Bir malzemenin kırılma indisi n, ışığın boşluktaki hızının (c) ışığın o malzemedeki

Transkript

1 Doğa Olayları II

2 Işık ve özellikleri: Işık elektromanyetik bir dalgadır. Yayıldığı veya soğrulduğunda parçacık özelliği gösterir; ivmelenen elektrik yükleri tarafından yayılır. Işık hızı temel bir sabittir. Işık bir ortamdan diğerine geçtiği zaman frekansı değişmez, fakat dalgaboyu ve hızı değişebilir. Bir malzemenin kırılma indisi n, ışığın boşluktaki hızının (c) ışığın o malzemedeki hızına (v) oranıdır. n = c v

3 λ 0 Işığın boşluktaki dalgaboyu ise, aynı dalga kırılma indisi n olan bir malzeme içinde daha kısa dalgaboyuna(λ) sahiptir. λ = λ 0 n Kırılma indisi n in dalgaboyu λ ya bağlı olarak değişmesine dağılma (dispersiyon) denir. Kırılma ve Yansıma: Bir ışık dalgası iki optik malzemeyi ayıran pürüzsüz bir arayüze geldiği zaman, dalga genel olarak kısmen yansıtılır ve kısmen diğer yüzeye doğru kırılır (geçirilir).

4

5 Tam iç yansıma: Bir ışın, kırılma indisi n a yüksek olan malzemeden kırılma indisi n b düşük olan bir malzemeye doğru ilerlerken, gelme açısı kritik açı θ krit ten büyükse arayüzeyde tam iç yansıma gerçekleşir, ışın tam olarak geri yansır.

6 Görünür derinlik: Bir ortamdaki cisme, diğer ortamdan bakıldığında göründüğü konumu. Beyin, ışık ışınlarını düz bir çizgi boyunca yol alıyormuş gibi algılar; gerçekteyse, kırılmanın bir sonucu olarak bu ışınlar yönlerini değiştirir. Bundan dolayı cisim, aslında göründüğü yerde değildir.

7 Bir gökkuşağı nasıl oluşur?

8 Yağmur damlalarına giren Güneş ışığı, gökkuşağı olarak bilinen renk tayfını oluşturur. Güneş ışığı bir su damlasına çarptığında yansıma ve kırılmalar sonucunda mor ışık en çok, kırmızı ışık en az sapacak şekilde bir renk tayfı gözlemlenir. Damlaya giren güneş ışığı, damlanın arka yüzeyinde yansır ve ön yüzeyden kırılarak çıkar. Bu ışınlardan kırmızı olanı, damlaya gelen güneş ışığı ile 42 0, mor olanı ise 40 0 lik sapma açısı yapar.

9 Gökkuşağını izleyen bir gözlemcinin gözüne ulaşan kırmızı renkteki ışık, gökkuşağının üstündeki yağmur damlalarından gelir. Aynı su damlalarındaki mor ışık ise diğer renklere oranla daha az sapmaya uğrayacağından gözlemciye ulaşamayacaktır. Dolayısıyla gözlemci, damladan gelen ışıklardan sadece kırmızı renkte olanı görecektir. Benzer şekilde gökkuşağının altındaki yağmur damlalarından gözlemciye sadece mor renkte bir ışık ulaşır. Burada kırmızı ışık diğerlerine oranla daha fazla kırılacağından toprağa çarpacak ve gözlemciye ulaşmayacaktır. Bunun sonucunda sırasıyla kırmızı ışık en üste, turuncu, sarı, yeşil, mavi ve en altta mor ışık olacaktır. Böylece altı renkten oluşan yarım daire şeklindeki gökkuşağı gözlemlenir.

10 Bazen aynı anda iki tane gökkuşağı oluşur. Neden? Eğer Güneş ışığı yağmur damlasından iki kez kırılma ve iki kez yansımaya uğrarsa iki tane gökkuşağı oluşabilir. Büyük gökkuşağındaki renklerin sıralanışı küçük olana göre terstir ve parlaklığı daha azdır.

