.GIF)
می دانیم که برای ماده سه حالت جامد ، مایع و گاز در نظر گرفته میشود. اما در مباحث علمی معمولا یک حالت چهارم نیز برای ماده فرض میشود. حدوث طبیعی پلاسما در دماهای بالا ، سبب تخصیص عنوان چهارمین حالت ماده به آن شده است. یک نمونه بسیار طبیعی از پلاسما آتش است بنابراین خورشید نمونهای از پلاسمای داغ بزرگ است.
تعریف پلاسما
پلاسما گاز شبه خنثایی از ذرات باردار و خنثی است که رفتار جمعی از خود ارایه میدهد. به عبارت دیگر میتوان گفت که واژه پلاسما به گاز یونیزه شدهای اطلاق میشود که همه یا بخش قابل توجهی از اتمهای آن یک یا چند الکترون از دست داده و به یونهای مثبت تبدیل شده باشند. یا به گاز به شدت یونیزه شدهای که تعداد الکترونهای آزاد آن تقریبا برابر با تعداد یونهای مثبت آن باشد، پلاسما گفته میشود.
حدود پلاسما
اغلب گفته میشود که ۹۹% ماده موجود در طبیعت در حالت پلاسماست، یعنی به شکل گاز الکتریسته داری که اتمهایش به یونهای مثبت و الکترون منفی تجزیه شده باشد. این تخمین هر چند ممکن است خیلی دقیق نباشد ولی تخمین معقولی است از این واقعیت که درون ستارگان و جو آنها، ابرهای گازی و اغلب هیدروژن فضای بین ستارگان بصورت پلاسماست. در نزدیکی خود ما ، وقتیکه جو زمین را ترک میکنیم بلافاصله با پلاسمایی مواجه می شویم که شامل کمربندهای تشعشعی وان آلن و بادهای خورشیدی است.
در زندگی روزمره نیز با چند نمونه محدود از پلاسما مواجه میشویم. جرقه رعد و برق ، تابش ملایم شفق قطبی ، گازهای داخل یک لامپ فلورسان یا لامپ نیون و یونیزاسیون. مختصری که در گازهای خروجی یک موشک دیده میشود. بنابراین می توان گفت که ما در یک درصدی از عالم زندگی میکنیم که در آن پلاسما بطور طبیعی یافت نمیشود.
آیا کلمه پلاسما یک کلمه بامسما است؟
کلمه پلاسما ظاهرا بیمسما به نظر میرسد. این کلمه از یک لغت یونانی آمده است که هر چیز به قالب ریخته شده یا ساخته شده را گویند. پلاسما به علت رفتار جمعی که از خودشان نشان میدهد، گرایشی به متاثر شدن در اثر عوامل خارجی ندارد، و اغلب طوری عمل میکند که گویا دارای رفتار مخصوص به خودش است.
حفاظ دبای
یکی از مشخصات اساسی رفتار پلاسما ، توانایی آن برای ایجاد حفاظ در مقابل پتانیسیلهای الکتریکی است که به آن اعمال میشوند. فرض کنید بخواهیم با وارد کردن دو گلوله بارداری که به یک باتری وصل شدهاند یک میدان الکتریکی در داخل پلاسما بوجود آوریم. این گلوله ها ، ذرات یا بارهای مخالف خود را جذب میکنند و تقریبا بلافاصله ، ابری از یونهای اطراف گلوله منفی و ابری اطراف گلوله مثبت را فرا میگیرند.
اگر پلاسما سرد باشد و هیچگونه حرکت حرارتی وجود نداشته باشد، تعداد بار ابر برابر بار گلوله میگردد، در این صورت عمل حفاظ کامل میشود و هیچ میدان الکتریکی در حجم پلاسما در خارج از ناحیه ابرها وجود نخواهد داشت. این حفاظ را اصطلاحا حفاظ دبای می گویند.
معیارهای پلاسما
طول موج دبای (لاندای دی) باید خیلی کوچکتر از ابعاد پلاسما ( L ) باشد.
