הנוסחה לחוק שבירת האור - מקרים כלליים ופרטיים

חוק שבירה של האור משמש בתחומים שונים ומאפשר לקבוע כיצד יתנהגו הקרניים כשהן פוגעות ממדיום אחד למשנהו. קל להבין את התכונות של תופעה זו, את הסיבות להתרחשותה ועוד ניואנסים חשובים. כדאי גם להבין את סוגי השבירה, שכן יש לכך חשיבות רבה בחישוב ובשימוש מעשי בעקרונות החוק.

לרוב, דוגמה טובה מוצגת עם קשית או כפית בכוס מים שקופה.

מהי תופעת שבירת האור

כמעט כולם מכירים את התופעה הזו, כפי שהיא נתקלת בהרחבה בחיי היומיום. לדוגמה, אם אתה מסתכל על תחתית מאגר עם מים צלולים, זה תמיד נראה קרוב יותר ממה שהוא באמת. ניתן להבחין בעיוות באקווריומים, אפשרות זו מוכרת כמעט לכולם.אבל כדי להבין את הנושא, יש צורך לשקול כמה היבטים חשובים.

סיבות לשבירה

כאן יש חשיבות מכרעת למאפייני המדיות השונות שדרכן עובר שטף האור. הצפיפות שלהם לרוב שונה, ולכן האור נע במהירויות שונות. זה משפיע ישירות על תכונותיו.

כאשר קרן שמש עוברת דרך פריזמה, היא מתפרקת לכל צבעי הספקטרום.

כאשר עוברים ממדיום אחד למשנהו (בנקודת החיבור שלהם), האור משנה את כיוונו עקב הבדלי צפיפות ותכונות אחרות. הסטייה יכולה להיות שונה, ככל שההבדל במאפייני התקשורת גדול יותר, כך בסופו של דבר העיוות גדול יותר.

דרך אגב! כאשר האור נשבר, חלק ממנו תמיד מוחזר.

דוגמאות מהחיים האמיתיים

ניתן לפגוש דוגמאות לתופעה הנבחנת כמעט בכל מקום, כך שכולם יכולים לראות כיצד השבירה משפיעה על תפיסת העצמים. האפשרויות האופייניות ביותר הן:

1. אם תניח כפית או שפופרת בכוס מים, תוכל לראות כיצד חזותית החפץ מפסיק להיות ישר וסטה, החל מהגבול של שתי סביבות. אשליה אופטית זו משמשת לרוב כדוגמה.
2. במזג אוויר חם, אפקט השלולית מתרחש לעתים קרובות על המדרכה. זאת בשל העובדה שבמקום ירידת טמפרטורה חדה (ליד כדור הארץ עצמו), הקרניים נשברות כך שהעיניים רואות השתקפות קלה של השמיים.
3. מיראז'ים מופיעים גם כתוצאה משבירה. הכל הרבה יותר מסובך כאן, אבל יחד עם זאת, התופעה הזו מתרחשת לא רק במדבר, אלא גם בהרים ואפילו בנתיב האמצעי. אפשרות נוספת היא כאשר אובייקטים שנמצאים מאחורי קו האופק גלויים.
   מיראז' הוא אחד מפלאי הטבע, המתרחש בדיוק בגלל שבירת האור.
4. עקרונות השבירה משמשים גם בחפצים רבים המשמשים בחיי היומיום: משקפיים, זכוכית מגדלת, חורי הצצה, מקרנים ומכונות מצגות, משקפות ועוד ועוד.
5. סוגים רבים של ציוד מדעי פועלים על ידי יישום החוק המדובר. זה כולל מיקרוסקופים, טלסקופים ומכשירים אופטיים מתוחכמים אחרים.

מהי זווית השבירה

זווית השבירה היא הזווית שנוצרת עקב תופעת השבירה בממשק בין שני מדיות שקופות בעלות תכונות העברת אור שונות. זה נקבע מקו מאונך המצויר למישור השבור.

אם נוזל עם צפיפות גבוהה יותר ממים נשפך לכוס, אזי זווית השבירה תגדל.

