مقدمه

شکست نور عبارت است از انحراف ناگهاني مسير پرتوهاي نور وقتي که بطور مايل از يک محيط شفاف مانند هوا ، وارد محيط شفاف ديگري مانند آب يا شيشه بشوند. اين پديده را بدون استثناء همه ما در زندگي روزمره خود بارها تجربه و مشاهده کرده‌ايم و چون بطور مکرر تکرار شده در نظر ما کاملا طبيعي و عادي جلوه‌گر شده‌اند. براي مثال وقتي لبه استخر پر از آب ايستاده‌ايم، کف استخر بالاتر به نظر رسيده و احتمال دارد ما را گمراه سازد. يا پديده سراب ، ماهي که در يک تنگ شيشه‌اي نيمه‌پر قرار دارد، ميله چوبي که بطور مايل در ليوان پر از آب فرو رفته ، در محل فرورفتن در آب شکسته مي‌بينيم.
يا يک قطعه شيشه ضخيم تخت را روي صفحه‌اي از کتاب بگذاريم، نوشته‌ها چطور به نظر مي‌رسند، همه‌ اينها نمونه‌اي از پديده شکست نور هستند. اولين فرمولبندي و بدست آوردن رابطه‌اي که ارتباط بين پارامترهاي مختلف و شرايط محيطي حاکم بر آنها را کاملا مشخص و روشن مي‌کند، توسط دو دانشمند به نامهاي اسنل و دکارت که قوانين مربوطه نيز به نام خودشان معروف مي‌باشد، انجام شد. شما هم مي‌توانيد بر اساس انتشار نور به خط راست با آزمايشهاي ساده‌اي قوانين شکست نور را بدست آوريد.

تئوري آزمايش

زاويه تابش i زاويه‌اي است که ميان پرتو تابش و خط عمود بر سطح در محل تابش درست مي‌شود و زاويه شکست r زاويه‌اي است که بين پرتو شکست و خط عمود تشکيل مي‌گردد. وقتي نور از هوا يا خلا وارد ماده چگالتري مانند شيشه يا آب مي‌شود، طوري مي‌شکند که پرتو شکست به خط عمود نزديکتر مي‌شود. برعکس ، هنگامي که نور از ماده‌اي چگالتر از هوا (مانند شيشه يا آب) وارد هوا مي‌شود، پرتو شکست از خط عمود دور مي‌شود. در نتيجه زاويه شکست از زاويه تابش بزرگتر است.

قوانين شکست نور (قوانين اسنل - دکارت)

1. پرتو تابش و پرتو شکست و خط عمود بر سطح جدا کننده دو محيط در نقطه تابش ، هر سه در يک صفحه‌اند.
2. براي دو محيط شفاف معين ، نسبت سينوس زاويه تابش به سينوس زاويه شکست مقداري ثابت است. اين مقدار ثابت را ضريب شکست محيط دوم (يعني محيطي که پرتو شکست در آن قرار دارد) نسبت به محيط اول (يعني محيطي که پرتو تابش در آن واقع است) مي‌نامند و آن را با حرف n نمايش مي دهند.
علت شکست نور ، به هنگام عبور از يک محيط به محيط ديگر ، در واقع اين است که سرعت نور در دو محيط مجاور هم متفاوت است. اگر سرعت نور در هوا V و در محيط شفاف ديگر V باشد، روابط زير برقرارند:
ضريب شکست هر محيط نسبت به محيط ديگر بستگي به جنس دو محيط دارد.
مثلا نسبت سرعت نور در هوا به سرعت نور در آب برابر 33/1 است که اين عدد درست برابر ضريب شکست آب است. حال اگر نور از محيط شفاف 1 (مثلا آب) به ضريب شکست n1 وارد محيط شفاف (مثلا شيشه) به ضريب شکست n2 بشود ضريب شکست محيط 2 نسبت به محيط 1 برابر:
(سرعت نور در محيط 2/سرعت نور در محيط 1)n2,1 = n2/n1 = v1/v2

تحقيق تجربي قانون دوم شکست نور
وسايل لازم

1. منبع نور (با يک شکاف نازک)
2. صفحه گرد مدرج و کاملا تخت که بر حسب درجه مدرج شده باشد.
3. نيم استوانه شيشه اي با ضخامت کم.