تعداد ذرات موجود در یک کره دبای (ND ) باید خیلی بزرگتر باشد.
حاصلضرب فرکانس نوسانات نوعی پلاسما ( W ) در زمان متوسط بین برخوردهای انجام شده با اتمهای خنثی ( t ) باید بزرگتر از یک باشد.
کاربردهای فیزیک پلاسما
- تخلیه های گازی
قدیمیترین کار با پلاسما ، مربوط به لانگمیر ، تانکس و همکاران آنها در سال ۱۹۲۰ میشود. تحقیقات در این مورد ، از نیازی سرچشمه میگرفت که برای توسعه لوله های خلایی که بتوانند جریانهای قوی را حمل کنند، و در نتیجه میبایست از گازهای یونیزه پر شوند احساس میشد.
- همجوشی گرما هستهای کنترل شده
فیزیک پلاسمای جدید ( از حدود ۱۹۵۲ که در آن ساختن راکتوری بر اساس کنترل همجوشی بمب هیدروژنی پیشنهاد گردید، آغاز میشود.
- فیزیک فضا
کاربرد مهم دیگر فیزیک پلاسما ، مطالعه فضای اطراف زمین است. جریان پیوستهای از ذرات باردار که باد خورشیدی خوانده میشود، به مگنتوسفر زمین برخورد میکند. درون و جو ستارگان آن قدر داغ هستند که میتوانند در حالت پلاسما باشند.
- تبدیل انرژی مگنتو هیدرو دینامیک ( MHD ) و پیشرانش یونی
دو کاربرد عملی فیزیک پلاسما در تبدیل انرژی مگنتو هیدرو دینامیک ، از یک فواره غلیظ پلاسما که به داخل یک میدان مغناطیسی پیشرانده میشود، میباشد.
- پلاسمای حالت جامد
الکترونهای آزاد و حفرهها در نیمه رساناها ، پلاسمایی را تشکیل میدهند که همان نوع نوسانات و ناپایداریهای یک پلاسمای گازی را عرضه می دارد.
- لیزرهای گازی
عادیترین پمپاژ ( تلمبه کردن ) یک لیزر گازی ، یعنی وارونه کردن جمعیت حالاتی که منجر به تقویت نور میشود، استفاده از تخلیه گازی است.
- شایان ذکر است که کاربردهای دیگری مانند چاقوی پلاسما ، تلویزیون پلاسما ، تفنگ الکترونی ، لامپ پلاسما و غیره نیز وجود دارد که در اینجا فقط کاربردهای پلاسما در حالت کلی بیان شده است.
کلمات کلیدی: فیزیک حالت جامد
وقتی جسم کدری میان یک پرده و یک چشمه نقطه‌ای نور قرار گیرد، سایه‌ای پیچیده متشکل از نواحی روشن و تاریک ایجاد میشود. این اثر به آسانی قابل روییت است، اما یک چشمه نسبتا قوی ضروری است. لامپی با شدت زیاد که از یک سوراخ کوچک می‌درخشد، این کار را به خوبی انجام میدهد. اگر به نقش سایه حاصل از یک قلم ، تحت روشنایی یک چشمه نقطه‌ای نگاه کنید یک ناحیه روشن غیر معمولی در کناره خواهید دید.
حتی نواری با روشنایی ضعیف در وسط این سایه تشکیل میشود. به سایه‌ای که توسط دستتان در امتداد نور خورشید ایجاد میشود، نگاهی دقیق بیندازید. معمولا پراش مربوط به موانع شفاف مورد نظر قرار نمی‌گیرد. هر چند اگر در شب رانندگی کرده باشید، در حالیکه چند قطره باران بر روی شیشه عینکتان نشسته باشد، فریزهای روشن و تاریک را مشاهده خواهید کرد.
تاریخچه
اولین مطالعه تفضیلی منتشر شده درباره انحراف نور از مسیر مستقیم توسط فرانسسیکو گریمالدی در قرن هفدهم انجام گرفت و آن را پراشه نامید.