תופעה זו נובעת משני חוקים – שימור האנרגיה ושימור המומנטום. עם שינוי בתכונות המדיום, מהירות הגל משתנה בהכרח, אך התדירות שלו נשארת זהה.

מה קובע את זווית השבירה

המחוון יכול להשתנות ותלוי בעיקר במאפיינים של שני המדיה שדרכם עובר האור. ככל שההבדל ביניהם גדול יותר, כך הסטייה החזותית גדולה יותר.

כמו כן, הזווית תלויה באורך הגלים הנפלטים. ככל שמדד זה משתנה, הסטייה גם משתנה. במדיות מסוימות יש השפעה רבה גם לתדירות הגלים האלקטרומגנטיים, אך אפשרות זו לא תמיד נמצאת.

בחומרים אנזוטרופיים מבחינה אופטית, הזווית מושפעת מקיטוב האור וכיוונו.

סוגי שבירה

הנפוץ ביותר הוא השבירה הרגילה של האור, כאשר, בשל המאפיינים השונים של המדיה, ניתן להבחין באפקט עיוות במידה זו או אחרת.אבל ישנם זנים אחרים המופיעים במקביל או יכולים להיחשב כתופעה נפרדת.

כאשר גל מקוטב אנכית פוגע בגבול של שני מדיה בזווית מסוימת (הנקראת זווית ברוסטר), אתה יכול לראות את השבירה הכוללת. במקרה זה, לא יהיה גל מוחזר כלל.

השתקפות פנימית כוללת ניתן לראות רק כאשר קרינה עוברת ממדיום בעל מקדם שבירה גבוה יותר למדיום פחות צפוף. במקרה זה מתברר שזווית השבירה גדולה מזווית הפגיעה. כלומר, יש קשר הפוך. יתר על כן, עם עלייה בזווית, עם הגעה לערכים מסוימים שלה, המחוון הופך שווה ל-90 מעלות.

אם אור נופל על הגבול של שני מדיה בזווית מסוימת, אז זה יכול פשוט להשתקף.

אם תגדיל את הערך עוד יותר, הקרן תשתקף מהגבול של שני חומרים מבלי לעבור למדיום אחר. תופעה זו נקראת השתקפות פנימית טוטאלית.

קרא גם

חוקי השתקפות האור וההיסטוריה של גילוים

 

כאן אתה צריך הסבר לגבי חישוב האינדיקטורים, שכן הנוסחה שונה מהרגילה. במקרה זה, זה ייראה כך:

חטא _וכו=n₂₁

תופעה זו הובילה ליצירת סיבים אופטיים, חומר שיכול להעביר כמויות אדירות של מידע למרחק בלתי מוגבל במהירות שאינה ניתנת להשגה על ידי אפשרויות אחרות. בניגוד למראה, במקרה זה השתקפות מתרחשת ללא אובדן אנרגיה אפילו עם השתקפויות מרובות.

לסיב אופטי יש מבנה פשוט:

1. הליבה שמשדרת האור עשויה מפלסטיק או זכוכית. ככל שהחתך שלו גדול יותר, כך כמות המידע שניתן להעביר גדולה יותר.
2. הקליפה נחוצה כדי לשקף את שטף האור בליבה כך שיתפשט רק דרכה. חשוב שבנקודת הכניסה לסיב הקרן תיפול בזווית גדולה מהגבול, ואז היא תשתקף ללא איבוד אנרגיה.
3. בידוד מגן מונע נזק לסיבים ומגן עליו מפני תופעות שליליות. בשל חלק זה, ניתן גם להניח את הכבל מתחת לאדמה.

סיב אופטי אפשר להביא את העברת המידע לרמה חדשה ביסודה.

כיצד התגלה חוק השבירה?

התגלית הזו נעשתה וילברורד סנליוס, מתמטיקאי הולנדי, בשנת 1621. לאחר סדרה של ניסויים, הוא הצליח לנסח את ההיבטים העיקריים שנותרו כמעט ללא שינוי עד היום. זה היה זה שציין לראשונה את הקביעות של היחס בין הסינוסים של זוויות השתקפות וההשתקפות.

