אופטיקה גיאומטרית- חוק סנל

1. ניסוי מסורתי אופטיקה גיאומטרית- חוק סנל מגישה: שי טפליצקי

2. רקע תיאורטי כשהאור עובר מתווך אחד לתווך אחר, הוא משנה את כיוון התפשטותו. לשינוי כיוון זה אנו קוראים שבירה. לצורך תיאור התפשטות האור והשבירה, נשתמש בכמה מושגים אשר מצוינים גם בשרטוט. • הקרן הפוגעת- קרן המייצגת את כיוון ההתקדמות של האור הפוגע. • הקרן העוברת (נשברת)- קרן המייצגת את כיוון ההתקדמות של האור העובר במשטח. • אנך- זהו אנך למשטח בנקודת הפגיעה. • זווית הפגיעה (α)-הזווית שבין הקרן הפוגעת לאנך. • זווית השבירה (β)-הזווית שבין הקרן העוברת לאנך.

3. רקעתיאורטי את תופעת השבירה חקר המדען וילברורד סנל בשנת 1626. הוא מצא קשר כללי בין זווית הפגיעה לזווית השבירה. סנל גילה כי קיים יחס ישר בין סינוס זווית השבירה לסינוס זווית הפגיעה. קשר זה ידוע בשם : חוק סנל.

4. רקע תיאורטי חוקי ההחזרה .1. זווית הפגיעה שווה לזווית ההחזרה 2. הקרן הפוגעת, האנך והקרן המוחזרת נמצאות באותו המישור. מקדם השבירה מקדם השבירה שווה ליחס בין מהירות האור בריק לבין מהירות האור בתווך אליו הוא נכנס . זווית קריטית הזווית המתאימה לזווית שבירה של 90 מעלות. מתקבלת רק כאשר האור עובר מתווך צפוף לתווך קלוש. תופעת החזרה גמורה והתנאים לקיומה. כל האור שפוגע במשטח גבול שמפריד בין שתי הסביבות מוחזר. התנאים להחזרה גמורה: • זווית הפגיעה גדולה מהזווית הקריטית. • האור עובר מתווך צפוף לקלוש.

5. שבירה, חוק סנל ומדידת מקדם השבירה של פרספקס מטרות הניסוי • לראות את תופעת השבירה ולאשש את חוק סנל. • להשתמש בחוק סנל לשם מציאת מקדם השבירה של חומר (פרספקס). • לראות את תופעת ההחזרה הגמורה, ומציאת הזווית הקריטית בין האוויר לפרספקס.  רשימת ציוד: פנס אופטי, עדשה גלילית, מקור מתח

6. חלק ראשון- בדיקת מעבר האור מתווך קלוש לתווך צפוף מבחינה אופטית, חישוב מקדם השבירה של הפרספקס הנחנו את העדשה הגלילית על השולחן האופטי, הקפדנו שהפאה הישרה תתלכד עם הקו שעליו רשום 90º. כיוונו את הפנס למצב של מקור אור השולח אלומה אחת. הדלקנו את הפנס וכיוונו את האור כך שהקרן תפגע בדיוק במרכז העדשה. וידאנו כי כשהזווית שווה ל-0, האור ממשיך בקו ישר ללא שבירה. בכל פעם שינינו את זווית הפגיעה ומדדנו את זווית השבירה. רשמנו את התוצאות בטבלה הבאה:

7. חלק ראשון- בדיקת מעבר האור מתווך קלוש לתווך צפוף מבחינה אופטית, חישוב מקדם השבירה של הפרספקס שרטטנו גרף של זווית השבירה θ2כפונקציה של זווית הפגיעה :θ1 הגרף לא מתאר קשר ליניארי. הפרמטרים X ו-Y, תלויים בסינוס הזווית. ניתן לראות כי לפי הנוסחה- , הגרף המתקבל הוא לא ליניארי.

8. חלק ראשון- בדיקת מעבר האור מתווך קלוש לתווך צפוף מבחינה אופטית, חישוב מקדם השבירה של הפרספקס עבור כל אחד מערכי זווית הפגיעה והשבירה, חישבנו את סינוס הזווית, ורשמנו את התוצאות בטבלה בעמודות המתאימות:

9. חלק ראשון- בדיקת מעבר האור מתווך קלוש לתווך צפוף מבחינה אופטית, חישוב מקדם השבירה של הפרספקס שרטטנו גרף נוסף של סינוס זווית השבירה (sinθ2) כפונקציה של סינוס זווית הפגיעה (sinθ1). העברנו קו ישר אופטימאלי דרך הנקודות שסימנו. בעזרת חוק סנל , מצאנו את מקדם השבירה של הפרספקס (N2):

10. חלק ראשון- בדיקת מעבר האור מתווך קלוש לתווך צפוף מבחינה אופטית, חישוב מקדם השבירה של הפרספקס חשבנו שגיאה מוחלטת ושגיאה יחסית. ידוע כי מקדם השבירה של הפרספקס הוא 1.5. שגיאה מוחלטת- שגיאה יחסית-

11. חלק שני- בדיקת מעבר האור מתווך צפוף לתווך קלוש מבחינה אופטית, חישוב מקדם השבירה של הפרספקס הנחנו כעת את העדשה הגלילית על השולחן האופטי כך שהקרן מכוונת לצד המעוגל. הקפדנו שהפאה הישרה תתלכד עם הקו 90, והקו בעדשה יתלכד עם קו האפס. כיוונו את האלומה היוצאת מהפנס למרכז העדשה. וידאנו כי זווית הפגיעה היא אפס וראינו כי האור ממשיך בקו ישר ללא שבירה. שינינו בכל פעם את זווית הפגיעה, ומדדנו את זווית השבירה. רשמנו את התוצאות בטבלה הבאה:

