بررسی تجربی قوانین اسنل

<> بررسی تجربی قوانین اسنل شکست نور عبارت است از انحراف ناگهانی مسیر پرتوهای نور وقتی که بطور مایل از یک محیط شفاف مانند هوا ، وارد محیط شفاف دیگری مانند آب یا شیشه بشوند. این پدیده را بدون استثناء همه ما در زندگی روزمره خود بارها تجربه و مشاهده کرده‌ایم و چون بطور مکرر تکرار شده در نظر ما کاملا طبیعی و ع [ اپتیک و لیزر » نور و اپتیک ] [ چهار شنبه 7 شهریور 1386 ] [ بازدید: 244 ] مقدمه شکست نور عبارت است از انحراف ناگهانی مسیر پرتوهای نور وقتی که بطور مایل از یک محیط شفاف مانند هوا ، وارد محیط شفاف دیگری مانند آب یا شیشه بشوند. این پدیده را بدون استثناء همه ما در زندگی روزمره خود بارها تجربه و مشاهده کرده‌ایم و چون بطور مکرر تکرار شده در نظر ما کاملا طبیعی و عادی جلوه‌گر شده‌اند. برای مثال وقتی لبه استخر پر از آب ایستاده‌ایم، کف استخر بالاتر به نظر رسیده و احتمال دارد ما را گمراه سازد. یا پدیده سراب ، ماهی که در یک تنگ شیشه‌ای نیمه‌پر قرار دارد، میله چوبی که بطور مایل در لیوان پر از آب فرو رفته ، در محل فرورفتن در آب شکسته می‌بینیم. یا یک قطعه شیشه ضخیم تخت را روی صفحه‌ای از کتاب بگذاریم، نوشته‌ها چطور به نظر می‌رسند، همه‌ اینها نمونه‌ای از پدیده شکست نور هستند. اولین فرمولبندی و بدست آوردن رابطه‌ای که ارتباط بین پارامترهای مختلف و شرایط محیطی حاکم بر آنها را کاملا مشخص و روشن می‌کند، توسط دو دانشمند به نامهای اسنل و دکارت که قوانین مربوطه نیز به نام خودشان معروف می‌باشد، انجام شد. شما هم می‌توانید بر اساس انتشار نور به خط راست با آزمایشهای ساده‌ای قوانین شکست نور را بدست آورید. تئوری آزمایش زاویه تابش i زاویه‌ای است که میان پرتو تابش و خط عمود بر سطح در محل تابش درست می‌شود و زاویه شکست r زاویه‌ای است که بین پرتو شکست و خط عمود تشکیل می‌گردد. وقتی نور از هوا یا خلا وارد ماده چگالتری مانند شیشه یا آب می‌شود، طوری می‌شکند که پرتو شکست به خط عمود نزدیکتر می‌شود. برعکس ، هنگامی که نور از ماده‌ای چگالتر از هوا (مانند شیشه یا آب) وارد هوا می‌شود، پرتو شکست از خط عمود دور می‌شود. در نتیجه زاویه شکست از زاویه تابش بزرگتر است. قوانین شکست نور (قوانین اسنل - دکارت) پرتو تابش و پرتو شکست و خط عمود بر سطح جدا کننده دو محیط در نقطه تابش ، هر سه در یک صفحه‌اند. برای دو محیط شفاف معین ، نسبت سینوس زاویه تابش به سینوس زاویه شکست مقداری ثابت است. این مقدار ثابت را ضریب شکست محیط دوم (یعنی محیطی که پرتو شکست در آن قرار دارد) نسبت به محیط اول (یعنی محیطی که پرتو تابش در آن واقع است) می‌نامند و آن را با حرف n نمایش می دهند. n=Sini/Sinr علت شکست نور ، به هنگام عبور از یک محیط به محیط دیگر ، در واقع این است که سرعت نور در دو محیط مجاور هم متفاوت است. اگر سرعت نور در هوا V و در محیط شفاف دیگر V باشد، روابط زیر برقرارند: ضریب شکست هر محیط نسبت به محیط دیگر بستگی به جنس دو محیط دارد. `Sini/Sinr= n =V/V مثلا نسبت سرعت نور در هوا به سرعت نور در آب برابر 33/1 است که این عدد درست برابر ضریب شکست آب است. حال اگر نور از محیط شفاف 1 (مثلا آب) به ضریب شکست n1 وارد محیط شفاف (مثلا شیشه) به ضریب شکست n2 بشود ضریب شکست محیط 2 نسبت به محیط 1 برابر: (سرعت نور در محیط 2/سرعت نور در محیط 