اُپتیک سراب

اُپتیک سراب چیست؟

می دانیم که حضور یکنواخت در کلاس های درسِ تئوری محور، شما را خسته و ملول می کند. این نور بازی ها تدارک دیده شده تا روند یادگیری مفاهیم درسی برای شما جذاب تر باشد و کاربردهای هر مفهوم نیز به طور تجربی لمس شود. در این قسمت، با مفاهیم اُپتیک سراب طی یک نوربازی در آزمایشگاه خانگی لیزر آشنا می شوید.

مقدمه: اپتیک هندسی

اینک می خواهیم از فرمول های تخته سیاهِ کلاسِ درس، اندکی فاصله بگیریم.
مفاهیم بازتاب و شکست نور را به شکل تازه تری مرور کنیم و در ادامه کاربردها را بررسی نمائیم.

همانطور که می دانید اُپتیک هندسی از شاخه های اپتیک است که در آن قوانین بازتاب و شکست نور تعریف می شود.
در این دیدگاه، نور به صورت پرتو می باشد. هر پرتو با خط راست و جهت حرکت آن با فلش، مشخص می گردد.

حال با این مقدمه وارد نوربازی می شویم. ابتدا لوازم مورد نیاز را آماده نمائید.

لوازم مورد نیاز – آزمایشگاه خانگی لیزر

یک آکواریوم کوچک به ابعاد 20*40*40 سانتیمتر مکعب
حدود 300 گرم نمک
یک بطری پلاستیکی با حجم 1.5 لیتر
مَلاقه
قیف
آب
لیزر پوینتر معمولی

بازی را شروع کنید!

ابتدا حدود 3 لیتر آب در آکواریوم کوچک خانگی بریزید.
سپس، نمک را در 1.5 لیتر آب در یک ظرف جداگانه حل کنید.
ملاقه و قیف را بیاورید. با کمک این دو ابزار، محلول آب نمک را به کف آکواریوم هدایت کنید.
بله! درست متوجه شدید. الان در واقع دو محیط متمایز داریم. 1- آب شیرین 2- آب شور

آب شیرین در بخش بالای آکواریوم قرار دارد و آب شور در قسمت پایین آن.

چرا شکست نور اتفاق می افتد | مفاهیم اُپتیک سراب


وقتی نور از یک محیط به محیط دیگر می رود، پرتوی آن از مسیر اصلی منحرف شده و شکسته می شود.
به این پدیده شکست نور می گویند.

خب! به ادامه نور بازی بپردازیم.

اکنون لیزر پوینتر را به صورت مستقیم و موازی درون آکواریوم میگیریم و روشن می کنیم.
از آنجا که دو محیطِ کاملاً متفاوت داریم (آب شیرین و شور) انتظار داریم پدیده شکست نور را بتوانیم تماشا کنیم.
در این حالت می توان حتی قوانین اِسنِل و بازتاب داخلی کلی را نیز به تجربه اثبات کرد.

این نکته را به خاطر داشته باشید که برای دیدن مسیر نور لیزر پوینتر حتما به یک مکان تاریک بروید.
بایستی این نوربازی را درون یک اتاق تاریک انجام دهید.

مشاهده می کنید که پرتو لیزر با اینکه مستقیم وارد آکواریوم می شود اما مسیر منحنی طوری را طی می کند.
علت چیست؟
برای آگاهی بیشتر از رفتار نور با ما همراه باشید.

نور هوشمند رفتار می کند

نور در یک محیط همگن، به خط مستقیم سیر می کند.
اما اگر در مسیرِ حرکتِ نور محیط های مختلفی وجود داشته باشد؛ پرتو نور، تغییر جهت های پیاپی دارد.

فرض کنید پرتو نور می خواهد از نقطه 1 در محیط اول به نقطه 2 در محیط دوم برود.
وجه تمایز بین دو محیط، ضریب شکست آنها است.
خب! بین دو نقطه، بی نهایت خط یا مسیر می توان در نظر گرفت. اما نور، کدام مسیر را انتخاب می کند؟

نور به صورت هوشمند از میان همه مسیرها، مسیری را انتخاب می کند که سریع تر به مقصد برسد.
بنا بر اصل فِرما یا اصل کوتاه ترین زمان، نور برای رفتن از نقطه A به نقطه B مسیری را انتخاب می کند که در کوتاه ترین زمانِ ممکن طی شود.


برنامه های مسیریابیِ امروزی نیز بر اساس همین خاصیتِ ذاتیِ نور عمل می کنند.

اصل کوتاه ترین زمان | مسئله نجات غریق!

سرعت نور در هر محیط به ضریب شکست آن محیط وابسته است.
هر چه محیط چگال تر باشد، ضریب شکست بزرگتر و سرعت نور کمتر است.

