שבירת האור - חוק סנל והחזרה פנימית גמורה

מטרת הניסוי

אימות חוק סנל

מציאת מקדם השבירה של פרספקס

רקע תיאורטי

חוק סנל

כאשר קרן אור עוברת מתווך אחד לתווך אחר, משתנה מהירותה. כתוצאה מכך משתנה גם כיוון ההתקדמות שלה. שינוי הזווית מתואר ע"י חוק סנל:

n1sin(θ1)=n2sin(θ2)

כאשר אור עובר מחומר צפוף פחות לחומר צפוף יותר, הקרן הנשברת מתקרבת אל האנך.

כאשר האור עובר לחומר צפוף פחות, הקרן הנשברת מתרחקת מן האנך.

החזרה פנימית

כאשר אור נשבר מחומר צפוף יותר לחומר צפוף פחות, זווית השבירה תהיה גדולה מזווית הפגיעה, ולכן קיימת זווית פגיעה מקסימלית, שמעבר לה הקרן לא תישבר יותר החוצה. זווית הפגיעה הגבולית (הקריטית) מתאימה לזווית השבירה המקסימלית – 90º.

כאשר זווית הפגיעה גדולה מהזווית הקריטית, לא תתרחש שבירה, וכל האור הפוגע יוחזר בתוך התווך הראשון.

רשימת ציוד

מקור מתח.

מערכת לאופטיקה גיאומטרית הכוללת מקור אור דיסקית עץ עגולה ומסתובבת ועליה נייר פולרי,

דיסקית חצי עגולה עשויה פרספקס,

תיילים מוליכים.

הרכבת המערכת

ראשית יש לכוון את הפנס, כך שאלומת האור תתלכד עם הקו המסומן ב-0º.

את דיסקית הפרספקס יש להניח כשצידה הישר פונה לכיוון הפנס, ומונח בדיוק על הקו המסומן ב-90⁰. על הדסקית להיות מונחת בדיוק במרכז הלוח המסתובב, כך שהקרן שפוגעת בזווית 0º תצא ממנה בקו ישר, בזווית 0º גם כן.

מהלך הניסוי

חלק א: מעבר אור מאויר לפרספקס

בטבלה שלמטה רשום את תוצאות המדידה.

מסובבים את הלוח בכל פעם ב-5º, על מנת לשנות את זווית הפגיעה בפרספקס.ומודדים את זווית השבירה המתקבלת.

חשוב להקפיד שהדיסקית לא תזוז ממקומה על הלוח לכל אורך הניסוי!

חלק ב: מעבר אור מפרספקס לאויר

רשום את תוצאות המדידה בטבלה שלמטה.

סובב את הלוח, כך שדיסקית הפרספקס תפנה עם צידה העגול לכיוון הפנס, וזווית הפגיעה תהיה שוב 0º.

מסובבים את הלוח בכל פעם ב-5º, על מנת לשנות את זווית הפגיעה בפרספקס.ומודדים את זווית השבירה המתקבלת.

מצא את הזוית הגבולית (הקריטית) למעבר אור מפרספקס לאויר.                                

עיבוד התוצאות

חלק א: שבירת אור מאויר לפרספקס

1. שרטט גרף של זווית השבירה כנגד זווית הפגיעה.
2. תאר את הקשר בין הזוויות.
3. שרטט גרף של סינוס זווית השבירה כנגד סינוס זווית הפגיעה.
4. תאר את הקשר בין סינוס הזוויות. האם קשר זה מתאים לחוק סנל?
5. מה מייצג שיפוע הגרף.
6. מצא על פי השיפוע את מקדם השבירה של הפרספקס.                                

חלק ב: שבירת אור מפרספקס לאויר

1. שרטט גרף של סינוס זווית השבירה כנגד סינוס זווית הפגיעה.

2. מצא על פי שיפוע הגרף את מקדם השבירה של הפרספקס.
3. חשב, באחוזים, את ההבדל בין שני הערכים שהתקבלו עבור מקדם השבירה של הפרספקס.
4. חשב על פי מקדם השבירה שמצאת את הזווית הקריטית בשבירת אור מפרספקס לאוויר.
5. השווה, באחוזים, את הזווית שחישבת לזווית הקריטית שמדדת בניסוי.

רפלקציה

חוק סנל

1. הגדר מהי שבירת אור.

2. הראה בתרשים היכן נמדדות זווית הפגיעה וזווית השבירה של האור בניסוי.        

3. כאשר הקרן נשברת בדיסקית הפרספקס, משתנה רוחבה. התבונן ברוחב הקרן הפוגעת וברוחב הקרן הנשברת. הסבר את התופעה.

4. התבונן בקרן האור הלבנה כאשר היא נשברת החוצה מדיסקית הפרספקס. ניתן להבחין בה בצבעים שונים. הסבר את התופעה, ומדוע היא ניכרת יותר בזוויות פגיעה גדולות.

החזרה

5. תאר את השינוי בעוצמת האור הנשבר בפרספקס, ובעוצמת האור המוחזר.

6. הסבר מדוע התקבלה החזרה גמורה רק בחלק ב' של הניסוי.

7. פרט שני תנאים להתרחשות של החזרה פנימית גמורה.

ביצוע הניסוי

8. מהי השגיאה במדידת זווית הפגיעה וזווית השבירה בניסוי.

9. הסבר מדוע נעשה בניסוי שימוש בדיסקית חצי עגולה.