نور و ویژگی های آن

معماران ایران زمین در بناهایی که می ساختند، بسیار هنرمندانه از نور و ویژگی های آن استفاده می کردند. دریاچه های آبی رنگ، جنگل های سبز، ابرهای سفید، غروب سرخ رنگ خورشید برای هر شخصی که آنها را می بیند، لذت بخش است؛ ولی با مطالعهٔ بخشی از علوم به نام نورشناسی، که رفتار نور را بررسی می کند، می توان به درک بهتری از دنیای قابل مشاهده دست یافت.

چشمه های نور

در علوم دورهٔ ابتدایی آموختید هر جسمی که از خود نور تولید می کند، جسم منیر یا چشمهٔ نور نامیده می شود. خورشید، لامپ روشن و هر جسم شعله ور، مانند شمع روشن، نمونه هایی از چشمهٔ نورند؛ اما جسم هایی مانند مداد، کتاب و بیشتر چیزهایی که در اطرافمان می بینیم از خود نوری تولید و منتشر نمی کنند و جسم غیر منیر نامیده می شوند. جسم های غیرمنیر، نوری را که از چشمه های نور به آنها تابیده می شود به طرف چشم ما بازمی تابانند و ما آنها را می بینیم (شکل۱ )

خورشید و لامپ روشنی که زیر نور آنها مطالعه می کنیم، نمونه هایی از چشمهٔ گستردهٔ نورند؛ همچنین ستارگانی که در آسمان شب می درخشند یا لامپ روشنی که در فاصلهٔ نسبتاً دوری از ما قرار دارد، از جمله چشمه های نقطه ای نورند.

نور چگونه منتشر می شود؟

وقتی نور از شکاف میان یک یا چند جسم کدر عبور می کند، مسیر نور روی زمین، باریکهٔ نوری تشکیل می دهد (شکل ۲) هرچه عرض شکاف کمتر باشد، باریکهٔ نوری که تشکیل می شود، نازک تر خواهد بود.

شکل ۲- مسیر نوری که از شکاف بین دو سنگ گذشته، روی زمین باریکهٔ نور تشکیل داده است.

نازک ترین باریکهٔ نوری را که بتوان تصور کرد، پرتو نور نامیده می شود. هر باریکهٔ نور در عمل از تعداد بی شماری پرتو نور موازی تشکیل شده است (شکل ۳ – الف). هرچند هرگز نمی توان پرتوهای نور را به طور جداگانه ایجاد کرد. در مبحث نورشناسی، الگوی پرتو نور برای نمایش مسیر نور روی کاغذ بسیار مفید است.

شکل ۳ – الف) لیزر مدادی وسیلهٔ مناسب برای تولید باریکهٔ نور، امروزه این لیزرها را به سادگی و با قیمت مناسب می توان تهیه کرد.

به طور کلی یک باریکهٔ نور می تواند شامل مجموعه ای از پرتوهای موازی، واگرا و همگرا باشد (شکل ٣- ب، پ و ت).

تجربه های روزانهٔ ما نشان می دهد که نور در خط راست منتشر می شود؛ برای مثال پرتوهای نور خورشید وقتی از لابه لای شاخ و برگ درختان به زمین می رسند، نشانگر این است که نور در خط راست منتشر می شود (شکل ۴).

شکل ۴ – روی شکل چند پرتو فرضی نور را با خط راست و پیکانی روی آن، که جهت انتشار نور را مشخص می کند، نشان داده ایم.

آیا می دانید؟
دوربین روزنه ای، یکی از ابتدایی ترین دوربین هاست که نزدیک به ۵۰۰ سال پیش ساخته شد. در این دوربین در واقع از انتشار نور در خط راست برای تهیهٔ تصویر استفاده می شد. دوربین روزنه ای شامل جعبه ای است که در یک سمت آن روزنهٔ کوچکی ایجاد شده است و مقابل این روزنه یک صفحهٔ کاغذ نیم شفاف (کاغذپوستی) قرار دارد (شکل زیر). شما نیز می توانید یک دوربین روزنه ای بسازید و تصویری از اشیا و مناظر اطراف روی کاغذ پوستی تشکیل دهید.