انواع پراش
پراش فرانهوفر
فرض کنید که یک مانع کدر حاوی یک روزنه کوچک داریم که امواج تخت حاصل از یک چشمه نقطه‌ای شکل خیلی دور (S) ، آن را روشن کرده است. صفحه مشاهده ، پرده‌ای است موازات با مانع کدر ، دورتر بودن صفحه مشاهده به آرامی باعث تغییر پیوسته در فریزها میشود. در فاصله خیلی دور از مانع نقش تصویر شده بطور قابل ملاحظه‌ای پخش خواهد شد. بطوری که به روزنه واقعی بی‌شباهت است و یا شباهت اندکی با آن خواهد داشت. از آنجا به بعد حرکت دادن پرده تنها اندازه نقش پراش را تغییر میدهد ولی شکل آن را بدون تغییر می‌گذارد. این پراش را فرانهوفر یا پراش میدان- دور می‌گویند.
پراش فرنهوفر تک شکاف
در این نمونه شکاف مستطیل شکل که پهنای کوچک و طول چند سانتی متردارد، در مقابل منبع نور قرار میگیرد. پرتوهای نور بعد از عبور از شکاف بر روی پرده تشکیل تصویر میدهند، که قسمت مرکزی در مقایسه با کناره‌ها شدت بیشتری دارد. نقش‌های پراش در اطراف این ناحیه بوضوح دیده میشود و ضمن اینکه شدت نور با دور شدن از ناحیه مرکزی کاهش ی‌یابد، نوارهای تاریک در بین نوارهای روشن قابل روییت است.
شکاف دوگانه
در این نمونه مانع کدر که در مقابل نور قرار میگیرد از دو شکاف مستطیل شکل موازی تشکیل شده است. هر روزنه به خودی خود همان نقش پراش تک شکافی را روی پرده دید ایجاد خواهد کرد. در هر نقطه روی پرده سهم‌های مربوط به این دو شکاف روی هم می‌افتد. گرچه دامنه هر کدام از آنها اساسا باید باهم مساوی باشد، ممکن است اختلاف فاز قابل توجهی پیدا کنند. در داخل قله مرکزی پراش وجود خواهد داشت. ممکن است یک بیشینه تداخل و یک کمینه پراش با یک مقدار از (زاویه انحراف از قسمت مرکزی) متناظر باشند. در چنین حالتی نوری وجود ندارد، که در آن موقعیت دقیق در تداخل شرکت کند و قله حذف شده را مرتبه گم شده می‌نامند.
پراش فرنل
فرض کنید یک مانع کدر حاوی روزنه کوچک که اموج تخت حاصل از یک چشمه نقطه‌ای شکل خیلی دور (S) ، آن را روشن کرده است. در این حالت صفحه مشاهده پرده‌ای موازی با مانع است. در این شرایط یک تصویر از روزنه بر روی پرده می‌افتد، که علی‌رغم وجود برخی فریزهای جزیی در اطراف محیط آن ، به روشنی قابل تشخیص است. بتدریج که صفحه مشاهده از مانع دور میشود، تصویر روزنه گر چه هنوز به راحتی قابل تشخیص است، هرچه شکل مشخص‌تری به خود میگیرد، و این در حالی است که فریزها نمایانتر میشوند. این پدیده مشاهده شده پراش فرنل یا میدان- نزدیک نامیده میشود.
اصل بابینه
دو پرده پراشان را مکمل می‌گویند، هرگاه نواحی شفاف روی یک پرده با نواحی کدر پرده دیگر و بر عکس متناظر باشند. وقتی که دو پرده مکمل روی هم بیافتند، آشکار است که ترکیب آنها کاملا کدر است.
توری پراش
آرایه‌ای تکراری از عناصر پراشان ، نظیر روزنه‌ها یا موانعی که اثر آنها ایجاد تغییرات متناوبی در فاز ، دامنه یا هر دوی آنها در یک موج خروجی است، یک توری پراش نامیده میشود. غالبا توریهای تخت تراشه‌ای ، یا شیارهایی تقریبا مستطیلی چنان سوار میشوند که بردار انتشار فرودی تقریبا بر هر یک از وجوه شیارها عمود باشند.
