زاویه حد

اهداف

دانش آموزان با زاویه حد به صورت مفهومی و با طرح یک سوال آشنا می شوند.

وسایل لازم

یک منبع نور (چشمه نور) با نور مناسب، در صورت امکان نور لیزر مناسب است. در غیر این صورت می توانید از نور پروژکتور که پرتوهای نوری آن باریک و متمرکز شده اند استفاده کنید. (برای باریک کردن پرتوهای پروژکتور یک برگه مقوا را به اندازه یک اسلاید ببرید و سوراخی با استفاده از سوراخ کن در وسط آن ایجاد کنید، سپس مقوا را در پروژکتور به گونه ای جاسازی کنید که تنها مسیر عبور نور همان سوراخ ایجاد شده باشد.)

یک آکواریوم مکعبی شکل پر از آب

چند قطره شیر (یا کمی شیر خشک) برای مخلوط کردن با آب آکواریوم جهت قابل رؤیت کردن پرتو نور.

طرح درس

می توانید درس را با طرح این سوال شروع کنید: چگونه مکالمات تلفنی شما از فبیرهای نوری نشت نمی کنند؟ به دانش آموزان بگویید برای این که پاسخ این سوال را بفهمند آزمایش زیر را انجام دهند. در صورتی که وسایل به اندازه کافی موجود نیست، دانش آموزان را به گروه های چند نفره تقسیم نمایید و مراحل زیر را برای آن ها توضیح دهید:

آکواریوم را پر از آب کنید. سپس قطره قطره شیر را اضافه کنید و هر بار هم بزنید، تا زمانی که بتوانید عبور نور در آب را ببینید.

پرتو نور را از درون آب به سمت بالا هدایت کنید. به طوری که از زیر به سطح آب برخورد کند. می توانید پرتو نور را از طریق کف یا دیواره شفاف آکواریوم به داخل آن بتابانید. پرتو نور در صورتی که اتاق را تاریک کنید، بیشتر قابل تشخیص است. نور را به صورتی بتابانید که تقریباً با زاویه راست (عمود) به سطح آب برسد. شما قادر خواهید بود که پرتو نور منحرف شده و هم چنین پرتو نور بازتابیده شده را در داخل آکواریوم مشاهده کنید (گرد و غبار موجود در هوا به شما کمک می کند تا پرتو منحرف شده را مشاهده کنید. شما می توانید پودر گچ نیز به هوا اضافه کنید. هم چنین می توانید پرتو را جستجو و با استفاده از برگه کاغذ آن را ردیابی کنید.) دقت کنید که قسمت عمده پرتو از آب خارج شده (منحرف می شود) و فقط نور ضعیفی به داخل آب بازتابیده می شود.

از دانش آموزان بخواهید به آهستگی زاویه ای که با آن پرتو به سطح آب تابیده شده است، تغییر دهند. آن ها باید متوجه شوند که نور بازتابیده شده درون آب مرتباً پررنگ تر شده در حالی که نوری که وارد هوا می شود مرتباً ضعیف تر می شود. هم چنین نوری که وارد هوا می شود، خم شده و یا از مسیر اصلی منحرف می شود.

آزمایش را تا زمانی ادامه دهید که پرتو نور عبوری که از سطح آب وارد هوا می شود، به طور کلی ناپدید گردد.

به آن ها بگویید هنگامی که مشاهده کردند که پرتو بازتابی با سطح آب مماس شد، این زاویه، زاویه حد نام دارد.

چه رخ می دهد؟

در توضیح آزمایش به دانش آموزان بگویید: در حالت کلی، زمانی که پرتویی از نور به سطح جدا کننده دو محیط شفاف مانند آب و هوا برخورد می کند بخشی از پرتو منعکس شده و قسمتی از آن از سطح جدا کننده عبور کرده و وارد محیط جدید می شود. پرتو نور با عبور از یک ماده و ورود به ماده دیگر خم یا شکسته (منحرف) می شود.

هر چه فاصله ی زاویه ی تابش از خط عمود بیشتر شود پرتو به میزان بیشتری منحرف می شود. اگر نور از یک ماده که سرعت حرکت نور در آن کم است به داخل یک ماده که سرعت نور در آن بیشتر است وارد شود (برای مثال نور از آب وارد هوا شود) پرتو به سمت سطح جدا کننده خم می شود.

در یک زاویه تابش خاص، پرتو آن چنان خم می شود که پرتو  بازتاب شده مماس با سطح جدا کننده دو محیط قرار می گیرد، به این معنی که هیچ بخشی از آن وارد هوا نمی گردد که این زاویه، زاویه حد نام دارد، و اگر زاویه تابش بیشتر از آن زوایه شود نور به کلی در داخل آب منعکس می شود. این پدیده «بازتابش کلی» نامیده می شود. زیرا تقریباً 100% پرتو منعکس شده که این میزان بهتر از انعکاس در مرغوب ترین سطوح آینه ای است.

زاویه حد در آب با اندازه گیری زاویه بین پرتو تابش و خط عمود، زمانی که پرتو بازتاب شده بر سطح آب مماس باشد، به دست می آید که مقدار آن 49 درجه است.

زمانی که زوایا از 49 درجه کمتر باشند مقداری از نور از آب خارج می شود.

زمانی که زاویه های مشخص شده از 49 درجه بیشتر باشند، پرتو پس از برخورد با سطح جدا کننده دو محیط هوا و آب به طور کامل منعکس می شود.

اما پاسخ سوال ابتدایی:

بازتابش کلی در انتقال پیام های تلفنی به وسیله فیبرهای نوری به کار می رود. هر نوری که موازی محور فیبر نباشد، دیواره فیبر را قطع کرده و به طور کامل بازتابش می شود، زیرا زاویه تابش که پرتو تحت آن دیواره فیبر را قطع می کند بسیار بزرگ تر از زاویه حد است. این مسئله به جلوگیری از ضعیف شدن فوری سیگنال ها در مسیرهای طولانی کمک می کند. هم چنین از نشست سیگنال ها در مواقعی که فیبر از مسیر خم می شود جلوگیری می کند. برای مشاهده این پدیده می توانید به جای آکواریوم از بلوک های پلاستیکی شفاف که در فروشگاه های لوازم پلاستیکی قابل خریداری هستند استفاده کنید.

مترجم: مینا نقش نژاد

تنظیم: نسرین صادقی