השתקפות ושיפור

האור משתקף ונע במהירויות ובכיוונים שונים, או נשבר, בהתאם לחומר שדרכו הוא מתפשט, וגורם לתופעות אופטיות מעניינות רבות.

כאשר קרן אור פוגעת במשטח של גוש זכוכית, חלק ממנו משנה כיוון בממשק כדי לחזור לתווך שממנו הוא נוצר; זו השתקפות. ושאר האור משנה את כיוונו בממשק ועובר דרך גוש הזכוכית כדי לחסוך באנרגיה ובתנע; זוהי שבירה.

עדשות שנמצאות במערכות אופטיות כמו מיקרוסקופים עושות שימוש בהשתקפות ובשבירה כדי ליצור תמונות שניתן לתפוס על ידי העין האנושית.

כאן, נדון תחילה בעקרונות ובפרמטרים של רפלקציה ושבירה. לאחר מכן נדגים את התופעות הללו במערכת שבה אוויר ומים הם שני המדיות. לאחר מכן, נלמד את הדרכים בהן עדשות יוצרות תמונות, ואחריהם כמה יישומים בתחום האופטיקה.

כדי להבין את העקרונות והפרמטרים של השתקפות ושבירה, הבה נבחר שני מדיומים - מים ואוויר.

הפרמטר המרכזי הראשון שיש לציין הוא "מקדם שבירה", 'n' - מאפיין של המדיום שדרכו עובר האור. הוא מוגדר כיחס בין מהירות האור בריק, 'c', למהירות האור בתווך, 'v'. מכיוון ש-n האוויר נמוך ממים, האור נע לאט יותר דרך המים בהשוואה לאוויר.

הבה נניח כעת ששני המדיות, מים ואוויר, נמצאים במגע זה עם זה לאורך ממשק.

כעת, כאשר האור עובר ממים לאוויר ופוגע בממשק, חלקו מוחזר בממשק, והשאר נשבר או מכופף בזווית התלויה במקדמי השבירה של שני המדיות. גם ההשתקפות וגם השבירה תלויות גם בפרמטר אחר - זווית הפגיעה, או ?i.

זוהי הזווית בין האור הפוגע לנורמלי לממשק האוויר-מים בתוך המדיום הראשון, מים. 'זווית ההשתקפות' נמדדת בין האור המוחזר לאותו נורמלי בתוך המדיום הראשון, מים, ושווה לזווית הפגיעה. ואילו 'זווית השבירה', או ?r היא הזווית בין האור השבור לבין הנורמלי לממשק אוויר-מים בתווך השני, אוויר.

זווית השבירה תלויה אפוא בזווית הפגיעה ובמדדי השבירה של שתי המדיות. חוק השבירה או חוק סנל מספק קשר בין כל הפרמטרים הללו.

כעת, אם זווית הפגיעה גדלה לאט, בנקודה מסוימת האור יופיע לאורך ממשק המים-אוויר, וזווית השבירה תהיה שווה ל-90 מעלות. זווית האירוע הזו נקראת 'הזווית הקריטית'. שימו לב שזה יכול לקרות רק אם מקדם השבירה של המדיום הראשון גדול מהשני.

באותו תנאי, אם זווית הפגיעה גדלה עוד יותר, אז אלומת האור נשברת בצורה כה חדה שהיא למעשה מוחזרת לחלוטין לתווך הראשון שממנו הגיע האור. תופעה זו נקראת השתקפות פנימית מוחלטת.

לאחר שסקרנו את הפרמטרים המשפיעים על השתקפות ושבירה, בואו נראה כיצד לבצע ניסוי במעבדת פיזיקה המאמת את העקרונות הללו. אסוף את כל החומרים והציוד הדרושים כולל מיכל שבירה מיוחד עם קרן אור.

מלאו מחצית ממיכל השבירה במים. הפעל את אלומת האור וכוון את האלומה למחצית המיכל המלא במים.