حال می خواهیم یک مسئله واقعی و مهم را با هم بررسی کنیم:

مسئله نجات فردِ در حال غرق شدن!
فرض کنید فردی در حال غرق شدن در دریا است. مسئول غریق نجات باید بلافاصله در کوتاه ترین زمان، عملیات نجات را انجام دهد.
او ناچار است کوتاه ترین مسیرِ ممکن را انتخاب کند.

بیائید ریزتر شویم:
او برای رسیدن به فرد غریق دو محیط متفاوت پیش رو دارد: ساحل و دریا.

غریق نجات باید در سریعترین زمان ممکن خود را برساند پس:

معادله حرکت او به این صورت است:
حداکثر سرعت در ساحل (کوتاه ترین مسیر در خشکی از نظر زمان) + حداکثر سرعت در دریا (کوتاه ترین مسیر در آب از نظر زمان)

غریق نجات در ساحل، سریعتر حرکت می کند و یک مسیر مستقیم را طی می کند.
اما وقتی وارد آب می شود؛ دیگر همان مسیر مستقیم را طی نمی کند زیرا آنجا سریعترین مسیر، مسیر دیگری است!

حالا برگردیم سر مسئله قبلی خودمان:

نور وقتی می خواهد از محیط 1 به محیط 2 برود؛ دقیقاً معادله غریق نجات را پیش رو دارد.
نور مسافتِ کوتاه ترین زمان را طی می کند اما باید ببینیم در هر محیط خاص برای طیِ کوتاه ترین زمان، چه مسیری انتخاب می شود؟!

پرتو نوری در مرز بین محیط 1 و 2 دچار شکست و خمش می شود و مسیری را انتخاب می کند که زودتر و راحت تر طی شود.
در این حالت، پرتو نوری به سمت محیط چگال تر گرایش پیدا می کند.

از آنجا که در طبیعت، مرز واضح و خط کشی شده ای بین محیط های مختلف وجود ندارد؛ خمش و شکست پرتو نور بسیار تدریجی و بعضاً نامحسوس اتفاق می افتد.
دُرُست همانند آنچه در این نور بازی شاهد اش هستیم.

آیا خورشید بالای خط افق هست؟ | مفاهیم اُپتیک سراب

ما به طور روزمره در طبیعت پیرامون مان با پدیده شکست تدریجی پرتو نور روبرو هستیم.

بیائید یک مثالِ واقعیِ دیگر را با هم تماشا کنیم:
خورشید هر روز از شرق طلوع و در غرب غروب می کند.
ما در لحظه طلوع و غروب، خورشید را بالای خط افق می بینیم.

اما برخلاف آنچه که ما فکر میکنیم؛ در حقیقت، خورشید، زیر خط افق واقع شده است؛
پس چه می شود که ما خورشید را بالای خط افق می بینیم؟

جواب: تغییرات چگالی هوای اتمسفر زمین است.
ترکیب عناصر موجود در هوا در فواصل دور از سطح زمین بسیار سبک است.
در حالیکه هر چه به سمت زمین برویم هوا چگال تر می شود.

بنابراین نور خورشید در عبور از این محیط های با چگالی و ضریب شکست مختلف، دچار شکست های تدریجی می شود.
لذا تصویری که ما از خورشید می بینیم با مکان واقعی او متفاوت است.

در شکل بالا، مکان واقعی خورشید زیر خط افق است. اما همانطور که ملاحظه می کنید پرتو خورشید در مسیر رسیدن به زمین دچار شکست های متعدد می شود.
در نتیجه، ما خورشید را در مواقع طلوع و غروب، بالای خط افق می بینیم.

اُپتیک سراب را بهتر بشناسیم

حالا مقدماتِ لازم برای دریافت مفاهیم اُپتیک سراب را در اختیار داریم.

وقتی سطح زمین گرم می شود این حرارت به اطراف آن منتقل می شود.
بنابراین هوای اطراف آن نیز گرم می شود. چگالی هوا با دمای آن رابطه دارد.

این تغییراتِ چگالی موجب انحراف پرتو نوری در مرز میان هوای با چگالی بیشتر و هوای با چگالی کمتر می شود.
به عبارت دیگر، شکست نور اتفاق می افتد. در اینجا، شکست نور تابعی از چگالی هوا است.

نور در عبور از هوای گرم نزدیک زمین دچار خمش می شود | اُپتیک سراب

به کمک تصویر بالا، پدیده سراب واضح تر درک می شود.
همانطور که مشاهده می کنید پرتو بازتابی از برگ درختان با خط چین مشخص شده است.
ذهن فردِ مشاهده گر قادر نیست که تصویر درستی از مسیر خط چین بسازد بنابراین تصویری که فرد مشاهده می کند در امتداد خط قرمز ایجاد می شود.

بنابراین فرد، درختان را پنهان در شن های بیابان می بیند!


دیدگاه‌ خود را بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *