پرتو نور۱: مسیر فرضی شگفتانگیز
پرتو نور چیست و چرا آن را فرضی مینامیم؟
اگر یک لیزر کوچک داشته باشید و آن را در یک اتاق تاریک روشن کنید، یک خط نورانی مستقیم میبینید. به نظر میرسد نور دقیقاً در امتداد همان خط حرکت میکند. اما در واقعیت، نور مانند یک باریکهی پهن حرکت میکند. ما برای ساده کردن و فهمیدن دقیق جهت آن، یک خط بسیار نازک را در مرکز آن باریکه در نظر میگیریم. این خط نازک و فرضی، پرتو نور نام دارد.
فرضی بودن پرتو به این معناست که ما نمیتوانیم آن را جدا کنیم یا لمس کنیم، بلکه فقط آن را در ذهن خود ترسیم میکنیم تا بتوانیم مسیر نور را پیشبینی و مطالعه کنیم؛ درست مانند زمانی که روی نقشه، یک خط مستقیم بین دو شهر میکشیم تا کوتاهترین مسیر را نشان دهیم. خود آن خط روی کاغذ، جاده نیست، اما مسیر را به ما نشان میدهد.
چگونه پرتو نور را نشان میدهیم؟
در کتابها و نمودارها، پرتو نور را با یک خط راست نشان میدهند. برای مشخص کردن جهت حرکت نور، یک پیکان (فلش) کوچک روی این خط میگذارند. این یک قرارداد جهانی است.
| شرایط نور | نمایش پرتو | مثال ملموس |
|---|---|---|
| نور در یک محیط یکنواخت (مثل هوا) | یک خط راست با پیکان | تابش نور خورشید به پنجره در یک روز بدون غبار |
| نور پس از برخورد به آینه (بازتاب) | خط راستی که از سطح آینه میجهد (میشکند) | تاباندن نور چراغ قوه به آینه و دیدن نور منعکس شده روی دیوار |
| نور هنگام ورود به آب (شکست) | خط راستی که در مرز آب و هوا میشکند و کج میشود | مورب به نظر رسیدن یک نی داخل لیوان آب |
قوانین حاکم بر مسیر پرتو نور
پرتوهای نور بر اساس چند قانون ساده و مهم حرکت میکنند. درک این قوانین، پیشبینی مسیر نور را برای ما آسان میکند.
۱. قانون propagation۴ مستقیمالخط نور
در یک محیط یکنواخت و شفاف (مانند هوا یا شیشهی کاملاً صاف)، نور به خط راست حرکت میکند. این قانون ساده، دلیل اصلی تشکیل سایه است. وقتی جسمی در مسیر پرتوهای نور قرار میگیرد، پرتوهای راستخط نمیتوانند از آن عبور کنند و در پشت جسم، منطقهای تاریک به نام سایه ایجاد میشود.
۲. قانون بازتاب۲
وقتی یک پرتو نور به یک سطح صاف و صیقلی مانند آینه برخورد میکند، برمیگردد. این پدیده بازتاب نام دارد. در بازتاب، زاویهای که پرتو تابش با خط عمود بر سطح میسازد، همیشه با زاویهی پرتو بازتابشده برابر است. این قانون را میتوان به زبان ریاضی اینگونه نوشت:
که در آن $ \theta_i $ زاویهی تابش و $ \theta_r $ زاویهی بازتاب است.
مثال: اگر توپی را با زاویه ۳۰ درجه نسبت به دیوار پرتاب کنید و مستقیماً برگردد، مشابه رفتار نور است. نور هم با همان زاویهای که میآید، برمیگردد.
۳. قانون شکست۳
وقتی نور از یک محیط (مثل هوا) به محیط دیگری با چگالی متفاوت (مثل آب یا شیشه) وارد میشود، مسیرش کج میشود. این پدیده شکست نور نام دارد. به دلیل شکست است که استخر کمعمق، عمیقتر از واقعیت به نظر میرسد یا ماهی در آب، جایی غیر از مکان واقعیاش دیده میشود.
پرتو نور در عمل: از دوربینهای سوراخسوزنی تا فیبر نوری
شاید فکر کنید این مفاهیم فقط در کتابها کاربرد دارند، اما ما هر روزه نتایج آن را میبینیم و از آن استفاده میکنیم.
دوربین سوراخسوزنی: یک جعبه تاریک با یک سوراخ بسیار ریز. پرتوهای نور از یک صحنه، فقط از طریق آن سوراخ ریز و در خط راست وارد جعبه میشوند و یک تصویر وارونه روی دیوارهی مقابل تشکیل میدهند. این سادهترین اثبات عملی حرکت نور در خط راست است.
آینهها و نورپردازی: طراحان صحنه تئاتر از قانون بازتاب استفاده میکنند. آنها با قرار دادن آینهها در زوایای دقیق، میتوانند پرتو نور یک پروژکتور را به نقطهای خاص از صحنه هدایت کنند.
فیبر نوری۵: این فناوری پیشرفته، بر اساس قانون بازتابِ کامل داخلی کار میکند. پرتو نور داخل یک رشتهی بسیار نازک شیشهای به دام میافتد و با بازتابهای پیاپی از دیوارههای داخلی آن، تا کیلومترها حرکت میکند و اطلاعات (مثل اینترنت و تلفن) را جابهجا مینماید. در واقع، نور در داخل فیبر، مسیری زیگزاگ اما قابل پیشبینی را دنبال میکند.
سوالات رایج و باورهای نادرست
پاورقی
۱. پرتو نور (Light Ray): خطی فرضی و نازک که جهت انتشار انرژی نورانی را نشان میدهد.
۲. بازتاب (Reflection): پدیدهی برگشت نور از سطح یک جسم.
۳. شکست (Refraction): پدیدهی خم شدن نور هنگام عبور از یک محیط به محیط دیگر با چگالی متفاوت.
۴. Propagation: به معنای انتشار و حرکت موج (در اینجا نور) در یک محیط است.
۵. فیبر نوری (Optical Fiber): رشتههای بسیار نازک و شفاف از جنس شیشه یا پلاستیک که نور را برای انتقال دادهها هدایت میکنند.