בעזרת מד זווית, מדוד את זווית הפגיעה של אלומת האור או את הזווית הנמדדת במים בין אלומת האור לממשק הנורמלי לאוויר-מים. כמו כן, יש למדוד את זווית השבירה או את הזווית הנמדדת באוויר בין אלומת האור לבין הנורמלי לממשק אוויר-מים

כעת, כאשר זווית הפגיעה גדלה, מגיעים לנקודה שבה אלומת האור מופיעה לאורך ממשק האוויר-מים. רשום את זווית ההתרחשות הזו, מכיוון שהיא הזווית הקריטית להשתקפות פנימית כוללת.

לאחר מכן, המשך להגדיל את זווית הפגיעה על ידי סיבוב מקור האור נגד כיוון השעון. הקרן השבורה משתקפת כעת במלואה לתוך המים ומדגימה השתקפות פנימית מוחלטת.

לאחר מכן, הזז את מקור האור כך שהקרן תיכנס תחילה למחצית האוויר של המיכל לפני הנסיעה למים. חזור על הפרוטוקול עבור נתיב אלומת האור החדש עבור זוויות התרחשות שונות ורשום את זווית השבירה המתאימה.

עכשיו בואו נדבר על עדשות, המנצלות את ההשתקפות והשבירה של האור כדי ליצור תמונות אמיתיות ווירטואליות של אובייקטים. לכל העדשות, בין אם קמורות או קעורות, יש אורך מוקד 'f', שהוא המרחק מהעדשה שבו קרני אור שמקורן ממרחק אינסופי יתמקדו לאחר שעברו דרך העדשה. עבור עדשות קמורות f חיובי ועבור עדשות קעורות f שלילי.

כשאובייקט ממוקם לפני עדשה, הוא יוצר תמונה. 'משוואת העדשה הדקה', מספקת קשר מתמטי בין אורך המוקד 'f', המרחק בין האובייקט לעדשה, 'o', והמרחק בין העדשה לתמונה, 'i'.

מרחק התמונה המתמטי הזה 'i' הוא שאומר לנו אם תמונה שנוצרה על ידי העדשה היא אמיתית או וירטואלית. אם ה-'i' המחושב מתמטית הוא חיובי אז התמונה שנוצרת תהיה אמיתית, ואם היא שלילית התמונה תהיה וירטואלית.

עבור עדשה קמורה, כאשר מרחק האובייקט 'o' גדול מאורך המוקד 'f', מרחק התמונה המחושב מתמטית 'i' יהיה חיובי ונוצרת תמונה אמיתית. זאת בשל ההתכנסות הפיזית של קרני האור המגיעות מהאובייקט, כמו התמונה שצולמה על ידי מצלמה או מיקרוסקופ.

עם זאת, כאשר מרחק האובייקט 'o' קטן מאורך המוקד 'f', מרחק התמונה המחושב מתמטית 'i' הוא שלילי ונוצרת תמונה וירטואלית. הסיבה לכך היא שקרני האור נראות מתכנסות אך למעשה מתפצלות פיזית, והעיניים שלנו בונות להן נקודת מוצא. זה נצפה במקרה של זכוכית מגדלת, שבה נוצרת תמונה וירטואלית מוגדלת.

עבור עדשות קעורות, קרני האור המגיעות מהאובייקט עוברות דרך העדשה ותמיד מתפצלות. לפיכך, ה-'i' המחושב הוא תמיד שלילי והתמונה שנוצרת היא תמיד וירטואלית.

בחלק זה, נאמת את היווצרותן של תמונות אמיתיות ווירטואליות באמצעות עדשות קמורות וקעורות פשוטות. אסוף את החומרים הנדרשים, כלומר עדשה קמורה, עדשה קעורה, דף נייר לבן, חפץ ייחודי קטן ומהדק כדי להחזיק את הנייר אנכית

ראשית, הנח את העדשה הקמורה בין האובייקט לפיסת הנייר. ודא שכולם בשורה ובאותו גובה.

הזז את האובייקט והנייר עד שתופיע תמונה חדה של האובייקט על הנייר. התמונה הזו שנראית על הנייר היא תמונה אמיתית, מכיוון שניתן לצלם אותה על מסך.

כעת מדוד את המרחק מהעדשה לאובייקט ומהעדשה לנייר. השתמש במשוואת העדשה הדקה כדי לקבוע את אורך המוקד של העדשה.