سایه چگونه تشکیل می شود؟

برخی اجسام مانند شیشه و آب، نور را از خود عبور می دهند و بسیاری دیگر مانند چوب، سنگ و مقوا جلوی عبور نور را می گیرند. به جسم هایی که نور از آنها عبور می کند، جسم شفاف و به جسم هایی که مانع عبور نور می شوند، جسم کدر می گویند؛ همچنین به جسم هایی مانند کاغذ پوستی، که تنها بخشی از نور تابیده شده را عبور می دهند و از پشت آنها اجسام به وضوح دیده نمی شوند، جسم نیمه شفاف گفته می شود. هرگاه جسم کدری مقابل یک چشمهٔ نور قرار گیرد در پشت جسم، فضای تاریکی ایجاد می شود که به آن سایه می گویند. وضوح سایه در مرز آن به ابعاد چشمهٔ نور بستگی دارد. اگر چشمهٔ نور نقطه ای باشد یا مطابق شکل ۵- الف یک صفحهٔ کدر با روزنهٔ کوچک را بین جسم و چشمهٔ نور قرار دهیم، سایه ای با مرزهای واضح روی پرده تشکیل می شود. در غیر این صورت، علاوه بر آن نیم سایه ای نیز روی پرده تشکیل می شود.

شکل ۵ – الف) چشمه های کوچک یا نقطه ای، سایه ای با مرز مشخص از جسم کدر روی پرده تشکیل می دهند.

۵ – ب) چشمهٔ گسترده، سایه و نیم سایه از جسم کدر روی پرده تشکیل می دهد.

یکی از تماشایی ترین سایه ها را روی زمین وقتی می بینیم که ماه از فضای بین زمین و خورشید عبور کند و هرسه در یک راستا قرارگیرند؛ این حالت، خورشیدگرفتگی (کسوف) نامیده می شود. شکل ۶ هر چند با مقیاس مناسبی رسم نشده است، پدیدهٔ زیبای خورشیدگرفتگی را نشان می دهد.

ماه گرفتگی یا خسوف پدیدهٔ طبیعی دیگری است که وقتی زمین بین ماه و خورشید قرار می گیرد و با آنها در یک جهت باشد، رخ می دهد (شکل ۷). هنگام ماه گرفتگی نور خورشید به ماه نمی رسد و سایهٔ زمین روی ماه می افتد.

بازتاب نور

تا اینجا آموختید که چشمه های نور مانند خورشید، لامپ روشن و شعلهٔ شمع به این دلیل دیده می شوند که نور ایجاد شده توسط آنها به طور مستقیم به چشم ما می رسد؛ همچنین اجسام غیرمنیر هنگامی دیده می شوند که نور یک چشمهٔ نور مانند لامپ روشن از سطح آنها برگردد و به چشم ما برسد.(شکل ۸). برگشت نور از سطح اجسام را بازتاب نور می نامند.

شکل ۸ – پرتوهایی که پس از بازتاب از سطح جسم به چشم ما می رسند، سبب دیده شدن جسم می شوند.

اگر سطح یک جسم، مانند آینهٔ تخت، کاملاً صاف و هموار باشد، همهٔ پرتوهای موازی را که به آن می تابند به صورت پرتوهای موازی بازمی تاباند (شکل ۹). این بازتاب را بازتاب منظم می نامند. سطح بسیاری از اجسامی که در اطراف ما وجود دارند، ناصاف است. حتی اگر با میکروسکوپ، سطح یک ورقهٔ کاغذ یا مقوا را مشاهده کنیم برخلاف تصور ما، بسیار ناهموار است (شکل ۱۰ )؛ بنابراین وقتی یک دسته پرتو موازی نور به سطح صفحه می تابد در جهت های مختلف و به طور نامنظم بازمی تابند(شکل ۱۰ – ب) این بازتاب را بازتاب نامنظم می نامند.