کلمات کلیدی: هسته ای
جوشکاری و برشکاری با استفاده از اشعه لیزر از روشهای نوین جوشکاری بوده که در دههای اخیر مورد توجه صنعت قرار گرفته و امروزه به خاطر کیفیت ، سرعت و قابلیت کنترل آن به طور وسیعی در صنعت از آن استفاده می شود .به وسیله متمرکز کردن اشعه لیزر روی فلز یک حوضچه مذاب تشکیل شده و عملیات جوشکاری انجام می شود .
اصول کار و انواع لیزرهای مورد استفاده در جوشکاری :
به طور عمده از دو نوع لیزر در جوشکاری و برشکاری استفاده می شود : لیزرهای جامد مثل Ruby و ND:YAG و لیزرهای گاز مثل لیزر CO۲ . در زیر اصول کار لیزر Ruby که از آن بیشتر در جوشکاری استفاده می شود توضیح داده می شود . این سیستم لیزر از یک کریستال استوانه ای شکل Ruby (Ruby یک نوع اکسید آلومینیوم است که ذرات کرم در آن پخش شده اند . ) تشکیل شده است . دو سر آن کاملا صیقلی و آینه ای شده و در یک سر آن یک سوراخ ریز برای خروج اشعه لیزر وجود دارد . در اطراف این کریستال لامپ گزنون قرار دارد که لامپ فوق برای کار در سرعت حدود ۱۰۰۰ فلاش در ثانیه طراحی شده است . لامپ گزنون با استفاده از یک خازن که حدود ۱۰۰۰ بار در ثانیه شارژ و تخلیه شده فلاش می زند و هنگامی که کریستال Ruby تحت تاثیر این فلاش ها قرار بگیرد اتمهای کرم داخل شبکه کریستالی تحریک شده و در اثر این تحریک امواج نور از خود سطع می کنند و با باز تابش این اشعه ها در سطوح صیقلی و تقویت آنها اشعه لیزر شکل می گیرد . اشعه لیزر شکل گرفته از سوراخ ریز خارج شده و سپس به وسیله یک عدسی بر روی قطعه کار متمرکز شده که بر اثر برخورد انرژی بسیار زیادی در سطح کوچکی آزاد می کند که باعث ذوب و بخار شدن قطعه و انجام عمل ذوب می شود .
محدودیت لیزر Ruby پیوسته نبودن اشعه آن است در حالیکه انرژی خروجی ان بیشتر از لیزر های گاز مانند لیزر CO۲ است که در آنها اشعه حاصله پیوسته است، از لیزر CO۲ بیشتر به منظور برش استفاده می شود و از لیزر ND:YAG بیشتر برای جوشکاری آلومینیوم استفاده میشود .
از انجا که در این روش مقدار اعظمی از انرژی مصرف شده به گرما تبدیل می شود این سیستم باید به یک سیستم خنک کننده مجهز باشد .
در جوشکاری لیزر دو روش عمده برای جوشکاری وجود دارد : یکی حرکت دادن سریع قطعه زیر اشعه است تا که یک جوش پیوسته شکل بگیرد و دیگری که مرسوم تر است جوش دادن باچند سری پرتاب اشعه است .
در جوشکاری لیزر تمامی عملیات ذوب و انجماد در چند میکروثانیه انجام می گیرد و به خاطر کوتاه بودن این زمان هیچ واکنشی بین فلز مذاب و اتمسفر انجام نخواهد شد و از این رو گاز محافظ لازم ندارد .
طراحی اتصال در جوشکاری لیزر : بهترین طرح اتصال برای این نوع جوشکاری طرح اتصال لب به لب می باشد و با توجه به محدودیت ضخامت در آن می توان ازطرح اتصال های T یا اتصال گوشه نیز استفاده نمود .
مزایای جوشکاری لیزر :
- حوضچه مذاب می تواند داخل یک محیط شفاف ایجاد شود ( باعکس روشهای معمولی که همیشه حوضچه مذاب در سطح خارجی آنها ایجاد می شود (.
