چرا آسمان رنگی است؟ - جلسه دوم

اهداف:

آشنایی با مفهوم سرعت نور (در خلاء و مواد دیگر)
درک تفاوت سرعت طول موج های مختلف نور در مواد
آشنایی با طرز کار منشور
تحلیل تأثیر شکست نور به عنوان یک نظریه برای رنگ آبی آسمان

وسایل مورد نیاز:

کاغذ سفید
منشور مثلثی
خط کش پلاستیکی شفاف

مفاهیم پایه

در ابتدای این جلسه آزمایش های احتمالی ای که برای جدا شدن و یا ترکیب رنگ های نور سفید، انجام داده اید را مرور کنید. از مرور این آزمایش ها می خواهیم به آزمایش منشور و سپس از آن به مفاهیم سرعت نور و ضریب شکست برسیم. به نظر شما آیا شکست نور، باعث آبی بودن آسمان است یا خیر؟

شکست نور در منشور

بحث اول:

جلسه گذشته به آزمایش هایی فکر کردیم که جدا شدن و یا ترکیب رنگ های نور سفید با هم را نشان می دهد. تک تک آزمایش هایی که به ذهنتان رسیده است را یادداشت نمایید. ممکن است موارد مختلفی به ذهن تان رسیده باشد. مثلاً نگاه کردن به نوری که از یک خط کش پلاستیکی شفاف گذشته است و مشاهده ی رنگ های جدا شده ی نور که از آن خارج می شوند.

یک اشتباه معمول که ممکن است پیش بیاید این است که می خواهند از ترکیب رنگ های مداد رنگی یا چیزی شبیه به آن به جواب برسید، که این امر غیر ممکن است. خوب است که این مطلب همین جا توضیح داده شود.

ترکیب رنگ های مداد رنگی

"وقتی جایی را رنگ می کنیم، مثلاً اگر قسمتی از صفحه ی دفترمان را با رنگ قرمز، رنگ می کنیم، معنی اش این است که این قسمت از دفترمان که قرمز رنگ شده است تمامی رنگ های نور تابیده شده به آن را جذب می کند و فقط نور قرمز را باز می تابد و مثلاً اگر به محلی که قرمز رنگ شده است نور تک رنگ آبی که در آن رنگ قرمز وجود ندارد بتابانیم آن محل را به رنگ سیاه می بینیم. (سیاه یعنی هیچ نوری از آن بازتاب نمی شود) به همین دلیل است که صفحه ی سفید، سفید است. یعنی چون هیچ رنگی ندارد، تمام نوری را که به آن می تابد بازتاب می کند و ما ترکیب همه ی رنگ ها، یعنی سفید را می بینیم. حال اگر دو رنگ مختلف مداد رنگی را با هم ترکیب کنیم، نورهایی که جذب می کنند را افزایش داده ایم و آن را به رنگ سیاه نزدیک تر کرده ایم.

مثال خوب دیگری که می توان مطرح کرد، مثال منشور است. منشور معمولاً به شکل مثلث است و از شیشه و یا پلاستیک شفاف درست شده است. اگر منشور را مقابل نور سفید قرار دهیم، نوری که از آن خارج شده به رنگ های تشکیل دهنده ی آن تفکیک می شود.

آزمایش: در یک مقوا یک سوراخ برای عبور نور خورشید درست کنید. آن را رو به روی خورشید بگذارید و منشور را پشت سوراخ قرار دهید. یک کاغذ سفید دیگر را به عنوان پرده پشت منشور قرار دهید تا جدا شدن (پاشندگی) رنگ های نور سفید روی آن مشخص شود.

رنگ های متشکل از شکست نور در منشور

بحث دوم:

به مبحث موج بر می گردیم. گفتیم نورهای با رنگ های مختلف امواجی هستند با طول موج های مختلف.

در مورد مفهوم سرعت نور چه می دانید؟

سرعت نور یک ثابت جهانی و در خلاء برابر با 299،792،458 متر بر ثانیه است.

در محاسبات عادی که دقت زیادی مورد نیاز نیست، سرعت نور را برابر با 300000 کیلومتر بر ثانیه می‌گیرند.

سرعت نور را با C نمایش می دهند.

سرعت نور بیشترین سرعت ممکن در طبیعت است. یعنی هیچ چیزی در طبیعت نمی تواند با سرعتی بیش از این حرکت کند.

