Yansıma ve Kırılma

Işık, yayıldığı malzemeye bağlı olarak farklı hızlarda ve yönlerde yansır ve hareket eder veya kırılır, bu da birçok ilginç optik olaya neden olur.

Bir ışık ışını bir cam bloğun yüzeyine çarptığında, bir kısmı arayüzde yön değiştirerek kaynaklandığı ortama geri döner; Bu yansımadır. Ve ışığın geri kalanı arayüzde yönünü değiştirir ve enerji ve momentumu korumak için cam bloktan geçer; Bu kırılmadır.

Mikroskoplar gibi optik sistemlerde bulunan lensler, insan gözünün algılayabileceği görüntüler oluşturmak için yansıma ve kırılmadan yararlanır.

Burada önce yansıma ve kırılma ilkelerini ve parametrelerini tartışacağız. Daha sonra bu fenomenleri hava ve suyun iki ortam olduğu bir sistemde göstereceğiz. Daha sonra, lenslerin görüntü oluşturma yollarını inceleyeceğiz ve ardından optik alanında birkaç uygulama yapacağız.

Yansıma ve kırılma ilkelerini ve parametrelerini anlamak için iki ortam seçelim - su ve hava.

Dikkat edilmesi gereken ilk önemli parametre "kırılma indisi", 'n' - ışığın içinden geçtiği ortamın bir özelliğidir. Işığın boşluktaki hızı olan 'c' ile ortamdaki ışık hızı olan 'v' arasındaki oran olarak tanımlanır. Havanın n'si sudan daha düşük olduğu için ışık, havaya kıyasla suda daha yavaş hareket eder.

Şimdi iki ortamın, su ve havanın, bir arayüz boyunca birbirleriyle temas halinde olduğunu varsayalım.

Şimdi ışık sudan havaya geçtiğinde ve arayüze çarptığında, bir kısmı arayüze yansıtılır ve geri kalanı iki ortamın kırılma indislerine bağlı bir açıyla kırılır veya bükülür. Hem yansıma hem de kırılma başka bir parametreye bağlıdır - geliş açısı veya ?i.

Bu, gelen ışık ile ilk ortam olan su içindeki hava-su arayüzünün normal arasındaki açıdır. 'Yansıma açısı', yansıyan ışık ile ilk ortam olan suyun içindeki aynı normal arasında ölçülür ve geliş açısına eşittir. Oysa 'kırılma açısı' veya ?r, kırılan ışık ile ikinci ortamdaki hava-su arayüzüne normal olan arasındaki açıdır, hava.

Bu nedenle kırılma açısı, geliş açısına ve iki ortamın kırılma indislerine bağlıdır. Kırılma yasası veya Snell Yasası, tüm bu parametreler arasında bir ilişki sağlar.

Şimdi, geliş açısı yavaşça arttırılırsa, bir noktada ışık su-hava arayüzü boyunca görünecek ve kırılma açısı 90 dereceye eşit olacaktır. Bu olay açısına 'kritik açı' denir. Bunun yalnızca ilk ortamın kırılma indisi ikinciden daha büyükse gerçekleşebileceğini unutmayın.

Aynı koşul altında, geliş açısı daha da artarsa, ışık huzmesi o kadar keskin bir şekilde kırılır ki, aslında tamamen ışığın kaynaklandığı ilk ortama geri yansıtılır. Bu fenomene Toplam İç Yansıma denir.

Yansıma ve kırılmayı etkileyen parametreleri gözden geçirdikten sonra, bu ilkeleri doğrulayan bir fizik laboratuvarında bir deneyin nasıl yapıldığını görelim. Işık huzmeli özel bir refraksiyon tankı da dahil olmak üzere gerekli tüm malzeme ve ekipmanı toplayın.

Kırma tankının yarısını suyla doldurun. Işık huzmesini AÇIN ve huzmeyi suyla dolu tankın yarısına yönlendirin.

