درس ۱ · صفحهٔ ۱۳۶ تا ۱۳۹ · حدود ۱۳ دقیقه · تولید هوش مصنوعی
شکست نور
در این درس یاد میگیری شکست نور را تشخیص بدهی، جهت تغییر مسیر نور را در مرز محیطهای شفاف پیشبینی کنی و دیدهشدن سکه در آب و مسیر نور در منشور را توضیح بدهی.
پیش از شروع
سکهای در کف یک کاسه است و لبهٔ کاسه نمیگذارد آن را ببینی. چطور ممکن است فقط با ریختن آب، بدون جابهجاکردن سکه یا سرت، دوباره آن را ببینی؟
آب مسیر نورِ رسیده از سکه را هنگام خروج به هوا تغییر میدهد؛ به این تغییر مسیر، شکست نور میگوییم. در نتیجه، نور میتواند به چشم تو برسد و سکه دوباره دیده شود، بیآنکه واقعاً جابهجا شده باشد.
چه وقت مسیر نور میشکند؟
نور در یک محیط شفاف یکنواخت، مانند هوا، در مسیر مستقیم پیش میرود. اما وقتی به مرز دو محیط شفاف متفاوت، مثل هوا و شیشه، میرسد، جهت تابش اهمیت پیدا میکند. اگر نور مایل به این مرز برسد، مسیرش تغییر میکند؛ این همان شکست نور است.
یک حالت مهم را جدا به خاطر بسپار: اگر نور عمود بر سطح بتابد، بدون تغییر جهت به مسیر خود ادامه میدهد. برای تصور این حالت، خطی را در نظر بگیر که درست بر سطح شیشه عمود است و پرتو روی همان خط حرکت میکند. پس هر عبوری از هوا به شیشه، لزوماً با تغییر جهت همراه نیست. در آزمایش کتاب، چرخاندن تیغه باعث میشود تابشِ عمودی به تابشِ مایل تبدیل شود.
کتاب درسی، صفحهٔ ۱۳۶
نزدیک یا دور از خط عمود؟
برای تشخیص جهت شکست، ابتدا در محل برخورد نور، خط عمود بر سطح را در ذهن رسم کن. این خط یک راهنمای فرضی است، نه بخشی از وسیلهٔ آزمایش. نزدیکشدن یا دورشدن نور را نسبت به همین خط میسنجیم، نه نسبت به خود سطح.
در مقایسهٔ هوا و شیشه، هوا محیط رقیق و شیشه محیط غلیظ نامیده میشود؛ منظور در اینجا رفتار نوری این دو محیط است. وقتی نور مایل از هوا وارد شیشه میشود، به خط عمود نزدیک میشود. برعکس، وقتی مایل از شیشه به هوا میرود، از خط عمود دور میشود. بنابراین برای پیشبینی مسیر، اول بپرس «نور از کدام محیط به کدام محیط میرود؟» و بعد جهت شکست را تعیین کن.
کتاب درسی، صفحهٔ ۱۳۸
سکه چرا دوباره پیدا میشود؟
حالا به معمای سکه برگردیم. برای دیدن سکه، باید نور از آن به چشم برسد. وقتی کاسه خالی است و کمی عقب میروی، لبهٔ کاسه جلوی مسیر نور به چشم را میگیرد؛ به همین دلیل سکه دیده نمیشود.
اگر بدون تغییر جای سر، آرام در کاسه آب بریزی، نورِ رسیده از سکه هنگام عبور از آب به هوا میشکند. این تغییر مسیر باعث میشود نور بتواند به چشم تو برسد و سکه دوباره دیده شود. سکه بالا نیامده است؛ مسیر نور تغییر کرده است. اگر این فعالیت را انجام میدهی، کاسه و سکه را ثابت نگه دار و سرت را جابهجا نکن تا مطمئن شوی دیدهشدن دوبارهٔ سکه به افزودن آب مربوط است.
کتاب درسی، صفحهٔ ۱۳۸
مسیر نور در منشور
منشور یک جسم شفاف شیشهای یا پلاستیکی است که قاعدهٔ آن معمولاً شکل مثلث دارد. وجههایی که نور از آنها وارد و خارج میشود، در آزمایش کتاب با هم موازی نیستند. باریکهٔ نور پس از عبور از منشور، در جهتی متفاوت از امتداد اولیهٔ خود حرکت میکند.
برای دنبالکردن مسیر، دو مرز را جدا بررسی کن: در ورود مایل از هوا به منشور، نور به خط عمود نزدیک میشود؛ در خروج مایل از منشور به هوا، از خط عمود دور میشود. هر وجه، خط عمود مخصوص خودش را دارد. پس نباید خط عمودِ وجه ورودی را برای وجه خروجی هم به کار ببری. میتوان نور خروجی را روی کاغذ سفید دنبال کرد؛ اگر آزمایش با لیزر انجام میشود، هرگز آن را به چشم کسی نتابان.
کتاب درسی، صفحهٔ ۱۳۹
مثال حلشده
پرتوی نور بهطور مایل از محیط شفاف اول وارد محیط شفاف دوم میشود و به خط عمود نزدیک میشود. کدام محیط رقیقتر است؟ اگر نور همین مسیر را برعکس طی کند، نسبت به خط عمود چگونه تغییر جهت میدهد؟
ابتدا جهت حرکت را مشخص میکنیم: نور از محیط اول به محیط دوم وارد شده است.
نشانهٔ دادهشده را بررسی میکنیم: پرتو پس از ورود به محیط دوم به خط عمود نزدیک شده است.
نزدیکشدن به خط عمود نشاندهندهٔ ورود از محیط رقیق به محیط غلیظ است؛ پس محیط اول رقیقتر است.
در مسیر برگشت، نور از محیط دومِ غلیظتر به محیط اولِ رقیقتر میرود؛ بنابراین از خط عمود دور میشود.
نکات مهم
- نور هنگام عبور مایل بین دو محیط شفاف متفاوت تغییر مسیر میدهد، اما در تابش عمودی تغییر جهت نمیدهد.
- نور از محیط رقیق به غلیظ به خط عمود نزدیک میشود و از محیط غلیظ به رقیق از آن دور میشود.
- شکست نور میتواند سکهٔ پنهان پشت لبهٔ کاسه را دیدنی کند و جهت باریکهٔ نور را پس از عبور از منشور تغییر دهد.