سرعت نور در مواد شفاف مختلف متفاوت است.

اندازه گیری های مختلفی برای به بدست آوردن سرعت نور انجام شده است.

(جدول 1؛ صفحه ی 9 ، فیزیک هالیدی جلد 4 ، مرکز نشر دانشگاهی)

نکته ای که باید به آن توجه کنیم این است که سرعت نور در خلاء برای همه ی طول موج ها یکسان است. یعنی نور آبی، قرمز، زرد و ... همگی با همان سرعت C در خلاء حرکت می کنند. اما نور درون مواد، مثل هوا، شیشه و یا آب با سرعت کمتری حرکت می کند. در نتیجه اگر نور از محیطی رقیق وارد محیط غلیظ شود، مسیرش کج می شود و یا به اصطلاح می شکند.

همان طور که می دانید هر ماده ی شفاف یک مشخصه به نام ضریب شکست دارد که با n نشان داده می شود. ضریب شکست خلاء 1 است و هر چه ماده غلیظ تر باشد ضریب شکست بیشتر است. سرعت نور در ماده ای با ضریب شکست n برابر است با c/n. پس در محیط غلیظ تر سرعت نور کمتر است. اگر نور از محیطی با ضریب شکست n₁ به طور مایل به محیطی با ضریب شکست n₂ وارد شود می شکند.

زاویه شکست نور

اگر به منشور یک نور تک رنگ بتابانیم ، نور تک رنگ منحرف می شود(می شکند).

سپس به اصلی به نام اصل فرما می رسیم:

اصل فرما: نور برای رفتن از نقطه ی A به نقطه B ، مسیری را می پیماید که کم ترین زمان ممکن را طول بکشد و برای همین است که نور همیشه روی یک خط راست حرکت می کند.

شکست نور به دلیل اصل فرما روی می دهد. زیرا دیگر مسیر مستقیم بین A و B کوتاه ترین زمان ممکن را ندارد.

شناگری را تصور کنید که در ساحل ایستاده و شخصی را در دریا می بیند که در حال غرق شدن است و تصمیم می گیرد غریق را نجات دهد. این شناگر باید چه مسیری را طی کند تا زودتر به غریق برسد ؟ (بهتر است بیشتر مسیر را در ساحل بدود و کمتر در آب باشد، زیرا سرعت دویدن بیشتر از سرعت شناکردن است. مسیری که شناگر طی می کند، مانند شکست نور از محیط رقیق به غلیظ است.

نکته مهم این است که در یک ماده، ضریب شکست برای طول موج های مختلف متفاوت است. در نتیجه در گذار از محیطی با ضریب شکست n₁ به محیطی با ضریب شکست n₂ زاویه انحراف برای رنگ مختلف متفاوت است و در نتیحه رنگ های مختلف نور سفید در گذر از منشور از هم جدا می شوند.

زاویه انحراف نور

حال شکل نمادین کره زمین را مشاهده نمایید.

حال مصادیقی برای اصل فرما بیان کنید.(ساده ترین و مهمترین آن ها حرکت نور بر خط راست است.)

آیا می توانید تجزیه نور سفید به رنگ های تشکیل دهنده و یا ترکیب نورهای رنگی را با مسئله ترکیب رنگ های مداد رنگی به درستی تمیز دهید؟

تکلیف:

برای این جلسه در مورد این موضوع تحقیق کنید که آیا شکست نور می تواند دلیلی برای آبی بودن آسمان روز و یا رنگ سرخ خورشید هنگام غروب باشد؟

در مورد پاسخ سوالات بالا که شامل مصادیقی برای اصل فرما و تجزیه نور سفید است، فکر کنید و نتایج را یاداداشت کنید.

منابع مطالعه: از کتاب الفبای نور هندسی که در جلسه قبل معرفی شد مباحث: اصل فرما، اتاق تاریک، سایه و نیم‌سایه، تشکیل سایه ناشی از چشمه‌ی نقطه‌ای نور و گسترده‌ی نورانی، تعیین مکان تصویر به‌کمک ترسیم پرتوها، منشورها و انحراف نور در عبور از تیغه‌ی شفاف را مطالعه نمایید.

برای آشنایی بیشتر با اصل فرما و شکست نور فصل 5 کتاب فیزیک 1 و آزمایشگاه را مطالعه نمایید.