فصل 15 (علوم تجربی هشتم)

فصل 15 (علوم تجربی هشتم)

شکست نور چیست؟

شکست نور: پدیده‌ای که هنگام عبور مایل نور از یک محیط شفاف به محیط شفاف دیگر رخ می‌دهد و مسیر نور را تغییر می‌دهد. علتش این است که سرعت نور در محیط‌های مختلف فرق دارد.

دو شرط لازم است:

• نور باید مایل به سطح بتابد. اگر عمود بتابد، بدون هیچ تغییری به راهش ادامه می‌دهد و شکستی رخ نمی‌دهد.
• دو محیط باید متفاوت باشند؛ مثل هوا و شیشه، یا آب و هوا.

محیط رقیق: نور در آن تندتر حرکت می‌کند (هوا). محیط غلیظ: نور در آن کندتر حرکت می‌کند (آب، شیشه).

قانون شکست نور:

• از رقیق به غلیظ (هوا به شیشه) ← نور به خط عمود نزدیک می‌شود.
• از غلیظ به رقیق (شیشه به هوا) ← نور از خط عمود دور می‌شود.

خط عمود خطی فرضی است که بر سطح مرزی دو محیط عمود است؛ جهت شکست همیشه نسبت به این خط سنجیده می‌شود.

نمونهٔ آشنا: سکه‌ای که ته کاسه دیده نمی‌شد، با ریختن آب دیده می‌شود؛ چون نور از آب به هوا می‌رود، از خط عمود دور می‌شود و مسیرش به سمت چشم تغییر می‌کند.

شکست نور در منشور

منشور: قطعه‌ای شفاف از شیشه یا پلاستیک با مقطع مثلثی و سه وجه غیرموازی.

نور مایل هنگام عبور از منشور دو بار می‌شکند: در ورود به خط عمود نزدیک و در خروج از آن دور می‌شود. نتیجه این است که نور از مسیر اولیه‌اش منحرف و به سمت قاعدهٔ منشور خم می‌شود.

پاشندگی نور

پاشندگی نور: تجزیهٔ نور سفید به رنگ‌های تشکیل‌دهنده‌اش هنگام عبور از منشور. نور سفید یک رنگ خالص نیست، بلکه آمیزه‌ای از رنگ‌های مختلف است:

چرا رنگ‌ها جدا می‌شوند؟ چون هر رنگ در منشور به اندازهٔ متفاوتی می‌شکند: بنفش بیشترین و قرمز کمترین شکست را دارد. رنگین‌کمان هم پاشندگی طبیعی نور خورشید در قطره‌های آب است.

اسحاق نیوتون (۱۶۴۲–۱۷۲۷)، دانشمند انگلیسی، نخستین بار نشان داد نور سفید خورشید آمیزه‌ای از رنگ‌هاست.

عدسی‌ها

عدسی: قطعه‌ای شفاف با سطوح منحنی که نور را می‌شکند و تصویر می‌سازد.

عدسی همگرا (کوژ): وسطش از لبه‌ها ضخیم‌تر است؛ پرتوهای موازی را جمع می‌کند و در نقطه‌ای به نام کانون گرد می‌آورد. کانونش حقیقی است. مثال: ذره‌بین، عینک دوربینی.

عدسی واگرا (کاو): لبه‌هایش از وسط ضخیم‌تر است؛ پرتوهای موازی را پراکنده می‌کند و کانونش مجازی است — پرتوها فقط به‌نظر می‌رسد از نقطه‌ای پشت عدسی می‌آیند. تصویرش همیشه کوچک‌تر، مجازی و مستقیم است. مثال: عینک نزدیک‌بینی.

فاصلهٔ کانونی: فاصلهٔ مرکز عدسی تا کانون. برای پیدا کردنش، عدسی همگرا را مقابل نور خورشید بگیر و مقوا را زیرش نگه دار؛ وقتی لکهٔ نورانی کوچک‌ترین اندازه شد، آن فاصله همان فاصلهٔ کانونی است.

عدسی همگرا را می‌توان ترکیبی از منشورها تصور کرد که به سمت مرکز خم شده‌اند؛ نور در هر بخش مثل منشور می‌شکند و به کانون می‌رسد.

عدسی در چشم و بینایی

• نزدیک‌بینی: فرد اجسام دور را خوب نمی‌بیند، چون تصویر جلوی شبکیه تشکیل می‌شود. درمان: عدسی واگرا که تصویر را عقب می‌برد.
• دوربینی: فرد اجسام نزدیک را خوب نمی‌بیند، چون تصویر پشت شبکیه تشکیل می‌شود. درمان: عدسی همگرا که تصویر را جلو می‌آورد.

تلسکوپ‌ها

تلسکوپ وسیله‌ای نوری است که دیدن اجرام آسمانی دور را با وضوح بیشتر ممکن می‌کند و دو نوع دارد:

• شکستی: با عدسی همگرا کار می‌کند — گالیله، ۱۶۰۹ میلادی.
• بازتابی: با آینهٔ کاو کار می‌کند — نیوتون، ۱۶۷۲ میلادی.