Bir iletki kullanarak, ışık huzmesinin geliş açısını veya ışık huzmesi ile normal hava-su arayüzü arasındaki suda ölçülen açıyı ölçün. Ayrıca, ışık huzmesi ile normal olan hava-su arayüzü arasındaki kırılma açısını veya havada ölçülen açıyı ölçün

Şimdi, geliş açısı arttıkça, ışık huzmesinin hava-su arayüzü boyunca göründüğü bir noktaya ulaşılır. Toplam iç yansıma için kritik açı olduğu için bu geliş açısını not edin.

Ardından, ışık kaynağını saat yönünün tersine çevirerek geliş açısını artırmaya devam edin. Kırılan ışın şimdi tamamen suya yansır ve Toplam İç Yansımayı gösterir.

Ardından, ışık kaynağını, ışın suya girmeden önce tankın hava yarısına girecek şekilde hareket ettirin. Çeşitli geliş açıları için yeni ışık huzmesi yolu protokolünü tekrarlayın ve karşılık gelen kırılma açısını kaydedin.

Şimdi, nesnelerin gerçek ve sanal görüntülerini oluşturmak için ışığın yansımasından ve kırılmasından yararlanan lenslerden bahsedelim. İster dışbükey ister içbükey olsun, tüm merceklerin odak uzaklığı 'f', yani sonsuz uzaklıktan gelen ışık ışınlarının mercekten geçtikten sonra odaklanacağı mercekten olan mesafedir. Dışbükey mercekler için f pozitif, içbükey mercekler için f negatiftir.

Bir nesne bir merceğin önüne yerleştirildiğinde, bir görüntü oluşturur. 'İnce Mercek Denklemi', odak uzaklığı 'f', nesne ile mercek arasındaki mesafe, 'o' ve mercek ile görüntü arasındaki mesafe, 'i' arasında matematiksel bir ilişki sağlar.

Merceğin oluşturduğu bir görüntünün gerçek mi yoksa sanal mı olduğunu bize söyleyen bu matematiksel görüntü mesafesi 'i'dir. Matematiksel olarak hesaplanan 'i' pozitifse, oluşan görüntü gerçek, negatifse görüntü sanal olacaktır.

Dışbükey bir mercek için, 'o' nesne mesafesi 'f' odak uzaklığından daha büyük olduğunda, matematiksel olarak hesaplanan görüntü mesafesi 'i' pozitif olur ve gerçek bir görüntü oluşur. Bunun nedeni, bir kamera veya mikroskop tarafından yakalanan görüntü gibi nesneden gelen ışık ışınlarının fiziksel yakınsamasıdır.

Bununla birlikte, 'o' nesne mesafesi 'f' odak uzaklığından daha az olduğunda, matematiksel olarak hesaplanan görüntü mesafesi 'i' negatiftir ve sanal bir görüntü oluşur. Bunun nedeni, ışık ışınlarının birleşiyormuş gibi görünmesi, ancak aslında fiziksel olarak ayrılması ve gözlerimizin onlar için bir başlangıç noktası oluşturmasıdır. Bu, büyütülmüş bir sanal görüntünün oluştuğu bir büyüteç durumunda gözlenir.

İçbükey mercekler için, cisimden gelen ışık ışınları mercekten geçer ve her zaman ıraksar. Bu nedenle, hesaplanan 'i' her zaman negatiftir ve oluşturulan görüntü her zaman sanaldır.

Bu bölümde, basit dışbükey ve içbükey lensler kullanarak gerçek ve sanal görüntülerin oluşumunu doğrulayacağız. Dışbükey mercek, içbükey mercek, beyaz kağıt, küçük ayırt edici bir nesne ve kağıdı dikey olarak tutmak için bir kelepçe gibi gerekli malzemeleri toplayın

İlk olarak, dışbükey merceği nesne ile kağıt parçası arasına yerleştirin. Hepsinin aynı hizada ve aynı yükseklikte olduğundan emin olun.

Kağıt üzerinde nesnenin keskin bir görüntüsü görünene kadar nesneyi ve kağıdı hareket ettirin. Kağıt üzerinde görülen bu görüntü, bir ekrana yansıtılabildiği için gerçek bir görüntüdür.

Şimdi mercekten nesneye ve mercekten kağıda olan mesafeyi ölçün. Merceğin odak uzaklığını belirlemek için ince mercek denklemini kullanın.