11 Yuvarlak bir gökkuşağı gözlenebilir mi? Açıklayınız.

12 Bir gökkuşağının merkezi, Güneş arkamızda olduğunda gözlerimizle aynı hizadadır; dolayısıyla yeryüzünde olduğumuz sürece sadece yarı-dairesel gökkuşakları görmemiz mümkün olur. Gökkuşağının alt yarısı yeryüzü tarafından kesilir. Tam bir gökkuşağı ancak kuşak Dünya ya paralel olarak oluştuğunda görülebilir. Uçaktaki bir yolcu su damlacıklarının üzerinde uçarken ( ki bu sırada Güneş de tam tepedeyse) gökkuşağını tam bir daire olarak görülebilir.

13 Cisimler Neden Renkli Görünür? Doğal ışık kaynağı olmayan cisimler, ışığı yansıtır. Ancak bu cisimler, üzerine düşen ışığın belli bir frekans aralığındaki kısmını yansıtabilir. Yansıtılan ışık cismin rengini verir. Beyaz ışık kuşun üzerine düştüğünde kuşun tüyleri farklı renklerden oluştuğu için göğüs kısmı mor, karın bölgesi sarı, kanatları yeşil ve baş kısmı turuncu ışığı yansıtır, diğer renkleri soğurur.

14 Beyaz bir cisim, sırasıyla beyaz, kırmızı ve mavi ışıkla aydınlatıldığında hangi renklerde görünür? Beyaz ışık:

15 Kırmızı ışık: Mavi ışık:

16 Siyah bir cisim, sırasıyla beyaz, kırmızı ve mavi ışıkla aydınlatıldığında hangi renklerde görünür? Beyaz Işık:

17 Mavi Işık: Kırmızı Işık:

18 Kırmızı, yeşil ve mavi renkte ışıklar kullanarak tüm ışık renkleri elde edilebilir. Bu renkler ana (birincil) renkler olarak adlandırılır ve hiçbir renk karışımıyla elde edilemez. Ana renkler eşit oranda karıştırıldığında magenta (morumsu), sarı ve cyan (cam göbeği) adı verilen ara (ikincil) renkler elde edilir. Sarı=kırmızı + yeşil Cyan=mavi+yeşil Magenta=kırmızı+mavi Beyaz=kırmızı +mavi+ yeşil

19 Beyaz renk ana renklerin (kırmızı, mavi, yeşil) eşit oranda karıştırılmasıyla oluşturulacağı gibi birçok renk çiftinin birleşmesiyle de oluşturulabilir. Ara renklerle beyazı oluşturan renklere tamamlayıcı renkler denir.

20 Filtre kullanarak beyaz ışık renklerine ayrılabilir. Renkli filtreler sadece kendi renklerindeki ışıkları geçirirken diğerlerini soğurur ve filtre geçirdiği ışığın renginde görülür.

21 Sarı ve yeşil filtreler kullanılarak oluşturulmuş şekildeki gibi bir sistemde hangi renkler göze ulaşır?

22 Sarı filtre, hem kendini hem de onu oluşturan kırmızı ve yeşil ışığı güçlü geçirirken tayfta komşu olan turuncu ve mavi renkli ışıkları zayıf geçirir. Yeşil filtre, üzerine düşen kırmızı, sarı ve yeşil renkli ışınlardan yalnızca yeşil rengi güçlü, sarı rengi zayıf geçirecek ve göze yeşil renk ulaşacaktır.

23 Yeşil renkli kitaba kırmızı camları olan bir gözlükle beyaz ışık altında bakıldığında kitap hangi renkte görünür?

24 Yeşil renkli kitaba beyaz ışık düşürüldüğünde kitap, yeşil rengi güçlü yansıtırken tayfta komşu olan sarı ve mavi rengi zayıf yansıtır. Gözlük camı burada kırmızı filtre gibi davranacağından kitabı yansıttığı hiçbir rengi geçirmeyecektir. Bu sebeple kitap siyah görünecektir.

