شکست در یک مرز

درس 1

رفتار مرزی

وقتی موجی به انتهای یک محیط می رسد؛ فقط متوقف نمی شود. بلکه موج با رسیدن به انتهای یک محیط، رفتار متفاوت و مشخصی از خود نشان می دهد؛ مقداری از موج در محیط اول بازتاب می شود و قسمتی از آن به محیط دوم عبور می کند. موج عبوری شکسته می شود (منحرف می شود). اگر مرز موجود مانعی با ابعاد کوچکتر از طول موج باشد؛ آنگاه در اطراف جسم پراش قابل مشاهده ای خواهیم داشت. بازتاب، شکست و پراش در درس 10 و 11 تعریف شده است. در مورد امواج صوتی هم می توان پدیده های فوق را طبق همین شرایط مرزی بررسی نمود.

در این مقاله، به بررسی شکست نور به صورت جزئی خواهیم پرداخت. مفاهیم پایه ای و روابط ریاضی یک موج را وقتی که به مرز دو محیط رسیده می شود، بررسی خواهیم کرد. حال زمانی را در نظر می گیریم که یک موج به انتهای یک محیط می رسد.

رفتار مرزی برای موج در طناب

فرض کنید طناب نازک و ضخیمی در کنار همدیگر در یک نقطه به هم متصلند و انتهای این طناب ها توسط افرادی گرفته شده است. هم چنین فرض کنید، فردی که انتهای طناب نازک را گرفته تپی (پالسی) را ایجاد می کند. این تپ در محیط اول که چگالی کمتری دارد (طناب نازک) جابه جا شده و به مرز با محیط دوم که چگالی بیشتری دارد (طناب ضخیم) می رسد.

در مرز، دو اتفاق رخ می دهد:

بخشی از انرژی پس از برخورد به مرز بازتاب کرده و به سمت چپ حرکت کرده تا به انتهای طناب نازک برسد. به موجی که پس از برخورد با مرز، بازتاب میکند و در جهت عکس موج فرودی حرکت می کند، موج بازتابی نام دارد.

در این بخش ها یادآوری شد که تقسیم انرژی موج فرودی به انرژِی امواج بازتابی و عبوری با تغییر در اندازه سرعت و طول موج همراه است. وقتی موجی از یک محیط باچگالی کمتر به محیطی با چگالی بیشتر عبور می کند، هم طول موج و هم سرعت کاهش می یابد؛ و بر عکس وقتی موجی از محیطی با چگالی بیشتر به محیطی با چگالی کمتر می رود؛ سرعت و طول موج هر دو افزایش می یابند.

شکست موج های نور

بحث بالا فقط در مورد امواجی بود که در طول طناب حرکت می کنند. اما چه اتفاقی برای امواج نور رخ می دهد وقتی در یک محیط سه بعدی حرکت می کنند؟ مثلاً برای امواج نور که در هوا حرکت می کنند و به محیط دیگری مثل سطح شیشه برخورد می کنند؟

چه طور می توان امواج عبوری و بازتابی نور را توضیح داد؟ اولاً، توجه کنید که رفتار امواج نور مانند موجی است که در طناب حرکت می کرد: بخشی از موج از مرز عبور کرده و وارد شیشه می شود و بخش دیگری از موج بازتاب شده و به هوا بر می گردد. ثانیاً، تغییراتی که برای امواج عبوری و بازتابی در طناب می افتد؛ برای امواج نور در هوا و شیشه نیز رخ می دهد. تغییر در سرعت نور و طول موج آن وقتی که از مرز عبور کرده و در شیشه حرکت می کند، مشاهده می شود. سرعت و طول موج نور در شیشه کاهش می یابد. در پایان، مهم ترین چیزی که مشاهده می شود این است که جهت نور هنگام عبور از مرز جدا کننده ی هوا و شیشه تغییر می کند. جهت حرکت امواج نور در هوا با جهت حرکتشان در شیشه متفاوت است. این جهش در مسیر امواج نور به شکست نور معروف است. موج عبوری این شکست نور را در مرز تجربه می کند. همان طور که در شکل سمت راست مشاهده می شود، هر یک از جبهه های موج فقط در برخورد با مرز خم می شوند. هنگامی که جبهه موج از مرز عبور می کند در یک مسیر مستقیم حرکت می کند. برای همین، شکست هم یکی از شرایط مرزی در نظر گرفته می شود. پرتوها به صورت عمود بر جبهه های موج رسم می شوند. این پرتوها مسیر حرکت امواج نور را نشان می دهند. مشاهده می کنید که پرتو در هر دو محیط در یک مسیر خط راست حرکت می کند.

مدل پرتویی نور

وقتی بتوانیم رفتار نور را مانند رفتار موجی در نظر بگیریم. می توانیم از پاره خط جهت داری (برداری) برای نمایش دادن مسیر نور در محیط های مختلف استفاده نماییم. مسیر حرکت موج نور (بردار K) بر جبهه های موج نور عمود است. در این بخش، می توان نور را به شکل جریانی از ذرات که قسمت جلوی این جریان با نوک پیکان نشان داده می شود، در نظر گرفت.

مرکز یادگیری سایت تبیان - تهیه و تنظیم : نوربخش