هدف
هدف از انجام اين آزمايش تحقيق قوانين اسنل و دکارت مي‌باشد.
وسايل لازم
يک نقاله پلاستيکي سفيد - يک ظرف - مقداري آب - شيشه - يک چشمه نور قابل تنظيم - يک ورقه صيقلي شده نقره يا فولاد.
تئوري
همه اجسام ، چه شفاف و چه کدر ، مقداري از نور را که به آنها برخورد مي‌کنند، بازتاب مي‌دهند. بيشتر سطحها نور را در راستاهاي زيادي مي‌فرستند. به کمک اين نور بازتابي است که اجسام روشن شده را مي‌بينيم و آنها را از محيط اطرافشان تشخيص مي‌دهيم. وقتي نور به يک سطح برخورد مي‌کند قسمتي از آن منعکس مي‌شود و قسمتي به داخل آن ماده وارد مي‌شود. قسمتي که منعکس مي‌شود پرتو بازتابيده است که طبق قانون بازتابش با زاويه فرود برابر است.
البته طبق همين قانون مي‌دانيم که پرتو فرودي ، پرتو بازتابيده و خط عمود بر سطح در نقطه تماس همگي در يک صفحه واقعند. قسمت ديگر نور فرودي که وارد محيط دوم مي‌شود پرتو شکست نام دارد و متناسب با قانون دوم اسنل زاويه آن با خط عمود بنا به رابطه:
n2 Sin ?2 = n1 Sin ?1
که ?1 زاويه فرود و ?2 زاويه شکست و n1 و n2 به ترتيب ضريب شکست محيط اول و دوم است، رفتار مي‌کند. مجددا طبق همين قانون ، پرتو فرودي ، پرتو شکست و عمود بر سطح همگي در يک صفحه قرار دارند. ضريب شکست به جنس محيط بستگي دارد.
Sin ?1/Sin ?2 = n2/n1 = n21
که n21 ثابتي است که به آن ضريب شکست محيط 2 به محيط 1 مي‌گويند. ضريب شکست يک محيط نسبت به محيط ديگر عمدتا با طول موج تغيير مي‌کند. با استفاده از همين خاصيت شکست است که مي‌توانيم باريکه نور را به طول موجهاي تشکيل دهنده آن تجزيه کنيم.
آزمايش 1: بازتاب و پخش آينه‌اي
صفحه سفيدي را در اتاقک تاريکي قرار داده ، آينه‌اي را بر اين صفحه منطبق کنيد. سپس جسمي را روبروي اين مجموعه قرار دهيد. منبع نوري را در فاصله مشخصي از اين مجموعه قرار دهيد. عمل منبع نور روي صفحه سفيد چگونه است؟ روي آينه چطور؟ مشاهدات خود را بر اساس کدام قانون فيزيک نور توضيح مي‌دهيد؟
مشاهده مي‌کنيد که کاغذ کاملا روشن به نظر مي‌رسد و نسبت به زمينه تاريک رنگ آن سفيد است. با اينکه شدت نوري که به هر سطح مي‌رسد تقريبا مساوي است، چنانکه از بازتابش شمع سفيد در آينه معلوم است، آينه نور را خيلي خوب بازتاب مي‌دهد. پس چرا در عکس کاغذ روشنتر از آينه است.
نتيجه آزمايش1
آينه بازتابنده خوبي است و نور لامپ را که دور از دوربين عکاسي است باز مي‌تابد، ولي جهت بازتابش آن که يگانه هم هست در جهت دوربين نيست. پس پرتو بازتابي به دوربين نمي‌رسد به همين جهت تاريک به نظر مي‌رسد، در حالي که کاغذ بازتابنده خوبي نيست و نور فرودي را در تمام جهتها باز مي‌تاباند و قسمتي از آن هم به دوربين عکاسي مي‌رسد، به همين جهت قسمتي از آن روشن به نظر مي‌رسد.
آزمايش 2
يک صفحه مقوايي سفيد را روي يک بازتابنده خوب مثل يک آينه قرار دهيد و منبع نور را چنان قرار دهيد که پرتو نور مماس بر صفحه مقوايي باشد. سعي کنيد با تغيير زاويه بين صفحه مقوايي و آينه پرتو بازتابش را هم روي مقوا بيندازيد. يعني پرتو بازتابش هم بر صفحه مماس شود. سپس زاويه بين مقدار آينه را اندازه بگيريد. اين کار را براي حالتهاي مختلفي از جمله منابع مختلف و بازتابنده‌هاي مختلف انجام دهيد. مقدار اين زاويه چگونه تغيير مي‌کند؟
در مرحله بعدي ، از وسط ورقه مقوايي خطي عمود بر يکي از لبه‌هاي آن رسم کنيد. سپس مانند حالت قبل ورقه مقوايي را در وضع عمود بر سطح بازتابنده طوري قرار دهيد که انتهاي خط رسم شده بر نقطه‌اي قرار گيرد که شعاع نور در آن به سطح بازتاننده مي‌خورد. حال زاويه بين خط عمود روي مقدار و آينه را اندازه بگيريد و اين کار را همانند حالت اول براي شرايط مختلف امتحان کنيد. چه چيز نتيجه مي‌شود؟
نتيجه آزمايش2
مسلما در حالت اول مشاهده کرديد که براي آنکه پرتو تابش و بازتابش هر دو روي صفحه مقوايي بيفتد همواره بايد ورقه مقوايي بر سطح بازتاباننده عمود باشد و همينطور در حالت دوم چون خط عمود روي مقواست، سپس در همان صفحه‌اي است که دو شعاع نور قرار دارند و بر صفحه بازتاباننده نيز عمود است. اين مشاهدات قانون اول بازتاب آينه‌اي را بدست مي‌دهد. وقتي نور از يک سطح تخت آينه‌اي بازتابيده مي‌شود، پرتو فرودي ، پرتو بازتابيده و خط عمود بر سطح در نقطه تماس همگي در يک صفحه واقعند.