1)n2,1 = n2/n1 = v1/v2 تحقیق تجربی قانون دوم شکست نور وسایل لازم منبع نور (با یک شکاف نازک) صفحه گرد مدرج و کاملا تخت که بر حسب درجه مدرج شده باشد. نیم استوانه شیشه ای با ضخامت کم. شرح آزمایش به کمک این اسباب به آسانی می‌توان قانون دوم شکست را تحقیق کرد. روش آزمایش بدین صورت می‌باشد که قسمتی از پرتو باریک منبع نوری از روی وجه مسطح نیم استوانه که مرکز آن منطبق بر مرکز صفحه مدرج بوده و امتدادها طبق شکل درست در دو طرف ˚90 می‌باشد، بازتابیده شده و قسمت دیگر وارد نیم استوانه می‌شود و در آن شکست می‌یابد. مسیرهای پرتوهای تابش و شکست روی صفحه مدرج دیده می‌شود. زاویه‌های تابش و شکست به آسانی اندازه گرفته می‌شوند. بدون تغییر دادن راستای پرتو تابش ، صفحه مدرج (و درنتیجه نیم استوانه شفاف) را چرخانده و زاویه تابش را از صفر تا نزدیک ˚90 تغییر داده و برای هر زاویه تابش ، زاویه شکست مربوط به آن را روی صفحه مدرج اندازه گرفت و تحقیق کرد که Sini/Sinr همواره مقدار ثابتی است. حال همین آزمایش را برای موادی دیگر نظیر آب و کوارتز و ... تکرار نمایید. ضریب شکست پاره‌ای از مواد شفاف نوع ماده ضریب شکست هوا 1.00 آب 1.33 بنزن 1.50 سولفید کربن 1.63 کوارتز 1.46 شیشه کراون 1.52 شیشه فلینت 1.66 پلکس گلاس (پلی اتیلنی) 1.50 الماس 2.42 این بررسیها نشان می‌دهد که قوانین اسنل - دکارت بدون وابستگی محیط همواره پابرجا هستند. نتایج آزمایش این آزمایش موئید اصل انتشار نور به خط مستقیم است. قوانین بازتابش و شکست نور ، مستقل از طول موج نور و هندسه سطح تابشی است. قوانین اسنل - دکارت بدون وابستگی به نوع محیط همواره پابرجا هستند. در طراحی و ساخت کلیه دستگاههای نوری از جمله عدسی (تنظیم ابیراهیها و ...) ، انواع دوربین عکاسی ، تلسکوپ ، میکروسکپ و ... . سوالات در زیر سئوالاتی مطرح شده که آنها با مفهوم شکست نور توجیه می‌شوند؟ اگر چوب را تا قسمتی از آن بطور قائم در آب فرو بریم چگونه به نظر خواهد رسید؟ اگر یک پرتو نور بطور عمودی بر سطح یک محیط شفاف بتابد، چگونه وارد این محیط می‌شود؟ اگر n ضریب شکست شیشه نسبت به هوا باشد، ضریب شکست هوا نسبت به شیشه چیست؟ با توجه به این که نور ستارگان از خلا وارد جو زمین می‌شوند، آیا ستارگان بویژه آنها که به سطح افق نزدیکترند در جای حقیقی خود دیده می‌شوند؟ فرض کنید با یک زاویه ثابت به یک پارچ کدر که ته آن برای ما قابل روئیت نیست و ته پارچ یک سکه قرار داده شده ، تماشا می کنیم، چه روشی پیشنهاد می‌کنید تا در شرایط مذکور بدون تغییر وضعیت موجود ، سکه مشاهده شود؟

سونامی چگونه به وجود می‌آید؟

کلمه سونامی(tsunami) از کلمات ژاپنی tsu (بندر) و nami (امواج) تشکیل شده است. سونامی موج یا رشته‌ای از امواج است که در اقیانوس به دنبال زلزله های دریایی بوجود می‌آید... [ هواشناسی و فیزیک جو ] سونامی چگونه به وجود می‌آید؟   کلمه سونامی (tsunami) از کلمات ژاپنی tsu (بندر) و nami (امواج) تشکیل شده است. سونامی موج یا رشته‌ای از امواج است که در اقیانوس به دنبال زلزله های دریایی بوجود می‌آید. این امواج ممکن است صدها کیلومتر پهنا داشته باشد و هنگام رسیدن به ساحل به ارتفاع آن به 10.5 برسد.