- محدوده بسیار وسیعی از مواد را مانند آلیاژها با نقاط ذوب فوق العاده بالا ، مواد غیر همجنس و … را میتوان به یکدیگر جوش داد .
- در این روش میتوان مکان های غیر قابل دسترسی را جوشکاری نمود .
- از آنجا که هیچ الکترودی برای این منظور استفاده نمی شود نیازی به جریانهای بالا برای جوشکاری نیست .
- اشعه لیزر نیاز به هیچگونه گاز محافظ یا محیط خلایی برای عملکرد ندارد .
- به خاطر تمرکز بالای اشعه منطقه HAZ بسیار باریکی در جوش تشکیل میشود .
- جوشکاری لیزر نسبت به سایر روشهای جوشکاری تمیز تر است .
محدودیت ها و معایب جوشکاری لیزر :
سیستم های جوشکاری لیزرنسبت به سایر دستگاههای سنتی جوشکاری بسیار گران هستند و در ضمن لیزرهایی مانند Ruby به خاطر پالسی بودن اکثر آنها از سرعت پیشروی کمی برخوردارند ( ۲۵ تا ۲۵۰ میلیمتر در دقیقه ) . همچنین این نوع جوشکاری دررای محدودیت عمق نیز می باشد .
موارد استفاده اشعه لیزر :
از اشعه لیزر هم به منظور برش و هم به منظور جوشکاری استفاده می شود . این نوع جوشکاری در اتصال قطعات بسیار کوچک الکترونیکی و در سایر میکرو اتصال ها کاربرد دارد . از اشعه لیزر میتوان در جوش دادن آلیاژها و سوپر الیاژها با نقطه ذوب بالا و برای جوش دادن فلزات غیر همجنس استفاده نمود . به طور کلی این روش جوشکاری برای استفاده های دقیق و حساس استفاده میشود . از این روش میتوان در صنعت اتومبیل و مونتاژآن برای جوش دادن درزهای بلند استفاده نمود.
کلمات کلیدی: اپتیک
 | |||
|
کلمات کلیدی: اپتیک
هدف
هدف از انجام این آزمایش تحقیق قوانین اسنل و دکارت میباشد.
یک نقاله پلاستیکی سفید - یک ظرف - مقداری آب - شیشه - یک چشمه نور قابل تنظیم - یک ورقه صیقلی شده نقره یا فولاد.
همه اجسام ، چه شفاف و چه کدر ، مقداری از نور را که به آنها برخورد میکنند، بازتاب میدهند. بیشتر سطحها نور را در راستاهای زیادی می‌فرستند. به کمک این نور بازتابی است که اجسام روشن شده را می‌بینیم و آنها را از محیط اطرافشان تشخیص می‌دهیم. وقتی نور به یک سطح برخورد میکند قسمتی از آن منعکس میشود و قسمتی به داخل آن ماده وارد میشود. قسمتی که منعکس میشود پرتو بازتابیده است که طبق قانون بازتابش با زاویه فرود برابر است.
البته طبق همین قانون می‌دانیم که پرتو فرودی ، پرتو بازتابیده و خط عمود بر سطح در نقطه تماس همگی در یک صفحه واقعند. قسمت دیگر نور فرودی که وارد محیط دوم میشود پرتو شکست نام دارد و متناسب با قانون دوم اسنل زاویه آن با خط عمود بنا به رابطه:
که ө1 زاویه فرود و ө2 زاویه شکست و n1 و n2 به ترتیب ضریب شکست محیط اول و دوم است، رفتار میکند. مجددا طبق همین قانون ، پرتو فرودی ، پرتو شکست و عمود بر سطح همگی در یک صفحه قرار دارند. ضریب شکست به جنس محیط بستگی دارد.