Ardından, kağıdı bir kenara koyun ve mercek ile nesne arasındaki mesafe merceğin odak uzaklığından daha az olana kadar nesneyi merceğe yaklaştırın. Lensten bakın ve görüntüyü gözlemleyin.

Dışbükey merceği içbükey bir mercekle değiştirin. İçbükey mercekten bakın ve büyütülmüş sanal görüntüyü gözlemleyin.

Artık deney protokolünü tamamladığımıza göre, elde edilen verilerin nasıl analiz edileceğini gözden geçirelim. İlk deneyde, su-hava arayüzündeki geliş açısını ve kırılma açısını ölçtük.

Snell yasasını kullanarak ve bu açıların değerlerini denkleme koyarak, havanın kırılma indisi ile birlikte, 1.33 olan suyun kırılma indisini hesaplayabiliriz.

Bu hesaplama daha sonra çeşitli olay ve kırılma açıları için tekrarlanabilir. Hesaplanan tüm kırılma indekslerinin ortalaması, suyun kırılma indeksinin daha doğru bir ölçümünü sağlayacaktır.

Snell yasasını kullanarak toplam iç yansıma için kritik açıyı da hesaplayabiliriz. Bu, kırılma açısı 90 dereceye eşit olduğunda geliş açısıdır. Kritik açıyı çözmek için bu denklemi yeniden düzenleyin.

Suyun kırılma indisi için daha önce hesaplanan ortalamayı kullanarak, Snell yasası kritik geliş açısının 48.8 derece olduğunu tahmin eder. Bu, deneysel olarak ölçülen açıya çok yakındır, böylece Snell yasasını doğrular.

Işık huzmesi havadan suya yansıtıldığında, ışık artık daha düşük indeksli bir ortamdan daha yükseğe doğru hareket ettiğinden, 48.8 dereceden daha büyük açılarda bile toplam iç yansıma meydana gelmez.

Lenslerle yapılan deneyde, ince lens denklemi, lensten 11.02 santimetrelik bir nesne mesafesi ve yaklaşık 9.21 santimetrelik bir görüntü mesafesi için lensin odak uzaklığının yaklaşık 5.02 santimetre olduğunu ortaya koymaktadır.

Nesnenin dışbükey bir mercek aracılığıyla, odak uzaklığından daha az bir mesafede gözlemlenmesi durumunda, nesnenin büyütülmüş bir versiyonu gözlemlenir. Bu sanal bir görüntüdür, çünkü bu görüntü bir ekranda yakalanamaz. Benzer şekilde, içbükey mercek kullanılırken, nesnenin büyütülmüş bir sanal görüntüsü gözlenir.

Optik, özellikle optik lensler, fotoğrafçılıktan tıbbi görüntülemeye ve insan gözüne kadar hayatın her alanında kullanılmaktadır.

Optik fiberler, telefon sinyallerinin iletimi gibi birçok güncel uygulamada veri iletimi için kullanılmaktadır. Bu lifler bir çekirdek, kaplama ve koruyucu bir dış kaplama veya tampon ve diğer güçlendirici katmanlardan oluşur.

Kaplama, toplam iç yansıma yöntemini kullanarak verileri çekirdek boyunca ışık darbeleri şeklinde yönlendirir. Veri iletiminin bu özelliği, doktorlar tarafından kullanılan fiber optik kameraların insan vücudundaki kapalı alanları görüntülemesini sağlar.

Mikroskopi, çıplak gözle görülemeyen nesneleri görüntülemek için mikroskop kullanma alanıdır. Optik veya ışık mikroskobu, numunenin büyütülmüş bir görünümüne izin vermek için numuneden kırılan veya numuneden yansıyan görünür ışığın, tek veya çoklu merceklerden geçirilmesini içerir. Elde edilen görüntü doğrudan göz tarafından algılanabilir veya dijital olarak yakalanabilir.

JoVE'nin yansıma ve kırılmaya girişini yeni izlediniz. Artık kırılma ilkelerini, Snell yasasını ve toplam iç yansımayı ve ayrıca lenslerin arkasındaki teoriyi ve nasıl görüntü oluşturduklarını anlamalısınız. Her zaman olduğu gibi, izlediğiniz için teşekkürler!