درس 1: شکست در مرز

شکست و نقطه ی دید

یادآوری می کنیم که ما قادر به مشاهده ی (اجسامی) اشیائی هستیم که نور آن جسم به چشم ما برسد. در دسته بندی اجسام پیرامونمان آن ها را به دو گروه "منیر" و "غیر منیر" تقسیم می کنیم. وقتی نور اجسام منیر به چشم فردی برسد، آن جسم توسط آن فرد دیده می شود. اما اجسام غیر منیر، نوری از خود ندارد و برای مشاهده شدن آن ها باید نور به آن جسم تابیده و از آن جسم بازتاب شود، بازتاب نور از جسم غیر منیر سبب مشاهده شدن آن توسط افراد می گردد. شما با آزمایشات ساده ای می توانید به این موضوع پی ببرید که نور در راستای یک خط مستقیم حرکت می کند. فرض کنید بخواهید وجه های مختلف یک مکعب را مشاهده کنید، مثلاً شما برای مشاهده ی سطح بالایی مکعب، مجبورید نقطه دید خود را در راستایی قرار دهیم که پرتوهای نور که از سطح بالایی در مسیر مستقیم حرکت می کنند، به چشم شما برسد.

مسیر حرکت نور در یک محیط در یک خط مستقیم است. البته اگر چه با عبور پرتو نور از محیط اول به محیط دوم، پرتو نور شکسته می شود (خمیده می شود). اما پدیده شکست تنها در مرز اتفاق می افتد. وقتی نور از مرز جداکننده ی دو محیط می گذرد، به مسیر مستقیم الخط خود ادامه می دهد. اما جهت حرکت مسیر در دو محیط با هم متفاوت است. اگر هنگام مشاهده ی یک جسم، نوری که از جسم به چشم ما می رسد در مسیرش تغییر محیط دهد، پدیده ی انحراف دیداری رخ می دهد.

هنگامی که یک مداد را داخل یک لیوان نیمه پر از آب قرار می دهید؛ می توانید پدیده ی انحراف دیداری را تجربه نمایید. هنگامی که شما از کنار لیوان به قسمتی از مداد که در بالای سطح آب قرار گرفته، نور مستقیماً از مداد به چشم شما می رسد. چون تغییر محیط نداشته، شکست رخ نمی دهد. ( در واقع دو تغییر محیط، از هوا به شیشه و دوباره به هوا وجود دارد و چون شیشه بسیار نازک است و حرکت آغازی و پایانی حرکت نور در هواست. شکست داخل و خارج شیشه، انحراف بسیار ناچیزی از مسیر اولیه ی حرکت نور وجود دارد. )

وقتی که از بالا به صورت غیر عمودی به مداد داخل آب، نگاه کنیم. مسیر پرتو نور از آب به هوا ( یا از آب به شیشه و به هوا ) می باشد. پرتوهای نور تغییر محیط داشته، در نتیجه شکست پیدا می کنند. به نظر می رسد مداد شکسته شده است به علاوه، قسمتی از مداد که داخل آب قرار گرفته است، پهن تر از قسمتی از مداد که در آب نیست، دیده می شود. این انحراف دیداری توسط شکست قابل توضیح است.

در این مورد، مسیر پرتوهایی که از مداد داخل آب، به چشم ما رسیده، از مسیر پرتوهای اصلی که درون آب ساطع شده اند، منحرف شده اند. در واقع پرتو داخل آب حرکت کرده، به مرز رسیده، شکسته می شود و به هوا می رسد، و نهایتاً پس از حرکت در هوا به چشم می رسد.

در مرز، پرتو می شکند. تعامل بین مغز و چشم قادر به درک و تجزیه و تحلیل شکست نور نیستند. مغز مکان تصویر را آنجایی در نظر می گیرد که به نظر می رسد، پرتوها از آنجا می آیند. مکان تصویر، همان مکانی است که پرتوهای بازتابی و شکستی نور با هم تقاطع یافته اند. چشم و مغز فرض می کنند که نور به خط مستقیم حرکت می کند. پرتوهای نوری که از مداد داخل آب می آیند نسبت به پرتوهایی مداد بیرون از آب، در یک راستا نیستند. به همین علت، بخش بیرونی و داخلی آب مداد در نقاط متفاوتی مشاهده می شوند. شکل سمت راست، مسیر نور آن بخش از مداد را نشان می دهد که در آب قرار دارد، و به دو چشم شما می رسد.

فقط دو نقطه انتهایی که نمایش دهنده لبه های مداد است در نظر گرفته شده است. خطوط آبی، مسیر نور ورودی به چشم راست را نشان می دهد و خطوط قرمز، مسیر نور وارد شده به چشم چپ را نمایش می دهد.

مسیر نور در مرز می شکند. خط چین ها امتداد خطوط دید را از عقب به سمت آب نشان می دهند. امتداد این خطوط در نقطه ی داده شده، یکدیگر را قطع می کنند. نقطه ای که نشان دهنده ی تصویر دو انتهای چپ و راست مداد است در نهایت، تصویر مشاهده شده از مداد، پهن تر از اندازه ی حقیقی مداد است. در پایین یک مدل پرتویی مناسب وجود دارد که شکست نور را در مرزها به خوبی توجیه می کند.

پدیده ی شکست و ایجاد تصویر مجازی همانند آنچه در بالا توضیح داده شده است، به طور روزمره برای ماهیگیران نیز رخ می دهد. شاید برای ماهی خوش شانسی باشد که نور هنگام خروج از آب می شکند و تصویر مجازی در عمق ظاهری ایجاد می شود.

 شکست در مرز آب – هوا رخ می دهد و منجر به خمیدگی مسیر نور می شود و ماهی در عمقی که وجود ندارد، دیده می شود (عمق ظاهری). انحراف دیداری ایجاد شده، باعث می شود که ماهی گیر نیزه اش را در نقطه ای از آب بیندازد که به نظر می رسد ماهی آنجاست، اما در واقع ماهی را از دست می دهد. پس به نظر می رسد که ماهی هرگز نگران صید شدن نیست چون می داند که پرتوهای نور در مرز می شکنند و ماهی گیر هرگز عمق واقعی اش را نمی یابد. انگار ماهی مدرسه رفته و تمام این مطالب را می داند؟!

اگر ماهی ها تکالیف درس فیزیک خود را به خوبی انجام داده باشند، متوجه می شوند که میزان عمق ظاهری به زاویه ای که نور به مرز نزدیک می شود، بستگی دارد. در درس های بعدی جزئیات بیشتری در مورد رابطه بین زاویه برخورد به مرز و عمق ظاهری ارائه خواهد شد. در حال حاضر، کافی است بدانید که اگر ماهی گیر به صورت عمودی به ماهی نگاه کند، مکان فعلی و واقعی ماهی یکسان خواهد بود و خوب است بدانیم که هر چقدر نقطه دید ماهی گیر به خط عمود بر آن نزدیکتر باشد، شکست کمتر خواهد بود.

پس موفق ترین ماهی گیر؛ کسی است که نقطه دید خود را عمود بر آن تنظیم کند و باهوش ترین ماهی، آن است که وقتی ماهی گیر را در این راستا دیدند، به عمق بیشتری در آب بروند.

شکست وقتی روی می دهد که نور از مرز دو محیط عبور کند، در بیشتر موارد با انحراف دیداری مواجه می شویم که این زمانی رخ می دهد که نور در راه رسیدن از جسم به چشم در مسیر خود تغییر محیط داشته باشد.

مرکز یادگیری سایت تبیان - تهیه و تنظیم : نوربخش