הפרסום הראשון עם חומרי התגלית נעשה על ידי מדען צרפתי דקארט רנה. יחד עם זאת, מומחים לא מסכימים, מישהו מאמין שהוא השתמש בחומרים של סנל, ומישהו בטוח שהוא גילה את זה מחדש באופן עצמאי.

קרא גם

מה שנקרא פיזור אור

 

הגדרה ונוסחה של מקדם השבירה

התקרית והקרניים השבורות, כמו גם הניצב העובר דרך המפגש של שני אמצעי תקשורת, נמצאים באותו מישור. הסינוס של זווית השבירה ביחס לסינוס של זווית השבירה הוא ערך קבוע. כך נשמעת ההגדרה, שעשויה להיות שונה בהצגה, אך המשמעות תמיד נשארת זהה. ההסבר הגרפי והנוסחה מוצגים בתמונה למטה.

הנוסחה אוניברסלית ומתאימה לסביבות שונות.

יצוין כי האינדיקטורים לשבירה אין יחידות. בעת ובעונה אחת, כאשר בחנו את היסודות הפיזיקליים של התופעה הנידונה, שני מדענים בבת אחת - כריסטיאן הויגנס מהולנד ופייר דה פרמה מצרפת הגיעו לאותה מסקנה. לדבריו, סינוס השכיחות וסינוס השבירה שווים ליחס המהירויות במדיה שדרכה עוברים הגלים. אם האור עובר דרך מדיום אחד מהר יותר מאחר, אז הוא פחות צפוף מבחינה אופטית.

דרך אגב! מהירות האור בוואקום גבוה מכל חומר אחר.

המשמעות הפיזית של "חוק סנל"

כאשר האור עובר מוואקום לכל חומר אחר, הוא בהכרח מקיים אינטראקציה עם המולקולות שלו. ככל שהצפיפות האופטית של המדיום גבוהה יותר, כך האינטראקציה של האור עם האטומים חזקה יותר ומהירות ההתפשטות שלו נמוכה יותר, בעוד שעם הגדלת הצפיפות, גם מקדם השבירה עולה.

השבירה המוחלטת מסומנת באות n ומאפשרת לך להבין כיצד מהירות האור משתנה כאשר עוברים מוואקום לכל מדיום.

שבירה יחסית (נ₂₁) מציג את הפרמטרים של השינוי במהירות האור במעבר ממדיום אחד למשנהו.

הסרטון מסביר את החוק מכיתה ח' בפיזיקה בפשטות רבה בעזרת גרפיקה ואנימציה.

היקף החוק בטכנולוגיה

זמן רב חלף מאז גילוי התופעה והמחקר המעשי. התוצאות עזרו לפתח ולהטמיע מספר רב של מכשירים המשמשים בתעשיות שונות, כדאי לנתח את הדוגמאות הנפוצות ביותר:

1. ציוד עיניים. מאפשר לערוך מגוון מחקרים ולזהות פתולוגיות.
2. מכשיר לחקר הקיבה והאיברים הפנימיים. ניתן לקבל תמונה ברורה מבלי להכניס מצלמה, מה שמפשט ומזרז מאוד את התהליך.
3. טלסקופים וציוד אסטרונומי אחר, עקב שבירה, מאפשרים לקבל תמונות שאינן נראות לעין בלתי מזוינת.
   שבירה של האור בעדשות של טלסקופים מאפשרת לאסוף אור במוקד, ומספקת מחקר דיוק גבוה.
4. גם משקפת ומכשירים דומים פועלים על בסיס העקרונות הנ"ל. זה כולל גם מיקרוסקופים.
5. ציוד צילום ווידאו, או ליתר דיוק האופטיקה שלו, משתמש בשבירה של האור.
6. קווי סיבים אופטיים המעבירים כמויות גדולות של מידע בכל מרחק.

שיעור וידאו: מסקנה לפי חוק שבירת האור.

שבירה של אור היא תופעה הנובעת ממאפיינים של אמצעי תקשורת שונים. ניתן לראות זאת בנקודת החיבור שלהם, זווית הסטייה תלויה בהבדל בין החומרים. תכונה זו נמצאת בשימוש נרחב במדע ובטכנולוגיה המודרנית.