Yansıma ve Kırılma
Kaynak: Derek Wilson, Asantha Cooray, PhD, Fizik ve Astronomi Bölümü, Fizik Bilimleri Fakültesi, Kaliforniya Üniversitesi, Irvine, CA
Işık, yayıldığı…
1. Snell Yasasını (Kırılma Yasası) kullanarak suyun kırılma indisini belirleyin ve toplam iç yansıma için kritik açıyı bulun.
- Işık kaynağına sahip özel bir refraksiyon tankı edinin.
- Kırma tankını suyla doldurun ve ışık kaynağını açın. Işını ışık kaynağından gelen su ile dolu tankın yarısına yönlendirin. Odadaki ışıkları kısmak gerekebilir.
- Tanktaki su-hava arayüzü için kirişin geliş açısını (suyla dolu tankın yarısında ölçülen açı) ve kırılma açısını (hava ile doldurulmuş tankın yarısında ölçülen açı) ölçmek için kırma tankı üzerindeki iletki kullanın.
- Suyun kırılma indeksini hesaplamak için ölçülen açıları ve hava için kırılma indeksini (nair = 1.00) kullanın.
- 0° ile 90°'nin biraz altında değişen birkaç olay açısı için önceki adımları tekrarlayın.
- Gelen açı arttıkça, kırılan ışık huzmesinin hava içeren kabın yarısında artık görülemediği fark edilecektir. Işık huzmesinin havadan ilk kaybolduğu noktaya ulaşılana kadar ışık kaynağını tankın etrafında yavaşça döndürün. Bu, toplam iç yansıma için kritik açıdır.
- Işık kaynağı daha fazla döndürülürse, ışının suya geri yansıdığı gözlemlenmelidir.
- Işık kaynağını, ışın suya girmeden önce hava ile dolu tankın yarısına girecek şekilde hareket ettirin. Bu koşul altında birkaç geliş ve kırılma açısı kaydedin. Daha önce, geliş açısının ışığın suda hareket ettiği açı olduğunu unutmayın. Işık şimdi önce havadan geçtiğinden, yeni geliş açısı havada hareket ettiği açıdır ve yeni kırılma açısı suda hareket ettiği açıdır.
- Bu konfigürasyonda toplam iç yansımanın oluşmadığını gözlemleyin. Toplam iç yansıma, yalnızca ışık yüksek kırılma indeksine sahip bir ortamdan daha düşük kırılma indeksine sahip bir ortama geçtiğinde meydana gelir.
2. Bir merceğin odak uzaklığını ölçün ve bir nesnenin gerçek ve sanal görüntülerini oluşturun.
- Dışbükey bir mercek, içbükey bir mercek, bir beyaz kağıt, bir cetvel ve küçük bir ayırt edici nesne edinin. Ayrıca, lensler ve nesneler için tutuculara sahip optik bir tezgahın yanı sıra kağıdı dikey olarak tutmak için bir aparata sahip olmaya da yardımcı olur.
- Dışbükey merceği nesne ile kağıt parçası arasına, tümü bir çizgi halinde ve aynı yükseklikte olacak şekilde yerleştirin.
- Kağıt üzerinde nesnenin keskin bir görüntüsü görünene kadar nesneyi ve kağıdı hareket ettirin. Kağıt üzerindeki görüntü gerçek bir görüntüdür.
- Mercek ile nesne arasındaki mesafeyi ve mercek ile kağıt arasındaki mesafeyi ölçün. Merceğin odak uzaklığını belirlemek için ince mercek denklemini kullanın.
- Kağıdı bir kenara koyun ve mercek ile nesne arasındaki mesafe merceğin odak uzaklığından daha az olana kadar nesneyi merceğe yaklaştırın.
- Mercekten bakın: nesnenin büyütülmüş bir versiyonu görülmelidir. Bu görüntü sanal bir görüntüdür.
- Dışbükey merceği içbükey mercekle değiştirin. İçbükey mercekten bakın: şimdi nesnenin büyütülmüş bir versiyonu görülebilir. Bu aynı zamanda sanal bir görüntüdür.
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!
View the full transcript and gain access to JoVE Science Education videos
Q1: What is refractive index and how does it affect light propagation?
Refractive index (n) is a characteristic of a medium defined as the ratio of the speed of light in vacuum to the speed of light in that medium. Since air has a lower refractive index than water, light travels more slowly through water. This difference in refractive index between two media causes light to bend when transitioning between them, a phenomenon called refraction.
Q2: How does Snell's Law relate angle of incidence to angle of refraction?
Snell's Law provides a mathematical relationship between the angle of incidence, angle of refraction, and the refractive indices of two media. The angle of incidence is measured between the incident light and the normal to the interface in the first medium, while the angle of refraction is measured in the second medium. This law allows calculation of how light bends when traveling between materials with different refractive indices.
Q3: What is the critical angle and when does total internal reflection occur?
The critical angle is the specific angle of incidence at which the refracted light travels along the interface, making the angle of refraction equal to 90 degrees. This occurs only when light travels from a denser medium to a less dense one. When the angle of incidence exceeds the critical angle, total internal reflection occurs, and light is completely reflected back into the first medium instead of refracting.
Q4: What is the difference between real and virtual images formed by lenses?
Real images form when light rays physically converge after passing through a lens, and can be captured on a screen, as in cameras or microscopes. Virtual images form when light rays appear to diverge, and the eye constructs a point of origin behind the lens; they cannot be projected onto a screen. The Thin Lens Equation determines image type: positive calculated distance indicates a real image, while negative distance indicates a virtual image.
Q5: How do convex and concave lenses differ in image formation?
Convex lenses can form both real and virtual images depending on object distance relative to focal length. When object distance exceeds focal length, a real image forms; when less than focal length, a magnified virtual image forms. Concave lenses always cause light rays to diverge, producing only demagnified virtual images regardless of object position. Both lens types use refraction to bend light and create images.
Q6: How is total internal reflection used in optical fiber technology?
Optical fibers transmit data as light pulses through a core surrounded by cladding and protective coating. The cladding guides light along the core using total internal reflection, which keeps light signals contained within the fiber over long distances. This property enables fiber optic cameras used by doctors to view confined spaces in the human body and supports telecommunications applications like telephone signal transmission.
Q7: What role do reflection and refraction play in optical microscopy?
Optical microscopy uses visible light that is refracted through or reflected from a sample, then passes through single or multiple lenses to magnify the view. Refraction bends light to focus it on the sample, while reflection captures light from the sample surface. The combination of these optical phenomena through lenses allows visualization of objects too small for the naked eye, with images detected directly by the eye or captured digitally.