یعنی اگر قطر ۲ برابر شود، نور جمع‌شده ۴ برابر می‌شود. تلسکوپ ۳۰ میلی‌متری نسبت به چشم انسان در شب (قطر مردمک ۶ میلی‌متر) ۲۵ برابر نور جمع می‌کند.

رصدخانهٔ ملی ایران (INO340): روی قلهٔ گرگش با ارتفاع ۳۶۰۰ متر نزدیک قمصر کاشان؛ قطر آینهٔ اصلی ۳٫۴ متر. اولین نور را در مهرماه ۱۴۰۱ ثبت کرد.

ابن هیثم، پدر نورشناسی نوین

ابن هیثم (۳۴۴–۴۱۹ هجری شمسی) زادهٔ بصره و از دانشمندان بزرگ عصر طلایی علوم اسلامی بود. کتاب «المناظر» او در هفت مقاله، ماهیت نور، رنگ و بینایی را بر پایهٔ اصول ریاضی و تجربی بررسی کرد. به مناسبت هزار سال از تألیف آن، سال ۱۳۹۴ شمسی (۲۰۱۵ میلادی) از سوی یونسکو «سال جهانی نور» نام گرفت.

نکات فراتر

• ضریب شکست: نشان می‌دهد نور در یک محیط چقدر نسبت به خلأ کند می‌شود؛ هرچه بزرگ‌تر، محیط غلیظ‌تر و شکست بیشتر. هوا حدود ۱، آب ۱٫۳۳ و شیشه حدود ۱٫۵.
• بازتاب کامل داخلی: اگر نور بخواهد از محیط غلیظ به هوا برود و زاویهٔ تابش از «زاویهٔ بحرانی» بیشتر شود، نور خارج نمی‌شود و کاملاً به داخل بازمی‌گردد. فیبر نوری بر همین اصل کار می‌کند.
• چرا استخر کم‌عمق‌تر به نظر می‌رسد؟ نور از آب به هوا از خط عمود دور می‌شود و چشم فکر می‌کند کف استخر بالاتر است.

اشتباهات رایج

• هر عبور نور از محیطی به محیط دیگر شکست نیست؛ تابش عمود نمی‌شکند.
• رنگین‌کمان (پاشندگی) و آبی بودن آسمان (پراکندگی نور آبی توسط مولکول‌های هوا) دو پدیدهٔ متفاوت‌اند.
• تفاوت عدسی همگرا و واگرا فقط شکل نیست؛ نوع کانون و تصویر هم فرق دارد.
• نزدیک‌بین در دیدن اجسام دور مشکل دارد، نه نزدیک.
• عدسی بر پایهٔ شکست و آینه بر پایهٔ بازتاب تصویر می‌سازد.
• دو برابر شدن قطر تلسکوپ، نور جمع‌شده را ۴ برابر می‌کند.

نمونه سؤال

سؤال ۱: چرا وقتی نور به‌طور مایل از هوا وارد آب می‌شود به سمت خط عمود می‌شکند، ولی وقتی همان نور از آب به هوا برمی‌گردد از خط عمود دور می‌شود؟

پاسخ: آب نسبت به هوا محیط غلیظ‌تری است و نور در آن کندتر حرکت می‌کند. طبق قانون شکست، ورود از رقیق به غلیظ نور را به خط عمود نزدیک و خروج از غلیظ به رقیق آن را از خط عمود دور می‌کند. جهت شکست فقط به همین بستگی دارد، نه به مرحلهٔ مسیر.

سؤال ۲: دانش‌آموزی می‌خواهد تلسکوپی بسازد که توانایی جمع‌آوری نورش ۱۶ برابر چشم انسان در شب (قطر مردمک ۶ میلی‌متر) باشد. قطر عدسی یا آینهٔ آن باید چند میلی‌متر باشد؟

پاسخ: توانایی جمع‌آوری نور با مجذور قطر متناسب است. برای ۱۶ برابر شدن این توانایی، قطر باید جذر ۱۶ یعنی ۴ برابر شود (چون ۴×۴ = ۱۶). پس قطر لازم برابر است با ۴ × ۶ = ۲۴ میلی‌متر.

جمع‌بندی

شکست نور هنگام عبور مایل نور بین دو محیط شفاف رخ می‌دهد: از رقیق به غلیظ به خط عمود نزدیک و از غلیظ به رقیق از آن دور می‌شود. منشور این شکست را دو بار اعمال می‌کند و چون هر رنگ به اندازهٔ متفاوتی می‌شکند، نور سفید به طیف رنگین تجزیه می‌شود (پاشندگی). عدسی‌ها هم از همین اصل استفاده می‌کنند، با کاربرد مستقیم در تصحیح بینایی و رصد آسمان.