این "دیوارهای آب" با سرعتی تندتر از یک هواپیمای جت پهنه اقیانوس را می‌پبمایند،به ساحل کوبیده می‌شوند و تخریب وسیعی را باعث می‌شوند. برای درک سونامی باید ساختمان موج را شناخت. امواج معمولی ما در کنار ساحل دریا یا در حوضچه‌های آب می‌بینیم، از یک ستیغ(بالاترین نقطه موج) (crest)و یک ناوه (پایین‌‌ترین نقطه موج)(trough)تشکیل می‌شوند. امواج را به دو طریق اندازه می‌گیرند: *ارتفاع موج (wave heigth):فاصله بین ستیغ و ناوه. *طول موج(wave length): فاصله افقی بین ستیغ دو موج متوالی. بسامد یا فرکانس امواج بر حسب زمانی کف طول می‌کشد تا دو موج متوالی از یک نقطه بگذرند – که به آن دوره موج می‌گویند- اندازه‌گیری می‌شود. هم سونامی‌ها و هم امواج معمولی دارای این بخش‌ها هستند و به طریق مشابهی اندازه‌گیری می‌شوند. اما تفاوت‌های زیادی میان آن دو از لحاظ اندازه، سرعت، و منشا وجود دارد:  خصوصیت موج موج ناشی از باد  موج سونامی سرعت موج   8 تا 100 کیلومتر در ساعت  800 تا 1000 کیلومتر در ساعت دوره موج  5 تا 20 ثانیه  10 دقیقه تا 2 ساعت طول موج   100 تا 200 متر  100 تا 200 کیلومتر امواج در اقیانوس‌ها به علل مختلفی مانند فعالیت‌های زیرآبی، فشار جوی، و کشش جاذبه رخ می‌دهند، اما شایع‌ترین علت آنها باد است. باد منبع انرژی موج حاصل است و اندازه سرعت باد به قدرت باد وابسته است. نکته مهمی که باید به خاطر داشت این است که امواج نشان‌دهنده حرکت آب نیستند، بلکه حرکت انرژی از طریق آب را نشان می‌دهند. تولد سونامی شایع‌ترین علت سونامی‌ها زلزله‌های زیردریایی هستند. برای اینک بدانیم این زلزله‌ها گونه رخ می‌دهند، باید "تکتونیک صفحه‌ای" را بشناسیم. نظریه تکتونیک صفحه‌ای بین می کند که لیتوسفر یا بخش فوقانی کره زمین از چندین صفحه عظیم تشکیل شده است. این صفحات قاره‌ها و کف دریاها را می‌سازند. این صفحات بر روی یک لایه زیرین چسبناک نیمه‌جامد به نام آستنوسفر قرار دارند. یک پای سیب بریده‌شده را در نظر بگیرید، قشر بیرونی کیک لیتوسفر و بخش داخلی داغ پرکننده آن آستنوسفر است. این صفحات مدواما روی کره زمین با سرعتی در حد 2.5 تا 5 سانتی‌متر در سال در حال حرکتند. این حرکت بیش از همه در طول خطوط گسل( خط برش کیک را در نظر بگیرید) رخ می‌دهد. حرکت این صفحات باعث بروز زلزله‌ها و آتش‌فشان‌ها می‌شود که در کف اقیانوس ها هم ممکن است رخ دهند و دو منشا احتمالی سونامی هستند. هنگامی که دو صفحه د ر ناحیه‌ای که مرز صفحه‌ای نامیده می‌شود در تلاقی با یکدیگر قرار می ‌گیرند، صفحه سنگین‌تر به زیر صفحه سبک‌تر مِی‌‌لغزد. این پدیده را لغزش به پایین(subduction) می‌نامند. بروز پدیده لغزش به پایین زیرآبی اغلب جاگذاری‌های فراوانی به شکل گودال‌های عمیق اقیانوسی در کف دریا ایجاد می‌کند. در برخی مواردهنگام بروز این پدیده بخشی از کف دریا که به صفحه سبک‌تر متصل است ممکن است به علت فشار صفحه به زیررونده ناگهان به سمت بالا جابجا شود. نتیجه این وضعیت بروز زلزله است. کانون زلزله نقطه‌ای درون زمین است که برای اولین بار شکست در آن رخ می‌دهد، صخره می‌شکنند و اولین امواج لرزه‌ای بوجود می‌آیند. اپی‌سنتر یا مرکز سطحی زلزله نقطه‌ای از سطح دریاست که مستقیما روی کانون زلزله قرار دارد. هنگامی که این قطعه از صفحه به بالا می‌پرد، میلیون‌ها تن صخره با نیرویی عظیم به بالا فرستاده می‌شوند، انرژی این نیرو به آب منتقل می‌شود.این انرژی آب را به بالاتر از سطح معمول دریا می‌راند.