25 Beyaz Köpüklü Dalgalar Azgın dalgalar vardı çok sayıda molekülden oluşan, moleküllerin her biri kendi derdindeydi trilyonlarca fakat yapayalnızdılar, oysa bir arada beyaz köpükleri oluşturuyorlardı. Yukarıdaki satırlar ünlü fizikçi Richard Feynman ın Amerikan Ulusal Bilim Akademisi nin 1955 sonbaharında verdiği halka açık bir konferansta okuduğu şiirden alınmıştır. Kırılan dalgaların üzerindeki beyaz köpüklerin o kadar göz alıcı ve beyaz görünmelerinin nedeninin ne olabileceğini hiç merak ettiniz mi?

26 Richard Feynman ( ) 1965 Nobel Fizik Ödülü

27 Beyaz dalgalar sayısız kabarcıktan oluşur. Bir kabarcık, içine hava hapsolmuş, ışığı yansıtan ince bir zar görüntüsündeki sudur. Bir kabarcıktaki su miktarı son derece az olduğundan, aynı büyüklükteki bir su damlacığıyla karşılaştırıldığındaki soğurduğu ışığın miktarı çok azdır. Yani köpüğün içindeki on binlerce kabarcık, güneş ışığının büyük bir kısmını yansıttığından biz bu dalgaları beyaz olarak görürüz. İlginç olan bir şey vardır ki beyaz köpüklü dalgalar geceleri de görülebilir. Bunun nedeni deniz suyunun fosforesan maddeler içermesidir. Peki o zaman niye sadece köpükler parlamaktadır? Herhangi bir fikriniz var mı?

28 Dalgacıkların Şekli Durgun suya bir taş atacak olursak, taşı attığımız noktadan dışa doğru açılan dairesel dalgacıklar oluştuğunu görürüz. Peki bu taşı akmakta olan bir suya atarsak dalgacıkların şekli nasıl olur?

29 Dalgaların akış yönüne paralel uzanan elips benzeri bir şekil alacığını düşünebilirsiniz. Ama bu durumda yanılmış olursunuz. Dalgaların şekli su akıyor olsa da dairesel kalacaktır. Bunun nedeni akış sırasında suyun bir bütün olarak aşağı doğru taşınmasıdır. Bunun sonucunda dairesel dalgacıklar da herhangi bir bozuluma uğramadan taşınacaktır.

30 Bir çayın içindeki pipet şekildeki gibi kırık görünmektedir. Bunun sebebi nedir?

31 Çay yüzeyinin altından gelen ışınlar hava-çay arayüzeyinden geçerken yön değiştirir ve ışınlar gerçek kaynaklarından daha yüksek bir noktadan geliyormuş gibi görünür. Işığın kırılması sonucu bu pipet düz olmasına rağmen çay yüzeyinde kırık olarak görülür. Çayın içindeki bir cisimden çıkan ışık ışınları havaya geçtiğinde normalden uzaklaşarak kırılırlar. Çay yüzeyinin üzerindeki bir gözlemci yüzeye gerçekte olduğundan daha yakın görür.

32 Bir göl kıyısında duruyorsunuz. Göl yüzeyinden bir miktar aşağıda leziz bir balık gördünüz. Bu balığı zıpkınlamak istiyorsanız nereye doğru nişan almalısınız? Balığın görünen konumunun (a) aşağısına, (b) yukarısına, (c) tam doğrultusuna.

33 Cevap: (a). Şekilde görüldüğü gibi, balıktan gelen ışınlar sudan (n=1,33) havaya (n=1) geçerken normalden uzaklaşarak kırılır. Sonuç olarak balık suda olduğu yerden daha yüksekteymiş gibi görünür. O halde zıpkını balığın görünen konumunun altına nişan alması gerekir.

34 Bu balığı yüksek güçlü bir lazer kullanarak balığı hem yakalamak hem de pişirmek isterseniz, lazeri balığın görünen konumuna göre nasıl nişan alırsınız? (a) aşağısına, (b) yukarısına, (c) tam doğrultusuna. Cevap: (c). Lazer ile balığın görünen konumuna nişan almanız gerekir: Lazer ışığı balıktan size gelen normal ışığın izlediği yolu izleyecektir.

