شکست در يک مرز

درس 1

رفتار مرزي

وقتي موجي به انتهاي يک محيط مي رسد؛ فقط متوقف نمي شود. بلکه موج با رسيدن به انتهاي يک محيط، رفتار متفاوت و مشخصي از خود نشان مي دهد؛ مقداري از موج در محيط اول بازتاب مي شود و قسمتي از آن به محيط دوم عبور مي کند. موج عبوري شکسته مي شود (منحرف مي شود). اگر مرز موجود مانعي با ابعاد کوچکتر از طول موج باشد؛ آنگاه در اطراف جسم پراش قابل مشاهده اي خواهيم داشت. بازتاب، شکست و پراش در درس 10 و 11 تعريف شده است. در مورد امواج صوتي هم مي توان پديده هاي فوق را طبق همين شرايط مرزي بررسي نمود.

در اين مقاله، به بررسي شکست نور به صورت جزئي خواهيم پرداخت. مفاهيم پايه اي و روابط رياضي يک موج را وقتي که به مرز دو محيط رسيده مي شود، بررسي خواهيم کرد. حال زماني را در نظر مي گيريم که يک موج به انتهاي يک محيط مي رسد.

رفتار مرزي براي موج در طناب

فرض کنيد طناب نازک و ضخيمي در کنار همديگر در يک نقطه به هم متصلند و انتهاي اين طناب ها توسط افرادي گرفته شده است. هم چنين فرض کنيد، فردي که انتهاي طناب نازک را گرفته تپي (پالسي) را ايجاد مي کند. اين تپ در محيط اول که چگالي کمتري دارد (طناب نازک) جابه جا شده و به مرز با محيط دوم که چگالي بيشتري دارد (طناب ضخيم) مي رسد.

 

در مرز، دو اتفاق رخ مي دهد:

بخشي از انرژي پس از برخورد به مرز بازتاب کرده و به سمت چپ حرکت کرده تا به انتهاي طناب نازک برسد. به موجي که پس از برخورد با مرز، بازتاب ميکند و در جهت عکس موج فرودي حرکت مي کند، موج بازتابي نام دارد.

در اين بخش ها يادآوري شد که تقسيم انرژي موج فرودي به انرژِي امواج بازتابي و عبوري با تغيير در اندازه سرعت و طول موج همراه است. وقتي موجي از يک محيط باچگالي کمتر به محيطي با چگالي بيشتر عبور مي کند، هم طول موج و هم سرعت کاهش مي يابد؛ و بر عکس وقتي موجي از محيطي با چگالي بيشتر به محيطي با چگالي کمتر مي رود؛ سرعت و طول موج هر دو افزايش مي يابند.

شکست موج هاي نور

بحث بالا فقط در مورد امواجي بود که در طول طناب حرکت مي کنند. اما چه اتفاقي براي امواج نور رخ مي دهد وقتي در يک محيط سه بعدي حرکت مي کنند؟ مثلاً براي امواج نور که در هوا حرکت مي کنند و به محيط ديگري مثل سطح شيشه برخورد مي کنند؟

 چه طور مي توان امواج عبوري و بازتابي نور را توضيح داد؟ اولاً، توجه کنيد که رفتار امواج نور مانند موجي است که در طناب حرکت مي کرد: بخشي از موج از مرز عبور کرده و وارد شيشه مي شود و بخش ديگري از موج بازتاب شده و به هوا بر مي گردد. ثانياً، تغييراتي که براي امواج عبوري و بازتابي در طناب مي افتد؛ براي امواج نور در هوا و شيشه نيز رخ مي دهد. تغيير در سرعت نور و طول موج آن وقتي که از مرز عبور کرده و در شيشه حرکت مي کند، مشاهده مي شود. سرعت و طول موج نور در شيشه کاهش مي يابد. در پايان، مهم ترين چيزي که مشاهده مي شود اين است که جهت نور هنگام عبور از مرز جدا کننده ي هوا و شيشه تغيير مي کند. جهت حرکت امواج نور در هوا با جهت حرکتشان در شيشه متفاوت است. اين جهش در مسير امواج نور به شکست نور معروف است. موج عبوري اين شکست نور را در مرز تجربه مي کند. همان طور که در شکل سمت راست مشاهده مي شود، هر يک از جبهه هاي موج فقط در برخورد با مرز خم مي شوند. هنگامي که جبهه موج از مرز عبور مي کند در يک مسير مستقيم حرکت مي کند. براي همين، شکست هم يکي از شرايط مرزي در نظر گرفته مي شود. پرتوها به صورت عمود بر جبهه هاي موج رسم مي شوند. اين پرتوها مسير حرکت امواج نور را نشان مي دهند. مشاهده مي کنيد که پرتو در هر دو محيط در يک مسير خط راست حرکت مي کند.

مدل پرتويي نور

وقتي بتوانيم رفتار نور را مانند رفتار موجي در نظر بگيريم. مي توانيم از پاره خط جهت داري (برداري) براي نمايش دادن مسير نور در محيط هاي مختلف استفاده نماييم. مسير حرکت موج نور (بردار K) بر جبهه هاي موج نور عمود است. در اين بخش، مي توان نور را به شکل جرياني از ذرات که قسمت جلوي اين جريان با نوک پيکان نشان داده مي شود، در نظر گرفت.

مرکز يادگيري سايت تبيان - تهيه و تنظيم : نوربخش