به این ترتیب سونامی زاده می‌شود. دینامیک سونامی هنگامی که آب به سمت بالا رانده می‌شود،‌ جاذبه بر روی آن عمل می‌کند، وانرژی را به طور افقی به موازات سطح آب هدایت می‌کند. سپس انرژی از میان اعماق آب از مرکز اولیه جنبش به اطراف گسترش می‌یابد. نیروی عظیمی که بوسیله جنبش لرزه‌ای ایجاد می‌شود سرعت باورنکردنی سونای را ایجاد می‌کند. سرعت واقعی سونامی با اندازه‌گیری عمق آب در نقطه‌ایی که سونامی از آن می‌گذرد، محاسبه می‌شود.این سرعت مساوی ریشه دوم حاصلضرب شتاب جاذبه در میزان عمق آب است. توانایی سونامی برای حفظ سرعتش مستقیما نحت تاثیر عمق آب قرار دارد.سونامی درآب‌های عمیق‌تر سریع‌تر حرکت می‌کند و در اب‌های کم‌عمق‌تر سرعتش کند می‌شود. بنابراین برخلاف امواج معمولی، انرژی راننده سونامی نه روی سطح آب بلکه از میان آب حرکت می‌کند. ارتفاع سونامی معمولا تا هنگامی که به کنار ساحل برسد بیش از یک متر نیست و معمولا قابل تشخیص نیست. برخورد سونامی به ساحل هنگامی که سونامی به ساحل می‌رسد، به شکل آشنای مرگبارش بدل می‌شود.هنگامی که سونامی به خشکی می‌رسد، به آب کم عمق کنار ساحل ضربه می‌زند.آب کم عمق و خشکی ساحلی باعث متراکم‌شدن انرژی می‌شود که آب منتقل می‌کند.این امر تغییرشکل سونامی را آغاز می‌کند. توپوگرافی کف دریا در این محل و شکل ساحل بر ظاهر و رفتار سونامی تاثیر می‌گذارد. همچنانکه سرعت موج کاهش می‌یابد، ارتفاع آن به طور قابل‌توجهی بالا می رود- انرژی متراکم‌شده آب را به سمت بالا می‌راند. سرعت یک سونامی معمول که به خشکی نزدیک می شود تا 50 کیلومتر در ساعت کاهش می‌یابد، و در مقابل ارتفاع آن تا 30 متر بالای سطح دریا می‌رسد. با افزایش ارتفاع موج حین این فرآیند طول موج به شدت کاهش می‌یاید.( فشرده شدن یک آکاردئون را در نظر بگیرید.) شاهدی که در کنار ساحل قرار دارد، بالا و پایین‌رفتن شدید آب را هنگامی که سونامی قریب‌الوقوع است، مشاهده خواهد کرد.به دنبال آن ناوه واقعی سونامی به ساحل می‌رسد. سونامی‌ها اغلب به صورت رشته‌هایی طغیان‌های قدرتمند و سریع آب و نه به صورت یک موج منفرد غول‌آسا تظاهر می‌کنند. البته ممکن است یک اُشترک (Bore) که یک موج عمودی بزرگ است با جبهه‌ای زیروروکننده ظاهر شود.اُشترک‌ها اغلب با طغیان‌های سریع آب دنبال می‌شوند، که به خصوص باعث تخریب ساحل می‌شود. پنج تا 90 دقیقه پس از ضربه اولیه ممکن است امواج دیگری به دنبال آید- قطار موج سونامی، پس از حرکت به صورت رشته‌ای از امواج در فواصلی طولانی، خود را به ساحل می کوبد. سونامی به خصوص اگر بدون هشدار قبلی به ساحلی برخورد کند، تلفات بسیاری به بار می‌آورد، و خط ساحلی با خاک یکسان می‌کند و همه چیز را با خود به دریا می‌کشاند. منطقه‌ای که در معرض بیشترین خطر تخریب قرار دارند، نواحی در حد فاصل 1.6 کیلومتری خط ساحلی، به خاطر طغیان آب و آوار پراکنده‌شده، و با ارتفاع کمتر از 15 متر از سطح دریا به خاطر ارتفاع امواج ضربه‌زننده است. سونامی حتی می‌تواند به علت خصوصیات متفاوت بستر دریا و ساحل به پناهگاه‌های دور از ساحل هم برسد. برای مثال یک منطقه حفاظت‌شده ساحلی با ورودی باریک یک مسیر "شیپوری" ایجاد می‌کند، که باعث تشدید قدرت مخرب امواج می‌شود. یا کانال رودخانه‌ای راه را برای نفوذ بیشتر سونامی به مناطق داخلی‌تر می‌گشاید. تا زمانی که یک سونامی به ساحل برخورد نکند، مشکل است نحوه تعامل آن را با خشکی پیش‌بینی کرد.