهت بدون تغییر است و فقط سرعت فرق میکند.
5 مثال از شکست نور
شکست نور یکی از کاربردیترین دانستنی های علمی برای کودکان و حتی نوجوانان است. اگر میخواهید به درک بهتری از این موضوع برسید که شرایط شکست نور چیست، باید با مثالهای بیشتری آشنا شوید که در ادامه توضیح میدهیم:
- مثال اول: یک سکه را در لیوان آب قرار دهید. وقتی به آن نگاه میکنید، سکه کمی بالاتر از محل واقعی خود دیده میشود.
- مثال دوم: وقتی یک قاشق را به صورت مایل داخل لیوان آب میگذارید، آن را در محل ورود آب به صورت شکسته میبینید.
- مثال سوم: وقتی داخل استخر هستید و از درون آب به آدمها در محیط بیرون از استخر نگاه میکنید، آنها را دورتر و بالاتر از محل واقعی خود میبینید.
- مثال چهارم: اگر از بیرون به آب کف استخر نگاه کنید، عمق آب استخر کمتر از مقدار واقعی آن به نظر میرسد.
- مثال پنجم: وقتی دست خود را زیر آب میبرید نسبت به بخشهایی از دست که زیر آب نیستند، متوجه انحراف میشوید.
کودکان و نوجوانان برای اینکه با این مفهوم دقیقتر آشنا شوند و بدانند پدیده شکست نور چیست باید کتابهای بیشتری بخوانند و حتی آن را در مثالهای واقعی ببینند. کتاب آزمایش های علمی برای کودکان منبع خوبی برای انجام آزمایشهای مختلف و مشاهده پدیدههای علمی در واقعیت است.
کاربردهای شکست نور
اکنون میدانیم شکست نور چیست و برای پاسخ دقیقتر به این سوال، قصد داریم کاربردهای این پدیده را هم بررسی کنیم. شاید برایتان جالب باشد که کاربرد شکست نور هم دقیقا به علت آن یعنی تغییر سرعت نور مربوط میشود.
با استفاده از شکست نور میتوان نور سفید یا نورهای مخلوط از چندین طول موج را به موجهای تشکیلدهنده آن، تجزیه کرد. ایزاک نیوتن از بزرگترین مخترعان جهان بود که برای اولین بار، این کار را به وسیله منشور انجام داد. شکست نور با توجه به تغییر سرعت نور در طول موجهای مختلف، اتفاق میافتد. هرچه طول موج بیشتر باشد، سرعت نور هم در آن محیط بیشتر میشود. برای مثال تشکیل رنگینکمان، دستگاههای نوری پزشکی و اینترنت فیبر نوری نمونههایی از کاربرد شکست نور در زندگی هستند. شما میتوانید با انجام آزمایش علوم ساده برای کودکان و حتی نوجوانان، آنها را بهتر با این پدیده و کاربرد آن در زندگی واقعی آشنا کنید.
شکست نور در منشور
منشور، وسیلهای از جنس شیشه یا پلاستیک شفاف است که کار تجزیه نور را انجام میدهد. معمولا منشورها را به شکل هرم میسازند که قاعده آنها به شکل مثلث است. این وسیله، یکی از بهترین ابزارها برای پاسخ به این سوال است که شکست نور چیست. وقتی منشور را مقابل نور خورشید میگیرید و نور از آن عبور میکند، به طیف رنگهای تشکیلدهنده خود، تجزیه میشود.منشور در یکی از آزمایشهای معروف ایزاک نیوتن هم استفاده شد که با کمک نور خورشید که از پنجره میتابید، نور را به وسیله منشور به طیفهای رنگی مختلفی تجزیه کرد. نوجوانانی که به دانشمندان یا ماجراجویی و کشف مسائل علمی علاقه دارند، بهتر است کتاب های علمی نوجوانان را تهیه کنند که در قالب کتابهای علمی–تخیلی هستند.
شکست نور در عدسی
عدسی هم وسیلهای از جنس شیشه یا پلاستیک شفاف است که نور را از خود عبور میدهد. عدسی حداقل یک سطح خمیده دارد و از آن برای تغییر جهت نور استفاده میشود. با توجه به اینکه عدسیها، شکلهای مختلف محدب و مقعر دارند، میتوانند پرتوهای نور را از هم دور یا به هم نزدیک کنند.