آزمايش 3: رابطه زواياي فرود و بازتاب
در همان آزمايش شماره 2 صفحه مقوايي را مورب کنيد، بطوري که خط عمود بر صفحه شما منطبق باشد و فصل مشترک صفحه آينه ?90 باشد. سپس زاويه پرتو تابش نسبت به خط عمود روي صفحه مقوايي را تغيير دهيد و در هر حالت زاويه بازتابش را از روي صفحه مقوايي و آن را با زايه تابش مقايسه کنيد. چه نتيجه مي‌گيريد؟
نتيجه آزمايش 3
مشاهده خواهيد کرد زاويه بين پرتو بازتابيده و خط عمود که زاويه بازتاب ناميده مي‌شود، با زاويه بين فرودي و خط عمود ، به نام زاويه فرود ، مساوي است و طي آن قانون دوم بازتاب آينه‌اي بدست مي‌آيد: زاويه بازتاب برابر با زاويه فرود است.
آزمايش شماره 4: شکست نور
ابتدا پرتو نوري را توسط يک منبع نوري به سطح جدا کننده هوا و آب بتابانيد، يک نقاله پلاستيکي سفيد را چنان قرار دهيد که نيمي از آن در هوا و نيمه ديگر داخل آب باشد، سعي کنيد پرتو فرودي و پرتو شکست يعني پرتوي که از سطح جدا کننده دو محيط عبور کرده و وارد محيط دوم شده را روي نقاله بيندازيد سپس زاويه بين نقاله و مرز مشترک دو محيط را اندازه بگيريد اين کار را براي مواد مختلف بجاي آب انجام دهيد، زاويه بين نقاله و مرز مشترک دو سطح چگونه تغيير مي‌کند؟
نتيجه آزمايش 4
مشاهده خواهيد کرد که در همه حالتها نتيجه يکساني بدست مي‌آيد. در همه حالتها اين زاويه ?90 اندازه گيري مي‌شود که در قانون اول شکست خلاصه شده است: پرتو فرودي ، پرتو شکست و خط عمود بر سطح همگي در يک صفحه قرار دارند.
آزمايش 5: ارتباط زاويه شکست و زاويه فرود
همانند آزمايش 4 ، نقاله پلاستيکي را طوري قرار دهيد که نيمي از آن داخل آب و نيم ديگر در هوا باشد و نقاله پلاستيکي را عمود بر مرز مشترک دو محيط قرار دهيد. پس پرتو فرودي را تحت زواياي مختلف بتابانيد و در هر مورد زاويه شکست را از روي نقاله بخوانيد. سپس نمودار زاويه شکست را بر حسب زاويه فرود رسم کنيد. نمودار زاويه فرودي بر حسب زاويه بازتابش رسم کنيد. همين آزمايشها را براي مواد مختلف به عنوان محيط دوم امتحان کنيد. مشاهدات شما چگونه است؟
نتيجه آزمايش 5
با قرار دادن يک خط کش راست روي قسمتهايي از منحني‌ها ، شيشه و آب متقاعد مي‌شويم که براي زواياي فرد بين صفر تا ?30 يا ?40 هر دو منحني تقريبا راست هستند و هر دو از مبدأ دستگاه مختصات مي‌گذرند. بنابراين ، در اين گستره زاويه شکست با زاويه فرود متناسب است. اگر زاويه r زاويه شکست و i زاويه تابش باشد مي‌توان نوشت: ثابت×i = r. همينطور مشاهده مي‌شود که مقدار ثابت به جنس ماده‌اي بستگي دارد که نور از هوا به آن وارد مي‌شود. اين تقريب براي زواياي کوچک متغير است، ولي براي تمام زواياي صادق نيست.
قانون اول اسنل
يافتن يک معادله رياضي که با منحني تجربي جور باشد، ممکن است کار ساده‌اي نباشد. سابقه اين کار به هزاران سال پيش به بطليموس برمي‌گردد. در قرن هفدهم اسنل رياضيدان هلندي اين قانون فرمول بندي شد. براي ايجاد ارتباط مناسب بين دو زاويه فرود و شکست اولا بايد توابعي داشته باشيم که نسبت دو تابع براي زواياي شکست و فرود برابر نسبت ضريب شکست دو محيط و مقدار ثابتي باشد. از طرفي برگشت پذيري مسير نور مستلزم اين است که هر دو زاويه تابع يکساني داشته باشند.
به علاوه ، براي زواياي کوچک نسبت توابع بايد به نسبت خود زوايا تبديل شود. تابعي که در اين شرايط صدق کند Sin? است. در واقع ، اين تابع که به قانون اسنل معروف است. با استفاده از نتايج آزمايش 5 مشاهده مي‌کنيد که پشت سينوس زواياي فرود و شکست براي تمام زوايا مقدار ثابتي است.
منبع:دانشنامه رشد/خ