12. חלק שני- בדיקת מעבר האור מתווך צפוף לתווך קלוש מבחינה אופטית, חישוב מקדם השבירה של הפרספקס שרטטנו גרף של זווית השבירה כפונקציה של זווית הפגיעה : הגרף לא מתאר קשר ליניארי. הפרמטרים X ו-Y, תלויים בסינוס הזווית. ניתן לראות כי לפי הנוסחה- הגרף המתקבל הוא לא ליניארי.

13. חלק שני- בדיקת מעבר האור מתווך צפוף לתווך קלוש מבחינה אופטית, חישוב מקדם השבירה של הפרספקס עבור כל אחד מערכי זווית הפגיעה והשבירה, חישבנו את סינוס הזווית, ורשמנו את התוצאות בטבלה בעמודות המתאימות.

14. חלק שני- בדיקת מעבר האור מתווך צפוף לתווך קלוש מבחינה אופטית, חישוב מקדם השבירה של הפרספקס שרטטנו גרף של סינוס זווית השבירה כפונקציה של סינוס זווית הפגיעה. העברנו קו ישר אופטימאלי דרך הנקודות שסימנו. .(N2בעזרת חוק סנל, מצאנו את מקדם השבירה של הפרספקס (

15. חלק שני- בדיקת מעבר האור מתווך צפוף לתווך קלוש מבחינה אופטית, חישוב מקדם השבירה של הפרספקס חשבנו שגיאה מוחלטת ושגיאה יחסית. ידוע כי מקדם השבירה של הפרספקס הוא 1.5. שגיאה מוחלטת- שגיאה יחסית-

16. חלק שלישי- החזרה גמורה ומציאת הזווית הקריטית בין האוויר לפרספקס הנחנו שוב את העדשה הגלילית על השולחן האופטי כך שהאלומה מכוונת לצד המעוגל לעבר מרכז הדיסקה. הקפדנו שהפאה הישרה תתלכד עם 90. סובבנו בעדינות את השולחן האופטי לזווית שבה כל האור חוזר (מצב של החזרה גמורה). זווית זו נקראת זווית קריטית. ערך הזווית הקריטית שקיבלנו במצב זה היא 41.8 מעלות. חישבנו בעזרת חוק סנל את ערכה של הזווית הקריטית: שגיאה מוחלטת- שגיאה יחסית-

17. שאלות תאר את מהלך קרני האור כאשר קרן האור אינה מכוונת למרכז העדשה הגלילית והסבר מהלך זה. במעבר הראשון אין שבירה, כלומר זווית הפגיעה וזווית השבירה שוות ל-0. במעבר השני האנך הוא הרדיוס, הקרן הנשברת מתרחקת מהאנך וזווית השבירה גדולה יותר מזווית הפגיעה. הגדר את המושג זווית קריטית. זווית קריטית זאת זווית הפגיעה שמתאימה לזווית שבירה של 90 מעלות כאשר האור עובר מתווך צפוף לקלוש. תאר את התופעה החזרה גמורה וציין את התנאים לקיומה. כל האור שפוגע במשטח גבול שמפריד בין שתי הסביבות מוחזר. התנאים להחזרה גמורה: • זווית הפגיעה גדולה מהזווית הקריטית. • האור עובר מתווך צפוף לקלוש.

18. שאלות ציין לפחות שני שימושים להחזרה גמורה. סיב אופטי הוא סיב מחומר שקוף (בדרך כלל זכוכית) המאפשר העברת אור מקצהו האחד לאחר, ומבוסס על העיקרון הפיזיקאלי הנקרא החזרה גמורה של קרן אור. פריסקופהוא מכשיר אופטי המאפשר להפנות את קו הראייה באמצעות מראות וכך לקבל זווית ראייה המתקבלת ממקומות שהגישה אליהם קשה או בלתי אפשרית. פריסקופ פשוט מורכב מצינור שבו שתי מראות המונחות זו מול זו במקביל ובזווית של 45 מהקו המחבר ביניהן.

19. שאלות חשב את גודלה של מהירות האור בפרספקס. אם נשלח קרן מקבילה אל העדשה אל החלק הקמור, האם העדשה תכנס את קרני האור או תפזר את קרני האור? הסבר. העדשה תכנס את קרני האור.

20. רפלקציה .ניסוי זה תרם לי רבות הן מבחינת התוכן והן מבחינת החקר מבחינת התוכן, למדתי לעומק יותר את כל הרקע התיאורטי של אופטיקה גיאומטרית, של עדשות. למדתי למה המודל החלקיקי לא מאשר את חוק סנל ואילו המודל הגלי כן. כמו כן, ראיתי בצורה מוחשית את השבירה של האור בפרספקס. מבחינת החקר, למדתי להשתמש במערכת שבודקת שבירת קרניים, איך מפעילים קרן אור אחת ואיך מפעילים כמה קרניים במקביל. כמו כן, את הניסוי ביצעתי יחד עם חבר לכיתה, מה שהקל על העבודה ובמקרים בהם לא הבנתי מה צריך לעשות, יכולתי להיעזר בו.