شکست نور و عمق ظاهری

شکست نور و عمق ظاهری

پرتوهای نور وقتی از یک محط شفاف وارد محیط شفاف دیگر می‌شوند از مسیر خود منحرف می‌شوند، این پدیده را شکست نور می‌گویند و جسم نزدیکتر از محل واقعی خود به نظر می‌رسد که اینرا عمق ظاهری می‌گویند.

دید کلی

هنگامی که نور به یک محیط شفاف وارد یا از آن خارج می‌شود ممکن است پرتوهای نور شکست یابند و اثرهای جالب و گاهی زیبا را پدید آورند. مثلا اگر به یک سکه در ته لیوانی پر از آب نگاه کنید سکه بالاتر از محل واقعی خود به نظر می‌رسد یا وقتی که یک قاشق را بطور مایل در لیوان آب فرو می‌برید آن را در محل ورود به آب شکسته می‌بینید. برعکس اگر جسم در هوا باشد و از محیط غلیظ به آن نگاه کنیم جسم دورتر به نظر می‌رسد. اگر به کف یک استخر نگاه کنید عمق آب کمتر از عمق واقعی به نظر می‌رسد، اگر در راستای نزدیک به خط قائم به کف استخر پر از آبی به عمق 5 متر نگاه کنید عمق آن تقریبا 4 متر به نظر می‌رسد.

 
قوانین شکست

• پرتو تابش و پرتو شکست و خط عمود بر سطح جدا کننده دو محیط شفاف هر سه در یک صفحه واقعند.
• برای دو محیط شفاف معین نسبت سینوس زاویه تابش به سینوس زاویه شکست مقداری است. این مقدار ثابت را به n نشان می‌دهند و آنرا ضریب شکست می‌نامند. قوانین شکست را قوانین اسنل - دکارت می‌گویند. اگر سرعت نور را در هوا به V و در محیط شفاف بهV نمایش دهیم با اندازه گیریهایی که در مورد سرعت نور به عمل آمده ، معلوم شده است که n = V/V است.
ضریب شکست مطلق و نسبی
هر گاه یک دسته پرتو نور از خلأ وارد محیط شفافی شوند n = Sini/Sinr را ضریب شکست مطلق می‌نامند. چنانچه نور از یک محیط شفاف (مثل آب) وارد محیط شفاف دیگری مثل (شیشه) شود، نسبت Sini/Sinr ، ضریب شکست نسبی خواهد بود. اگر ضریب شکست مطلق محیط اول n1 و ضریب شکست مطلق محیط دوم n2 باشد، ضریب شکست نسبی این دو محیط عبارت خواهد بود از:

n = n2/n1

وقتی که نوری با فرکانس معین از محیط شفافی به ضریب شکست n1 وارد محیط شفاف دیگری به ضریب شکست n2 می شود، بسامد آن تغییر نمی‌کند، در نتیجه تغییر سرعت نور در محیط دوم به نسبت n1/n2 باعث تغییر طول موج نور به نسبت n1/n2 می‌شود. در این صورت داریم:

λ2 = n1/n2 λ1 که در آن λ1 و λ2 طول موج نور در دو محیط هستند.

دیوپتر

فصل مشترک دو محیط شفاف دیوپتر نامیده می‌شود (مانند سطح آب یا شیشه) ، دیوپتر ممکن است مسطح یا کروی باشد. چگونگی وضع تصویر نسبت به دیوپتر:
جسم در محیط غلیظ قرار گرفته است
• در این حالت تصویر به سطح دیوپتر نزدیک می‌شود.
• فاصله تصویر تا دیوپتر از رابطه /xtanr/tanr=x بدست می‌آید که در آن x فاصله جسم و x فاصله تصویر تا دیوپتر است x را عمق واقعی و x را عمق ظاهری می‌نامند.
• اگر به طور عمود نگاه کنیم زوایای i و r کوچک می‌شوند و = x/nx را داریم که در آن n ضریب شکست محیط غلیظ نسبت به رقیق است.
• برای تابش عمودی فاصله جسم تا تصویر برابر است با:(x(1 - 1/n
جسم در محیط رقیق قرار گرفته است.
• در این حالت تصویر از سطح دیوپتر دورتر می‌شود.
• برای تابش عمودی فاصله تصویر تا دیوپتر از رابطه = nxx بدست می‌آید.
• برای تابش عمودی فاصله جسم تا تصویر برابر (x(n - 1 است.
علت شکسته به نظر رسیدن خط کش در آب
پرتوهای نور که از انتهای خط کش به سطح آب می‌تابند هنگام خروج شکست یافته و از خط عمود دور می‌شوند و به چشم ما می‌رسند و به نظر می‌رسد این پرتوها از تصویر مجازی نقطه انتهای خط کش که بر کف تکیه دارد به چشم رسیده‌اند. به همین ترتیب نقاط دیگر خط کش نیز قدری بالاتر از محل واقعی خود دیده می‌شود. در نتیجه تصویر آن قسمت از خط کش که در آب قرار دارد به صورت مجازی در راستایی بالاتر از راستای واقعی خط کش تشکیل می‌شود.

طریقه رسم و پیدا کردن عمق ظاهری

• فرض کنید سکه‌ای را در ته استخر قرار داده‌اید، ابتدا از محل سکه خط عمود در راستای قائم رسم کنید طوریکه تمام ارتفاع استخر را پوشش دهد.
• خط عمودی دیگری در محلی از سطح استخر که به استخر نگاه می‌کنید رسم کنید.
• پرتوی از محل سکه به محلی که نگاه می‌کنید رسم کنیم، این پرتو چون به محیط جدایی دو محیط رسیده است، بعد از خروج شکست خواهد یافت.
• پرتو شکست یافته را در بیرون استخر رسم کنید.
• پرتو شکست یافته را در محیط غلیظ ادامه دهید تا خط عمودی را که در ابتدا رسم کرده‌ایم، قطع کند.
• فاصله این نقطه تا سطح دیوپتر عمق ظاهری است.