شرح آزمايش

به کمک اين اسباب به آساني مي‌توان قانون دوم شکست را تحقيق کرد. روش آزمايش بدين صورت مي‌باشد که قسمتي از پرتو باريک منبع نوري از روي وجه مسطح نيم استوانه که مرکز آن منطبق بر مرکز صفحه مدرج بوده و امتدادها طبق شکل درست در دو طرف ?90 مي‌باشد، بازتابيده شده و قسمت ديگر وارد نيم استوانه مي‌شود و در آن شکست مي‌يابد. مسيرهاي پرتوهاي تابش و شکست روي صفحه مدرج ديده مي‌شود.
زاويه‌هاي تابش و شکست به آساني اندازه گرفته مي‌شوند. بدون تغيير دادن راستاي پرتو تابش ، صفحه مدرج (و درنتيجه نيم استوانه شفاف) را چرخانده و زاويه تابش را از صفر تا نزديک ?90 تغيير داده و براي هر زاويه تابش ، زاويه شکست مربوط به آن را روي صفحه مدرج اندازه گرفت و تحقيق کرد که Sini/Sinr همواره مقدار ثابتي است. حال همين آزمايش را براي موادي ديگر نظير آب و کوارتز و ... تکرار نماييد.

ضريب شکست پاره‌اي از مواد شفاف

نوع ماده	ضريب شکست
هوا	1.00آب 1.33
بنزن	1.50سولفيد کربن           1.63
کوارتز	1.46شيشه کراون1.52
شيشه فلينت	1.66پلکس گلاس (پلي اتيلني(   1.50
الماس	2.42

اين بررسيها نشان مي‌دهد که قوانين اسنل - دکارت بدون وابستگي محيط همواره پابرجا هستند.

نتايج آزمايش

1. اين آزمايش موئيد اصل انتشار نور به خط مستقيم است.
2. قوانين بازتابش و شکست نور ، مستقل از طول موج نور و هندسه سطح تابشي است.
3. قوانين اسنل - دکارت بدون وابستگي به نوع محيط همواره پابرجا هستند.
4. در طراحي و ساخت کليه دستگاههاي نوري از جمله عدسي (تنظيم ابيراهيها و ...) ، انواع دوربين عکاسي ، تلسکوپ ، ميکروسکپ و ... .

سوالات

در زير سئوالاتي مطرح شده که آنها با مفهوم شکست نور توجيه مي‌شوند؟اگر چوب را تا قسمتي از آن بطور قائم در آب فرو بريم چگونه به نظر خواهد رسيد؟
1. اگر يک پرتو نور بطور عمودي بر سطح يک محيط شفاف بتابد، چگونه وارد اين محيط مي‌شود؟
2. اگر n ضريب شکست شيشه نسبت به هوا باشد، ضريب شکست هوا نسبت به شيشه چيست؟
3. با توجه به اين که نور ستارگان از خلا وارد جو زمين مي‌شوند، آيا ستارگان بويژه آنها که به سطح افق نزديکترند در جاي حقيقي خود ديده مي‌شوند؟
4. فرض کنيد با يک زاويه ثابت به يک پارچ کدر که ته آن براي ما قابل روئيت نيست و ته پارچ يک سکه قرار داده شده ، تماشا مي کنيم، چه روشي پيشنهاد مي‌کنيد تا در شرايط مذکور بدون تغيير وضعيت موجود ، سکه مشاهده شود؟
منبع:دانشنامه ي رشد
/خ