Yansıma ve Kırılma Açıklandı: Aynalar ve Snell Yasası

Işık ışınları olarak

Günlük optik olayların çoğunda ışığı ışınlar olarak ele alırız: Bunlar, ışığın ilerlediği yönü gösteren bir ok bulunan düz çizgilerdir. Bu ışın modeli, cisimler ışığın dalga boyundan çok daha büyük olduğunda iyi çalışır; bu durum aynaları, mercekleri ve sıradan gölgeleri kapsar. Kırınım gibi dalga etkilerini göz ardı ettiği için bir yaklaşımdır, ama çok kullanışlıdır.

Her diyagramı doğru tutan bir fikir vardır. Açılar, ışının yüzeye ulaştığı noktada yüzeye dik olan hayali bir çizgi olan normale göre ölçülür. Bunun yerine yüzeyden ölçmek, yanlış cevap almanın en yaygın yoludur.

Yansıma yasası

Bir ışın pürüzsüz bir yüzeye çarptığında, geldiği açıyla aynı açıda geri yansır:

θᵢ = θᵣ

Gelen ışın, giden ışın ve normal aynı düzlemde yer alır. Pürüzsüz bir ayna için yasanın tamamı budur ve bu yasa kesindir.

Düz aynanın görüntüye etkisi

Düz ayna sanal bir görüntü oluşturur. Gözünüz, yansıyan ışınları düz çizgiler hâlinde geriye doğru izler ve ışınların aynanın arkasında, cismin aynanın önündeki uzaklığı kadar uzakta bulunan bir noktadan geliyormuş gibi göründüğünü fark eder. Aslında oradan hiçbir ışık gelmez; bu nedenle görüntüyü bir ekrana yansıtamazsınız.

Görüntü cismin boyutuyla aynıdır, ancak önden arkaya doğru ters çevrilmiştir; bu yüzden sağ eliniz, karşınızdaki kişinin sol eli gibi görünür. İki aynayı dik açılarla birleştirirseniz bir periskop elde edersiniz: Her ayna aynı yasaya uyar ve birlikte ışığı bir duvarın etrafından yönlendirirler.

Işık neden bükülür: kırılma indisi

Işık boşlukta, yaklaşık 300.000 km/s süratle en hızlı ilerler. Su veya cam gibi bir malzemede daha yavaş hareket eder. Kırılma indisi n, bu ikisini karşılaştırır:

n = c / v

Hava için bu değer 1'e çok yakındır, su için yaklaşık 1,33, sıradan cam için yaklaşık 1,5 ve elmas için 2'nin üzerindedir. Daha büyük bir n, daha düşük bir ışık sürati ve daha güçlü bir bükülme anlamına gelir.

Bir ışın bir malzemeden diğerine açıyla geçtiğinde, kirişin bir tarafı diğer taraftan önce yavaşlar ve kiriş döner. Buna kırılma denir. Işığın bir bölümü aynı sınırda yansır; bu nedenle bir pencere hem içini görmenizi sağlar hem de soluk bir yansıma gösterir.

Snell yasası

Kırılmanın kesin kuralı Snell yasasıdır:

n₁ sin θ₁ = n₂ sin θ₂

Her açı, kendi malzemesindeki normale göre ölçülür. Işığın havadan (n yaklaşık 1,00) suya (n yaklaşık 1,33) 45° açıyla girdiğini varsayalım. Bu durumda sin θ₂ = sin 45° ÷ 1.33 olur; bu da yaklaşık 0,53'tür ve yaklaşık 32°'lik bir açı verir. Işın normale doğru bükülmüştür.

Normale doğru mu, normalden uzağa mı?

Yönü bilmek için hesaplama yapmanıza gerek yoktur:

• daha yoğun bir malzemeye (daha yüksek n) girerken ışın normale doğru bükülür;
• daha az yoğun bir malzemeye (daha düşük n) girerken normalden uzağa bükülür.

Yollar tersine çevrilebilir; bu nedenle geri çıkan bir ışın aynı yolu ters yönde izler. Daha yoğun malzemedeki açı yeterince büyürse, bu malzemeden çıkan ışık artık hiç kırılamaz ve bunun yerine tamamen yansır. Bu etkiye tam iç yansıma denir ve fiber optik bunun temelinden yararlanır.

Günlük hayatta kırılma

Kırılma, tanıdık birkaç yanılsamayı açıklar:

• Bir havuz olduğundan daha sığ görünür. Sudan çıkan ışık normalden uzaklaşarak bükülür; bu yüzden taban daha yukarıda görünür. Neredeyse tam tepeden bakıldığında görünen derinlik, gerçek derinliğin n değerine bölünmesiyle yaklaşık olarak bulunur.
• Bir pipet kırılmış gibi görünür; çünkü suyun altındaki kısmı bükülmüş ışık aracılığıyla görülür.
• Bir bardağın kenarının arkasına gizlenmiş bir madeni para, su eklediğinde görünebilir; çünkü ışınlar artık kenarın üzerinden bükülür.
• Bir yol serabı aslında hiç de su birikintisi değildir. Gökyüzünden gelen ışık, sıcak ve daha seyrek hava katmanlarının içinden yukarı doğru bükülür ve gözümüze aşağıdan ulaşır.

Bunların hepsinin farklı yerlerde uygulanmış aynı Snell yasası olduğunu fark et.

Yaygın yanlış kanılar

• "Işık atomlara çarptığı için yavaşlar ve durur." Dalga, malzemenin içinden geçerken gecikir; malzemeden çıktığında yeniden tam süratine ulaşır.
• "Ayna sağı ve solu tersine çevirir." Önü ve arkayı tersine çevirir; sağ ve solun karışmasının nedeni, dönmeyi zihninde nasıl canlandırdığındır.
• "Bükülme camın kalınlığına bağlıdır." Bükülme kalınlığa değil, açıya ve iki kırılma indisine bağlıdır; kalınlık yalnızca ışın demetini yana kaydırır.
• "Sanal görüntü hayal ürünüdür." Bu, ışığın geliyormuş gibi göründüğü noktadır. Gözün onu gayet iyi görür.

Bunu laboratuvarda nasıl inceleyebilirsiniz?

Işık ve Optik laboratuvarı, gerçek ışınları aynalara ve cam bloklara yöneltmeni ve açıları ölçmeni sağlar. Ücretsiz ilk dünyadaki yol:

1. Yansıma Yasası bölümünde yansıma kuralını doğrula.
2. Düz Aynalar ve Görüntüler bölümünde gizli görüntüyü gör.
3. Kırılma İndisi bölümünde ışığı yavaşlat, ardından Snell Yasası bölümünü kullan.
4. Normale Doğru mu, Normalden Uzağa mı? bölümünde yönleri tahmin et, ardından Görünür Derinlik bölümünde havuzları açıkla.

Laboratuvar, ideal düz yüzeyler ve tek bir ışık dalga boyu kullanan basitleştirilmiş bir öğretim modelidir; bu nedenle sayılar net çıkar. Gerçek cam renkleri biraz birbirinden ayırır; bu konu sonraki dünyalarda anlatılacak.