قانون بازتاب نور

شکل ۱۱ بازتاب یک پرتو نور را از سطح یک آینهٔ تخت نشان می دهد. خط عمود بر آینه در نقطهٔ تابش با خط چین نشان داده شده است. زاویهٔ بین پرتو تابش و خط عمود را زاویهٔ تابش و زاویهٔ بین پرتو بازتاب و خط عمود را زاویهٔ بازتاب می نامند. برای تمامی سطوحی که نور را بازمی تابانند از جمله آینهٔ تخت، قانونی به نام قانون بازتاب نور وجود دارد. برای آشنایی با این قانون ابتدا آزمایش مقابل را انجام دهید.

با انجام دادن آزمایش بالا به این نتیجه می رسیم که زاویه های تابش و بازتاب باهم برابرند. این نتیجه به قانون بازتاب نور موسوم است.

خود را بیازمایید

در هریک از شکل های زیر پرتو نوری نشان داده شده است که به سطح یک آینهٔ تخت تابیده است. با توجه به قانون بازتاب نور، پرتو بازتاب را از هر آینه رسم کنید.

بر طبق قانون بازتاب نور زاویه تابش همواره با زاویه بازتاب برابر است. 

  i = r

آیا می دانید؟
قانون بازتاب نور برای همهٔ سطوح، حتی اگر بسیار ناهموار باشند، نیز برقرار است. شکل زیر تصویر بزرگ شده ای از یک سطح ناهموار، مانند کاغذ را نشان می دهد.

تصویر در آینهٔ تخت

آیا تاکنون به این موضوع فکر کرده اید که تصویر یک جسم در آینهٔ تخت، که سطحی صاف و صیقلی دارد، چگونه تشکیل می شود؟ وقتی جسمی مقابل یک آینهٔ تخت قرار می گیرد، پرتوهای نور از هر نقطهٔ آن به آینه می تابند. این پرتوها پس از بازتاب از آینه به چشم ما می رسند و سبب دیده شدن جسم در آینه می شوند (شکل۱۲ ). تصویری که در آینهٔ تخت تشکیل می شود، شبیه جسم است و به نظر می رسد، پشت آینه قرار دارد. از آنجا که می دانیم پشت آینه چیزی نیست، می گوییم تصویر تشکیل شده در آینهٔ تخت، تصویر مجازی است.

شکل ۱۲ – چگونگی تشکیل تصویر در آینۀ تخت. برای سادگی تنها دو پرتو که از جسم به آینه تابیده و بازتاب یافته اند، نشان داده شده است.

فعالیت

الف) آزمایشی طراحی و اجرا کنید که به کمک آن بتوان نشان داد فاصلهٔ جسم از آینهٔ تخت با فاصلهٔ تصویر از آینه برابر است.

ب) برای دیدن اجسامی که پشت یک مانع قرار دارند از وسیله ای به نام پیرابین یا پیرامون نما استفاده می شود. شکل روبه رو طرحی ساده از یک پیرابین را نشان می دهد که شامل دو آینهٔ تخت است که نسبت به یکدیگر موازی اند. پس از چند بار بازتاب، پرتوهای نور به چشم ناظر می رسند؟ یک کاربرد پیرابین را نام ببرید.

آینه های کروی

همان طور که دیدیم، آینهٔ تخت، تصویری تشکیل می دهد که درست به همان اندازهٔ جسم است(شکل ۱۳ -الف). ولی در موارد زیادی لازم است تصویر نسبت به جسم، بزرگ تر یا کوچک تر باشد (شکل۱۳ – ب و پ).

آینه هایی که مطابق شکل ۱۳ – ب و پ تصویری بزرگ تر یا کوچک تر از جسم تشکیل می دهند، آینهٔ کروی نامیده می شوند. سطح این آینه ها، قسمتی از سطح یک کره است (شکل ١۴ ). اگر سطح بیرونی یک پوستهٔ کروی را با لایهٔ نازکی از جیوه بپوشانیم، سطح درونی آن صیقلی و بازتاب دهندهٔ نور خواهد بود. در این صورت به آن، آینهٔ مقعر یا کاو می گویند (شکل ١۵ -الف)؛ همچنین اگر سطح درونی پوستهٔ کروی را با لایهٔ نازکی از جیوه بپوشانیم به آن، آینهٔ محدب یا کوژ گفته می شود (شکل ١۵ -ب). در آینه های کوژ سطح بیرونی یا برآمده، صیقلی و بازتاب دهندهٔ نور است.

