תמונות בעדשות, פעולת מכשירים כמו מיקרוסקופים וטלסקופים, תופעת הקשתות והתפיסה המתעתעת של עומק גוף מים הם כולם דוגמאות לתופעת שבירת האור. החוקים המתארים תופעה זו נדונים במאמר זה.
תופעת השבירה
לפני שנבחן את חוקי שבירת האור בפיזיקה, בואו נכיר את מהות התופעה עצמה.
כפי שאתם יודעים, אם המדיום הומוגני בכל נקודות החלל, האור ינוע בו לאורך נתיב ישר. שבירה של נתיב זה מתרחשת כאשר אלומת אור חוצה בזווית את הממשק בין שני חומרים שקופים, כגון זכוכית ומים או אוויר וזכוכית. במעבר למדיום הומוגני אחר, האור ינוע גם הוא בקו ישר, אבל הוא כבר יופנה בזווית כלשהי למסלול שלו במדיום הראשון. זוהי תופעת השבירה של קרן האור.
הסרטון למטה מדגים את תופעת השבירה באמצעות זכוכית כדוגמה.
הנקודה החשובה כאן היא זווית הפגיעהמישור ממשק. ערכה של זווית זו קובע אם תופעת השבירה תיצפה או לא. אם הקרן נופלת בניצב לפני השטח, אז לאחר שעברה למדיום השני, היא תמשיך לנוע באותו קו ישר. המקרה השני, כאשר השבירה לא תתרחש, הן זוויות ההתרחשות של אלומה העוברת ממדיום צפוף יותר מבחינה אופטית למדיום פחות צפוף, שהן גדולות מערך קריטי כלשהו. במקרה זה, אנרגיית האור תשתקף לחלוטין בחזרה למדיום הראשון. ההשפעה האחרונה נדון להלן.
חוק השבירה הראשון
ניתן לקרוא לזה גם חוק שלוש קווים במישור אחד. נניח שיש קרן אור A הנופלת על הממשק בין שני חומרים שקופים. בנקודה O, האלומה נשברת ומתחילה לנוע לאורך הישר B, שאינו המשך של A. אם נחזיר את האנך N למישור ההפרדה לנקודה O, אזי החוק ה-1 לתופעה של ניתן לנסח את השבירה באופן הבא: קרן התקיפה A, הקרן הרגילה N והקרן הנשברת B שוכנות באותו מישור, הניצב למישור הממשק.
החוק הפשוט הזה אינו מובן מאליו. הניסוח שלו הוא תוצאה של הכללה של נתונים ניסויים. מבחינה מתמטית, ניתן לגזור אותו באמצעות מה שנקרא עקרון פרמה או עקרון הזמן הקטן ביותר.
חוק השבירה השני
מורים לפיזיקה בבית הספר לרוב נותנים לתלמידים את המשימה הבאה: "נסח את חוקי שבירה של האור." שקלנו אחד מהם, עכשיו נעבור לשני.
סמן את הזווית בין קרן A למאונך N בתור θ1, הזווית בין קרן B ל-N תיקרא θ2. אנו גם לוקחים בחשבון שמהירות קרן A במדיום 1 היא v1, מהירות קרן B במדיום 2 היא v2. כעת נוכל לתת ניסוח מתמטי של החוק השני עבור התופעה הנבדקת:
sin(θ1)/v1=sin(θ2)/ v2.
נוסחה זו הושגה על ידי סנל ההולנדי בתחילת המאה ה-17 וכעת היא נושאת את שם משפחתו.
מסקנה חשובה נובעת מהביטוי: ככל שמהירות התפשטות האור במדיום תהיה גדולה יותר, כך הקרן תהיה רחוקה מהנורמלי (כך הסינוס של הזווית גדול יותר).
המושג של אינדקס השבירה של המדיום
נוסחת Snell לעיל כתובה כרגע בצורה מעט שונה, שהיא נוחה יותר לשימוש בעת פתרון בעיות מעשיות. ואכן, מהירות v של האור בחומר, אם כי פחותה מזו בוואקום, היא עדיין ערך גדול שקשה לעבוד איתו. לפיכך הוכנס לפיזיקה ערך יחסי, שהשוויון עבורו מוצג להלן:
n=c/v.
כאן c היא מהירות האלומה בוואקום. הערך של n מראה כמה פעמים ערכו של c גדול מערכו של v בחומר. זה נקרא מקדם השבירה של החומר הזה.
בהתחשב בערך שהוזן, הנוסחה של חוק שבירה של האור תישכתב מחדש בצורה הבאה:
sin(θ1)n1=sin(θ2) n2.
חומר בעל ערך גדול של n,נקרא צפוף אופטית. במעבר דרכו, האור מאט את מהירותו פי n בהשוואה לאותו ערך עבור חלל נטול אוויר.
נוסחה זו מראה שהקרן תהיה קרובה יותר לנורמלי במדיום שהוא צפוף יותר מבחינה אופטית.
לדוגמה, נציין שמקדם השבירה של אוויר כמעט שווה לאחד (1, 00029). עבור מים, הערך שלהם הוא 1.33.
השתקפות כוללת במדיום צפוף אופטית
בואו נבצע את הניסוי הבא: בואו נתחיל קרן אור מעמודת המים לעבר פני השטח שלה. מכיוון שהמים צפופים יותר אופטית מאוויר (1, 33>1, 00029), זווית הפגיעה θ1 תהיה קטנה מזווית השבירה θ2. כעת, נגדיל בהדרגה את θ1, בהתאמה, גם θ2 יגדל, בעוד שאי השוויון θ1<θ2תמיד נשאר נכון.
יבוא רגע שבו θ1<90o ו-θ2=90 o. זווית זו θ1 נקראת קריטית עבור זוג מדיה מים-אוויר. כל זווית פגיעה גדולה מזו תגרום לכך שאף חלק מהקרן לא יעבור דרך ממשק המים-אוויר לתוך תווך פחות צפוף. כל הקרן בגבול תחווה השתקפות מוחלטת.
חישוב של זווית הפגיעה הקריטית θc מתבצע על ידי הנוסחה:
θc=arcsin(n2/n1).
למדיה מים וair it is 48, 77o.
שימו לב שתופעה זו אינה הפיכה, כלומר כאשר אור נע מאוויר למים, אין זווית קריטית.
התופעה המתוארת משמשת בהפעלת סיבים אופטיים, ויחד עם פיזור האור היא הגורם להופעת קשתות ראשוניות ומשניות בזמן גשם.