که n21 ثابتی است که به آن ضریب شکست محیط 2 به محیط 1 می‌گویند. ضریب شکست یک محیط نسبت به محیط دیگر عمدتا با طول موج تغییر میکند. با استفاده از همین خاصیت شکست است که می‌توانیم باریکه نور را به طول موجهای تشکیل دهنده آن تجزیه کنیم.
 |
صفحه سفیدی را در اتاقک تاریکی قرار داده ، آینه‌ای را بر این صفحه منطبق کنید. سپس جسمی را روبروی این مجموعه قرار دهید. منبع نوری را در فاصله مشخصی از این مجموعه قرار دهید. عمل منبع نور روی صفحه سفید چگونه است؟ روی آینه چطور؟ مشاهدات خود را بر اساس کدام قانون فیزیک نور توضیح می‌دهید؟
مشاهده می‌کنید که کاغذ کاملا روشن به نظر میرسد و نسبت به زمینه تاریک رنگ آن سفید است. با اینکه شدت نوری که به هر سطح میرسد تقریبا مساوی است، چنانکه از بازتابش شمع سفید در آینه معلوم است، آینه نور را خیلی خوب بازتاب میدهد. پس چرا در عکس کاغذ روشنتر از آینه است.
آینه بازتابنده خوبی است و نور لامپ را که دور از دوربین عکاسی است باز می‌تابد، ولی جهت بازتابش آن که یگانه هم هست در جهت دوربین نیست. پس پرتو بازتابی به دوربین نمی‌رسد به همین جهت تاریک به نظر میرسد، در حالی که کاغذ بازتابنده خوبی نیست و نور فرودی را در تمام جهتها باز می‌تاباند و قسمتی از آن هم به دوربین عکاسی میرسد، به همین جهت قسمتی از آن روشن به نظر میرسد.
یک صفحه مقوایی سفید را روی یک بازتابنده خوب مثل یک آینه قرار دهید و منبع نور را چنان قرار دهید که پرتو نور مماس بر صفحه مقوایی باشد. سعی کنید با تغییر زاویه بین صفحه مقوایی و آینه پرتو بازتابش را هم روی مقوا بیندازید. یعنی پرتو بازتابش هم بر صفحه مماس شود. سپس زاویه بین مقدار آینه را اندازه بگیرید. این کار را برای حالتهای مختلفی از جمله منابع مختلف و بازتابنده‌های مختلف انجام دهید. مقدار این زاویه چگونه تغییر میکند؟
در مرحله بعدی ، از وسط ورقه مقوایی خطی عمود بر یکی از لبه‌های آن رسم کنید. سپس مانند حالت قبل ورقه مقوایی را در وضع عمود بر سطح بازتابنده طوری قرار دهید که انتهای خط رسم شده بر نقطه‌ای قرار گیرد که شعاع نور در آن به سطح بازتاننده می‌خورد. حال زاویه بین خط عمود روی مقدار و آینه را اندازه بگیرید و این کار را همانند حالت اول برای شرایط مختلف امتحان کنید. چه چیز نتیجه میشود؟
مسلما در حالت اول مشاهده کردید که برای آنکه پرتو تابش و بازتابش هر دو روی صفحه مقوایی بیفتد همواره باید ورقه مقوایی بر سطح بازتاباننده عمود باشد و همینطور در حالت دوم چون خط عمود روی مقواست، سپس در همان صفحه‌ای است که دو شعاع نور قرار دارند و بر صفحه بازتاباننده نیز عمود است. این مشاهدات قانون اول بازتاب آینه‌ای را بدست میدهد. وقتی نور از یک سطح تخت آینه‌ای بازتابیده میشود، پرتو فرودی ، پرتو بازتابیده و خط عمود بر سطح در نقطه تماس همگی در یک صفحه واقعند.