35 Şekildeki suyun içindeki yüzücü, teknedeki balıkçıyı hangi konumda görür? Balıkçının gerçek konumuna göre (a) aşağıda, (b) yukarıda, (c) balıkçının konumu değişmez.

36 Cevap: (b). Yüzücü havaya göre çok kırıcı ortamda olduğundan, balıkçıyı bulundu yerden daha uzakta görecektir.

37 Sıcak yaz günlerinde araçların asfalt yol üzerinde su birikintisinin içinde geçiyormuş gibi görünmesinin nedenini açıklayınız? Bu durum ışığın tam yansıma yapmasıyla açıklanabilir. Havanın, yeryüzüne yakın yerlerde sıcak, diğer yerlerde soğuk olması halinde gökyüzünden gelen ışınlar, soğuk havadan geçerek sıcak havada tam yansımaya uğrarlar. Bu nedenle ışınlar, bir su birikintisinden geçiyormuş gibi hissedilir. Su birikintisinin göründüğü yere yaklaştıkça bu algının yanlış olduğu anlaşılır.

38 Atmosferde bir nesnenin görüntüsünün cisme alttan yapışmış gibi görünmesine serap denir. Serap nasıl oluşur? Serap, yerin yakınındaki bir ılık hava tabakasının üstündeki soğuk bir hava tabakası tarafından hapsedilmesi sonucu ortaya çıkan bir olaydır. Işık, yatay görüş çizgisine göre kırılır ve toplam iç yansıma ile yukarı doğru hareket eder. Ortaya çıkan görüntü, yani serap, baş aşağı sanal bir görüntüdür.

39 Bazı cisimler oldukları yerden daha yüksekte görülmesinin nedeni nedir? Yazın, buharlaşma ve hava akımlarından dolayı deniz yüzeyinden belirli bir mesafeye kadar hava sıcaklığı artar. Hava ısındıkça genleşir ve kırılma indisi küçülür. Deniz yüzeyine yakın olan hava tabakası, kırılma indisi büyük, yükseklerdeki hava tabakası ise kırılma indisi küçük iki farklı ortam gibi davranır. Bu durumda soğuk tabakada bulunan gemiden çıkan ışınlar, sıcak tabakaya sınır açısından daha büyük açılarla gelir ve tam yansımaya uğrar. Tam yansımayla göze gelen ışınların doğrultusunda görünen gemi, olduğu yerden daha yüksekte ve ters görünür.

40 Gökyüzündeki yıldızlar baktığımızda, onlar gerçek yerlerinde mi yoksa farklı bir konumda görmekteyiz? Atmosferin her tabakasının kırılma indisi aynı olmadığından Güneş ten ve diğer yıldızlardan gelen ışınlar, farklı kırılmalara uğrayarak göze ulaşırlar. Göz, cisimleri ışığın göze geldiği doğrultuda göreceğinden cisimler bulundukları konumlara göre farklı yerlerde görülür. Güneş, şekilde görüldüğü gibi G deki asıl konumu yerine G 1 de görülecektir. Işığın atmosfer tarafından kırılmaya uğraması sonucunda Güneş olduğundan daha büyük görünür.

41 Fiberoptik kabloda veri aktarımı nasıl olmaktadır? Fiberoptik kablolar, tam yansımanın en önemli teknolojik uygulamalarındandır. Bu kablolar, içinde ışığın yönlendirildiği plastik veya cam fiberlerden yapılmıştır. Işık, fiber içerisinde sınır açısından daha büyük bir açı ile gönderilebilir ve tam yansıma yaparak kalır. Bu durumda fiber, ışığı ileten bir kablo görevi görür. Fiberoptik kabloların diğer iletim malzemelerine göre avantajlı uygun mesafelerdeki veri iletimin daha kaliteli ve yüksek değerlerde yapılabilmesini sağlamasıdır.