לאחר מכן, הנח את הנייר בצד וקירב את האובייקט לעדשה עד שהמרחק בין העדשה לאובייקט קטן מאורך המוקד של העדשה. הביטו דרך העדשה והתבוננו בתמונה.

החלף את העדשה הקמורה בעדשה קעורה. התבונן דרך העדשה הקעורה והתבונן בתמונה הווירטואלית המוגדלת.

כעת, לאחר שהשלמנו את פרוטוקול הניסוי, בואו נסקור כיצד לנתח את הנתונים שהתקבלו. בניסוי הראשון מדדנו את זווית הפגיעה ואת זווית השבירה בממשק מים-אוויר.

על ידי שימוש בחוק סנל והחלפת הערכים של זוויות אלה במשוואה, יחד עם מקדם השבירה של האוויר, אנו יכולים לחשב את מקדם השבירה של המים, שיוצא 1.33.

לאחר מכן ניתן לחזור על חישוב זה עבור זוויות האירוע והשבירה השונות. הממוצע של כל מקדמי השבירה המחושבים יספק מדידה מדויקת יותר של מדד השבירה של המים.

אנו יכולים גם לחשב את הזווית הקריטית עבור השתקפות פנימית כוללת באמצעות חוק סנל. זוהי זווית השכיחות כאשר זווית השבירה שווה ל-90 מעלות. סדר מחדש את המשוואה הזו כדי לפתור את הזווית הקריטית.

באמצעות הממוצע שחושב קודם לכן עבור מקדם השבירה של מים, חוק סנל חוזה שזווית הפגיעה הקריטית היא 48.8 מעלות. זה קרוב מאוד לזווית שנמדדה בניסוי, ובכך מאמת את חוק סנל.

כאשר אלומת האור מוקרנת מאוויר למים, ההשתקפות הפנימית הכוללת אינה מתרחשת אפילו בזוויות גדולות מ-48.8 מעלות מכיוון שהאור עובר כעת ממדיום בעל אינדקס נמוך יותר לגבוה יותר.

בניסוי עם העדשות, משוואת העדשה הדקה מגלה כי עבור מרחק אובייקט של 11.02 סנטימטרים מהעדשה ומרחק תמונה של כ-9.21 סנטימטרים, אורך המוקד של העדשה הוא כ-5.02 סנטימטרים.

במקרה בו האובייקט נצפה דרך עדשה קמורה, במרחק קטן מאורך המוקד שלו, נצפית גרסה מוגדלת של האובייקט. זוהי תמונה וירטואלית, מכיוון שלא ניתן לצלם תמונה זו על מסך. באופן דומה, בעת שימוש בעדשה הקעורה, נצפית תמונה וירטואלית מוגדלת של האובייקט.

אופטיקה, במיוחד עדשות אופטיות, משמשת בכל תחומי החיים, מצילום ועד הדמיה רפואית לעין האנושית.

סיבים אופטיים משמשים להעברת נתונים ביישומים רבים של ימינו, כמו העברת אותות טלפון. סיבים אלה מורכבים מליבה, חיפוי וציפוי חיצוני מגן או חיץ, ושכבות חיזוק אחרות.

החיפוי מנחה את הנתונים בצורה של פולסי אור לאורך הליבה בשיטת ההשתקפות הפנימית הכוללת. תכונה זו של העברת נתונים מאפשרת למצלמות סיבים אופטיים המשמשות רופאים לצפות בחללים סגורים בגוף האדם.

מיקרוסקופיה היא תחום השימוש במיקרוסקופים כדי לראות עצמים שאינם נראים לעין בלתי מזוינת. מיקרוסקופיה אופטית או קלה כוללת העברת אור נראה, שנשבר דרך הדגימה או מוחזר ממנה, דרך עדשה אחת או מרובות כדי לאפשר תצוגה מוגדלת של הדגימה. ניתן לזהות את התמונה המתקבלת ישירות על ידי העין, או לצלם אותה באופן דיגיטלי.

זה עתה צפיתם בהקדמה של JoVE לרפלקציה ושבירה. כעת עליכם להבין את עקרונות השבירה, חוק סנל וההשתקפות הפנימית הכוללת וגם את התיאוריה מאחורי העדשות וכיצד הן יוצרות תמונות. כמו תמיד, תודה שצפית!