در همان آزمایش شماره 2 صفحه مقوایی را مورب کنید، بطوری که خط عمود بر صفحه شما منطبق باشد و فصل مشترک صفحه آینه ˚90 باشد. سپس زاویه پرتو تابش نسبت به خط عمود روی صفحه مقوایی را تغییر دهید و در هر حالت زاویه بازتابش را از روی صفحه مقوایی و آن را با زایه تابش مقایسه کنید. چه نتیجه می‌گیرید؟
مشاهده خواهید کرد زاویه بین پرتو بازتابیده و خط عمود که زاویه بازتاب نامیده میشود، با زاویه بین فرودی و خط عمود ، به نام زاویه فرود ، مساوی است و طی آن قانون دوم بازتاب آینه‌ای بدست می‌آید: زاویه بازتاب برابر با زاویه فرود است.
 |
آزمایش شماره 4: شکست نور
ابتدا پرتو نوری را توسط یک منبع نوری به سطح جدا کننده هوا و آب بتابانید، یک نقاله پلاستیکی سفید را چنان قرار دهید که نیمی از آن در هوا و نیمه دیگر داخل آب باشد، سعی کنید پرتو فرودی و پرتو شکست یعنی پرتوی که از سطح جدا کننده دو محیط عبور کرده و وارد محیط دوم شده را روی نقاله بیندازید سپس زاویه بین نقاله و مرز مشترک دو محیط را اندازه بگیرید این کار را برای مواد مختلف بجای آب انجام دهید، زاویه بین نقاله و مرز مشترک دو سطح چگونه تغییر میکند؟
مشاهده خواهید کرد که در همه حالتها نتیجه یکسانی بدست می‌آید. در همه حالتها این زاویه ˚90 اندازه گیری میشود که در قانون اول شکست خلاصه شده است: پرتو فرودی ، پرتو شکست و خط عمود بر سطح همگی در یک صفحه قرار دارند.
همانند آزمایش 4 ، نقاله پلاستیکی را طوری قرار دهید که نیمی از آن داخل آب و نیم دیگر در هوا باشد و نقاله پلاستیکی را عمود بر مرز مشترک دو محیط قرار دهید. پس پرتو فرودی را تحت زوایای مختلف بتابانید و در هر مورد زاویه شکست را از روی نقاله بخوانید. سپس نمودار زاویه شکست را بر حسب زاویه فرود رسم کنید. نمودار زاویه فرودی بر حسب زاویه بازتابش رسم کنید. همین آزمایشها را برای مواد مختلف به عنوان محیط دوم امتحان کنید. مشاهدات شما چگونه است؟
با قرار دادن یک خط کش راست روی قسمتهایی از منحنی‌ها ، شیشه و آب متقاعد میشویم که برای زوایای فرد بین صفر تا ˚30 یا ˚40 هر دو منحنی تقریبا راست هستند و هر دو از مبدأ دستگاه مختصات می‌گذرند. بنابراین ، در این گستره زاویه شکست با زاویه فرود متناسب است. اگر زاویه r زاویه شکست و i زاویه تابش باشد میتوان نوشت: ثابت×i = r. همینطور مشاهده میشود که مقدار ثابت به جنس ماده‌ای بستگی دارد که نور از هوا به آن وارد میشود. این تقریب برای زوایای کوچک متغیر است، ولی برای تمام زوایای صادق نیست.
یافتن یک معادله ریاضی که با منحنی تجربی جور باشد، ممکن است کار ساده‌ای نباشد. سابقه این کار به هزاران سال پیش به بطلیموس برمی‌گردد. در قرن هفدهم اسنل ریاضیدان هلندی این قانون فرمول بندی شد. برای ایجاد ارتباط مناسب بین دو زاویه فرود و شکست اولا باید توابعی داشته باشیم که نسبت دو تابع برای زوایای شکست و فرود برابر نسبت ضریب شکست دو محیط و مقدار ثابتی باشد. از طرفی برگشت پذیری مسیر نور مستلزم این است که هر دو زاویه تابع یکسانی داشته باشند.
به علاوه ، برای زوایای کوچک نسبت توابع باید به نسبت خود زوایا تبدیل شود. تابعی که در این شرایط صدق کند SinӨ است. در واقع ، این تابع که به قانون اسنل معروف است. با استفاده از نتایج آزمایش 5 مشاهده می‌کنید که پشت سینوس زوایای فرود و شکست برای تمام زوایا مقدار ثابتی است.
کلمات کلیدی: اپتیک
