عبور: عبور موج از محیطی به محیط دیگر
موج چیست و عبور به چه معناست؟
یک موج، روشی برای انتقال انرژی بدون جابجایی ماده است. تصور کنید سنگی را در آب آرام یک حوضچه میاندازید. دایرههایی از نقطهٔ برخورد به بیرون پخش میشوند. این دایرهها امواج هستند که انرژی پرتاب سنگ را حمل میکنند. حالا اگر این موج به لبهٔ حوضچه یا یک تختهٔ شناور برخورد کند، چه میشود؟ بخشی از انرژی آن برمیگردد (انعکاس) و بخشی دیگر وارد تخته یا محیط جدید میشود (عبور). عبور دقیقاً همان ادامهٔ سفر موج در محیط دوم است.
دو سرنوشت اصلی: انعکاس و شکست
وقتی موجی به سطح جدایی دو محیط میرسد، معمولاً دو قسمت میشود. برای توصیف این پدیده، از دو مفهوم استفاده میکنیم:
- انعکاس: بخشی از موج که به محیط اول بازمیگردد. مانند تصویر شما در آینه.
- شکست: بخشی از موج که وارد محیط دوم شده و مسیرش کج میشود (مگر در حالت عمود). مانند شکسته شدن به نظر رسیدن نی در لیوان آب.
میزان تقسیم انرژی بین انعکاس و عبور (شکست) به جنس دو محیط بستگی دارد.
| پدیده | تعریف | مثال ساده | تغییر سرعت |
|---|---|---|---|
| انعکاس | بازگشت موج به محیط اول پس از برخورد به مرز | پژواک صدا، تصویر در آینه | ندارد (در همان محیط) |
| شکست (عبور با تغییر مسیر) | عبور موج به محیط دوم همراه با تغییر جهت | شکسته به نظر رسیدن مداد در آب، تشکیل رنگینکمان | دارد (معمولاً تغییر میکند) |
| عبور بدون شکست | عبور موج به محیط دوم بدون تغییر جهت | نور عمودی از شیشه عبور کند | دارد |
قانون شکست نور: رابطهای به نام اسنل
شکست نور با یک قانون ریاضی دقیق توصیف میشود که به افتخار ویلبرورد اسنل، قانون اسنل نامیده میشود. این قانون ارتباط بین زاویهٔ برخورد و زاویهٔ شکست را بیان میکند. برای فهم آن، ابتدا باید ضریب شکست4 را بشناسیم.
ضریب شکست (n): عددی است که نشان میدهد سرعت نور در یک محیط (مانند شیشه یا آب) چند برابر کمتر از سرعت نور در خلأ است. هرچه این عدد بزرگتر باشد، محیط چگالتر نوری است و نور در آن کندتر حرکت میکند.
حالا قانون اسنل را میتوان اینگونه نوشت:
در این فرمول: $ n_1 $ و $ n_2 $ ضرایب شکست محیط اول و دوم هستند. $ \theta_1 $ (تتا) زاویهٔ برخورد و $ \theta_2 $ زاویهٔ شکست است. اگر $ n_2 > n_1 $ (یعنی نور به محیط چگالتر وارد شود)، پرتو به عمود نزدیکتر میشود ($ \theta_2 ). برعکس، اگر نور از چگال به رقیقتر برود، از عمود دور میشود.
عبور در دنیای اطراف ما: از عدسی عینک تا سونار
پدیدهٔ عبور و شکست، پایهٔ عملکرد بسیاری از وسایل مفید است. در این بخش به چند نمونه نگاه میکنیم:
۱. عدسیها: عینک، دوربین، میکروسکوپ و تلسکوپ همگی از عدسی استفاده میکنند. عدسی قطعهای شیشهای یا پلاستیکی با سطح منحنی است که با شکست دادن نور، آن را متمرکز (عدسی محدب) یا پراکنده (عدسی مقعر) میکند. این تغییر مسیر نور به دلیل عبور نور از هوا به شیشه و دوباره به هوا و قانون اسنل رخ میدهد.
۲. پدیدهٔ رنگینکمان: نور سفید خورشید ترکیبی از همهٔ رنگهاست. وقتی این نور وارد قطرههای آب باران میشود، هم شکسته میشود و هم در داخل قطره منعکس شده و دوباره هنگام خروج شکسته میشود. از آنجا که ضریب شکست آب برای رنگهای مختلف اندکی متفاوت است (مثلاً برای نور بنفش بیشتر از نور قرمز است)، هر رنگ با زاویهٔ کمی متفاوت شکسته میشود و در نتیجه رنگها از هم جدا شده و رنگینکمان زیبا را تشکیل میدهند.
۳. سونار و ماهییاب: در امواج صوتی نیز عبور اتفاق میافتد. در سونار، دستگاه موج صوتی را در آب میفرستد. این موج پس از برخورد به کف دریا یا یک جسم (مثل ماهی)، منعکس شده و بازمیگردد. با اندازهگیری زمان رفت و برگشت، فاصله تعیین میشود. بخشی از انرژی صوتی نیز ممکن است به داخل جسم نفوذ (عبور) کند.
| محیط | ضریب شکست تقریبی (n) | سرعت نور نسبت به خلأ | توضیح |
|---|---|---|---|
| خلأ | 1.00 | 100% | بیشترین سرعت ممکن |
| هوا | ≈1.0003 | ≈99.97% | عملاً همان خلأ در نظر گرفته میشود |
| آب | 1.33 | ≈75% | علت شکسته دیده شدن اجسام در آب |
| شیشه (معمولی) | 1.52 | ≈66% | مادهٔ اصلی عدسی و منشور |
| الماس | 2.42 | ≈41% | درخشش بالا به دلیل شکست زیاد نور |
اشتباهات رایج و پرسشهای مهم
- وقتی موج از محیط چگالتر به رقیقتر برود و زاویهٔ برخورد از یک زاویهٔ بحرانی بیشتر باشد (مثل دیدن آینه در زیر آب استخر از زاویههای مایل).
- وقتی اختلاف خواص دو محیط بسیار زیاد باشد و محیط دوم اصلاً نتواند آن موج را منتقل کند. مثلاً صوت هنگام برخورد به یک دیوار بتنی ضخیم، بیشتر انعکاس مییابد تا عبور.
پاورقی
1 عبور (Transmission): در فیزیک موج، به معنی گذر انرژی موج از یک محیط به محیط دیگر.
2 انعکاس (Reflection): بازگشت موج پس از برخورد به سطح مشترک دو محیط.
3 شکست (Refraction): تغییر جهت موج (معمولاً نور) هنگام عبور مایل از سطح جدایی دو محیط با چگالی نوری متفاوت.
4 ضریب شکست (Refractive Index): نسبت سرعت نور در خلأ به سرعت نور در آن محیط (n = c/v).