عدسی محدب
در عدسی محدب یا همگرا، لبههای عدسی نازکتر از سطح آن هستند. به همین دلیل سطح این عدسی به صورت برآمده است. وقتی پرتوهای نور از این عدسی عبور میکنند، به یکدیگر نزدیک و در یک نقطه متمرکز میشوند که به آن کانون عدسی میگویند. عدسی همگرا یا محدب که اجسام را بزرگتر از اندازه واقعیشان نشان میدهد، در وسیلههایی مانند ذرهبین استفاده میشود.
عدسی مقعر
در عدسی مقعر یا عدسی واگرا، لبههای عدسی ضخیمتر از سطح آن هستند. به همین دلیل سطح این عدسی، فرورفته است. وقتی نور از عدسی مقعر عبور میکند، پرتوهای آن پراکنده و از هم دور میشوند. این عدسی، اجسام را کوچکتر از اندازه واقعیشان نشان میدهد.
عوامل مؤثر بر میزان شکست نور
بعد از بررسی این پدیده، علت و کاربرد آن، اکنون نوبت به این سوال میرسد که عوامل مؤثر بر شکست نور چیست. جنس محیط و زاویه برخورد نور از عواملی هستند که بر میزان شکست نور تأثیر میگذارند. بر اساس جنس محیط، هرچه محیط چگالی بیشتری داشته باشد، غلیظتر و سرعت نور در آن محیط کمتر است. همچنین بر اساس زاویه برخورد نور، هر چه نور با زاویه بزرگتری از محیط اول وارد محیط دوم شود، زاویه شکست نور هم بزرگتر خواهد بود.
شکست و بازتاب نور
وقتی نور از یک محیط غلیظ به رقیق وارد میشود یا بالعکس، نور در مرز بین دو محیط میشکند و مسیر آن از خط عمود، دور یا به آن نزدیک میشود. در صورتی که زاویه تابش (زاویهای که پرتو نور با خط عمود میسازد) بیشتر شود، مسیر پرتو شکسته شده در امتداد مرز دو محیط قرار میگیرد؛ یعنی دیگر وارد محیط دوم نمیشود و روی سطح جداکننده قرار میگیرد. به این زاویه، زاویه حدی شکست یا به اختصار، زاویه حدی میگویند.
قوانین شکست نور
برای اینکه متوجه شویم نور هنگام عبور از یک محیط به محیط دیگر چطور رفتار میکند، بهتر است بدانیم قوانین شکست نور چیست. دو قانون شکست نور عبارتند از:
- قانون اول: نور همیشه در یک صفحه حرکت میکند؛ یعنی پرتو تابیده شده، خط عمودی روی سطح و پرتو شکسته شده، همه در یک صفحه قرار دارند و بیرون از آن نمیروند.
- قانون دوم: دانشمندی به نام اسنل (Snell) این قانون را کشف کرد که بین زاویهای که نور میتابد و زاویهای که میشکند، رابطهای ثابت وجود دارد. طبق قانون اسنل، اگر سینوس زاویه تابش را بر سینوس زاویه شکست تقسیم کنیم، همیشه به عدد ثابتی میرسیم که به ویژگیهای دو محیط بستگی دارد، نه به زاویه تابش. به زبان سادهتر، وقتی نور از محیطی به محیط دیگر میرود، میزان خم شدن آن به نوع دو محیط وابسته است.
سخن پایانی
نور، یکی از عناصر اساسی زندگی ماست و مطالعه آن همواره جذابیت خاصی دارد. با مشاهده و تحقیق رفتار نور میتوانیم پدیدههای مختلف طبیعی و علمی را توضیح دهیم. در این مقاله هم بررسی کردیم منظور از شکست نور چیست. تغییر مسیر نور هنگام عبور از محیطهای مختلف باعث به وجود آمدن تصاویر جالب و زیبایی مانند رنگینکمان یا کج دیده شدن اشیا در آب میشود. پاسخ به این سوال که شکست نور چیست و بررسی قوانین آن، زمینه را برای پیشرفت در تکنولوژیهایی مانند عدسیها، دوربینها و فیبر نوری فراهم میکند و نشان میدهد که حتی پدیدههای روزمره هم پر از شگفتی و کشفهای علمی هستند.