آینه های کاو

آزمایش کنید

هدف آزمایش: یافتن کانون آینهٔ کاو
مواد و وسایل: آینهٔ کاو و یک تکه مقوا یا ورقهٔ کاغذ
روش اجرا
۱- آینهٔ کاو را مقابل پرتوهای نور خورشید بگیرید.
۲ – صفحه کاغذ را جلوی آینه جابه جا کنید تا لکهٔ روشنی روی آن مشاهده کنید.
۳ – صفحه کاغذ را به آرامی حرکت دهید تا لکهٔ نورانی تشکیل شده روی صفحهٔ کاغذ، به بیشترین درخشندگی و کوچک ترین اندازهٔ ممکن برسد. در این حالت تصویر حقیقی خورشید روی سطح کاغذ و در کانون آینهٔ کاو تشکیل شده است.

نتیجه گیری مشاهدات:

هر گاه جسمی در بی نهایت دور باشد(مثل خورشید) در این حالت پرتو هایی که از جسم به آینه مقعر می‌رسند، تقریباً موازی اند و تصویر حقیقی روی کانون، کوچک تر از جسم و وارونه تشکیل می‌دهند.

 

توجه: اگر بخواهید این آزمایش را در کلاس انجام دهید، می توانید آزمایشی را مطابق شکل انجام دهید. پرده را آن قدر جابه جا کنید تا تصویر واضحی از جسم خیلی دور روی آن تشکیل شود. در این حالت می توان گفت تصویر حقیقی با تقریب خوبی در کانون آینه تشکیل شده است.

اگر بخواهیم نتیجهٔ آزمایش بالا را به کمک پرتوهای نور نشان دهیم، می توان گفت هرگاه جسمی در فاصلهٔ دوری از یک آینه قرار داشته باشد، پرتوهایی که از آن جسم به سطح آینه می تابند با یکدیگر موازی اند. این پرتوها پس از بازتاب از آینهٔ کاو، همگرا می شوند و یکدیگر را در نقطه ای به نام کانون آینه قطع می کند (شکل۱۶ )

.

آینه های کاو کاربردهای فراوانی دارند؛ برای مثال دندانپزشکان برای دیدن لکه های دندان از آینهٔ کاو استفاده می کنند. برای این کار، آینه را طوری پشت دندان ها قرار می دهند که دندان موردنظر در فاصلهٔ بین آینه و کانون آینه قرار گیرد. در این حالت تصویری مجازی و بزرگ تر از دندان در آینه تشکیل می شود(شکل ۱۷). برای بررسی ویژگی های تصویر در آینهٔ کاو، وقتی جسم خارج از کانون آینه قرار دارد، آزمایشی را که در ادامه آمده است، انجام دهید.

شکل ۱۷ – وقتی جسمی بین آینه و کانون آینۀ کاو باشد، همواره تصویری مجازی و بزرگ تر درآینه تشکیل می شود.

آینه های کوژ

وقتی پرتوهای موازی نور به سطح یک آینهٔ کوژ بتابند، پس از بازتاب از آینه از یکدیگر دور یا واگرا می شوند. امتداد این پرتوها در پشت آینه یکدیگر را قطع می کنند (شکل ۱۸ ). به این نقطه کانون مجازی آینهٔ کوژ گفته می شود. فاصلهٔ کانون تا آینه، فاصلهٔ کانونی نامیده می شود.

فکر کنید

آینه های کوژ اغلب در وسایل نقلیه استفاده می شوند؛ همچنین از این آینه ها در فروشگاه های بزرگ و پیچ تند جاده ها استفاده می شود (شکل زیر). به نظر شما کدام ویژگی آینه های کوژ سبب کاربرد آنها در این موارد می شود؟

 

میدان دید وسیع آینه کوژ باعث استفاده در این موارد است.