ÖĞRENME ALANI : FİZİKSEL OLAYLAR ÜNİTE 5 : IŞIK

Transkript

1 ÖĞRENME ALANI : FİZİKSEL OLAYLAR ÜNİTE 5 : IŞIK C IŞIĞIN KIRILMASI (4 SAAT) 1 Kırılma 2 Kırılma Kanunları 3 Ortamların Yoğunlukları 4 Işık Işınlarının Az Yoğun Ortamdan Çok Yoğun Ortama Geçişi 5 Işık Işınlarının Çok Yoğun Ortamdan Az Yoğun Ortama Geçişi 6 Farklı Yoğunluktaki Ortamların Sınırına Dik Gelen Işık Işınları 7 Işık Işınlarının Paralel Yüzlü Ortamdan Geçişi 8 Görünür Derinlik 9 Tam Yansıma ve Sınır 10 Serap Olayı 11 Beyaz Işığın Renklerine Ayrılması 12 Gökkuşağının Oluşumu 1

2 C IŞIĞIN KIRILMASI : 1 Kırılma : Işık ışınları, bir saydam ortamda doğrusal olarak yayılır yani doğrultusunu değiştirmez. Işık ışınları, bir saydam ortamdan yoğunluğu farklı olan başka bir saydam ortama geçerken, ışınların bir kısmı saydam ortamları ayıran sınır üzerinden yansıyarak geldiği ortama geri dönerken, bir kısmı da doğrultusunu ve hızını değiştirerek ikinci ortama geçer. Işık ışınlarının yoğunlukları farklı olan saydam bir ortamdan başka bir saydam ortama geçerken doğrultusunu değiştirmesine kırılma denir. Işık ışınlarının farklı bir ortama geçtiğinde kırılmasının nedeni, ışığın farklı ortamlardaki yayılma hızının farklı olmasıdır. Işık, saydam maddelerde sabit hızla yayılır ve ışığın hızı bulunduğu saydam ortama göre değişir. Işık en hızlı boşlukta yayılır. Işığın diğer maddesel ortamlardaki hızı, boşluktaki hızından küçüktür. Madde Madde İçindeki Hızı Boşluk c = km/sn (c = km/sn) V = ,02 km/sn (V km/sn) Su V Su = ,9 km/sn (V Su km/sn) Buz V Buz = ,63 km/sn (V Buz km/sn) Cam V Cam = ,7 km/sn (V Cam km/sn) Elmas V Elmas = ,94 km/sn (V Elmas km/sn) Kırılma olayında; Ortamları ayıran yüzeye gelen ve doğrultusunu değiştiren ışına gelen ışın denir. İkinci ortama doğrultusunu değiştirerek geçen ışına kırılan ışın denir. Yoğunlukları farklı ortamların yüzeyi ile 90 0 lik açı yapacak şekilde çizilen dikmeye yüzeyin normali denir. Gelen ışın ile normal arasındaki açıya gelme açısı, kırılan ışın ile normal arasındaki açıya kırılma açısı denir. Yansıma Yansıyan Işın 1.Ortam 2.Ortam 2 Kırılma Kanunları : Kırılma Sapma Kırılan Işın 1 Gelen ışın, normal ve kırılan ışın aynı düzlemdedir. 2 açısı ile kırılma açısı arasında sabit bit oran vardır ve gelme açısı ile kırılma açısı ortamların yoğunluklarına bağlı olarak değişir. 3 Işık ışınları, az yoğun ortamdan çok yoğun ortama geçerken normale yaklaşarak kırılır. 4 Işık ışınları, çok yoğun ortamdan az yoğun ortam geçerken normalden uzaklaşarak kırılır. 2

3 3 Ortamların Yoğunlukları : Işığın yayıldığı saydam ortamların kırıcılıkları farklı ise bu ortamlar farklı ortamlardır. Saydam ortamların kırıcılıklarının farklı olmasının nedeni, bu ortamların yoğunluklarının farklı olmasıdır. Kırılma olayında kullanılan yoğunluk kelimesinin maddelerin öz kütlesi ile ilgisi yoktur. Kırıcılığı fazla olan ortam çok yoğun ortamdır ve çok yoğun ortama giren ışığın hızı azalır. Kırıcılığı az olan ortam az yoğun ortamdır ve az yoğun ortama giren ışığın hızı artar. Boşluk, hava, su, cam, buz, elmas gibi saydam ortamlardan hangisinin az yoğun hangisinin çok yoğun ortam olduğunun belirlenmesi için bu ortamlardaki ışığın hızına bakılır. Işığın hızının fazla olduğu ortam diğerlerine göre az yoğun ortamdır. Buna göre ortamların yoğunlukları az yoğun ortamdan çok yoğun ortama göre; boşluk, hava, buz, su, cam ve elmas şeklinde sıralanır. 4 Işık Işınlarının Az Yoğun Ortamdan Çok Yoğun Ortama Geçişi : Işık ışınları az yoğun ortamdan, çok yoğun ortama geçerken; e yaklaşarak kırılır yani gelme açısı, kırılma açısından büyüktür. > Kırılma Işığın hızı azalır. V 1 > V 2 1.Ortam (Az Yoğun Ortam) 2.Ortam (Çok Yoğun Ortam) Kırılma Kırılan Işın Örnek : Işık ışınlarının az yoğun ortamdan çok yoğun ortama geçmesine örnek olarak; dan cama geçmesi. dan suya geçmesi. dan buza geçmesi. Sudan cama geçmesi. Buzdan suya geçmesi. Buzdan cama geçmesi. 5 Işık Işınlarının Çok Yoğun Ortamdan Az Yoğun Ortama Geçişi : Işık ışınları çok yoğun ortamdan, az yoğun ortama geçerken; den uzaklaşarak kırılır yani gelme açısı, kırılma açısından küçüktür. < Kırılma Işığın hızı artar. V 1 < V 2 3

4 1.Ortam (Çok Yoğun Ortam) 2.Ortam (Az Yoğun Ortam) Kırılma Örnek : Kırılan Işın Işık ışınlarının çok yoğun ortamdan az yoğun ortama geçmesine örnek olarak; Camdan havaya geçmesi. Sudan havaya geçmesi. Buzdan havaya geçmesi. Sudan buza geçmesi. Camdan suya geçmesi. Camdan buza geçmesi. 6 Farklı Yoğunluktaki Ortamların Sınırına Dik Gelen Işık Işınları : Işık ışınları az yoğun ortamdan çok yoğun ortama veya çok yoğun ortamdan az yoğun ortama dik olarak gelirse; Kırılmaya uğramadan yani doğrultusunu değiştirmeden ikinci ortama geçer. Işığın hızı değişir. Kırılan Işın 1.Ortam (Çok Yoğun Ortam) 2.Ortam (Az Yoğun Ortam) Çok yoğun ortamdan az yoğun ortama dik olarak geçen ışığın hızı artar. V 2 > V 1 Kırılan Işın 1.Ortam (Az Yoğun Ortam) 2.Ortam (Çok Yoğun Ortam) Az yoğun ortamdan çok yoğun ortama dik olarak geçen ışığın hızı azalır. V 2 < V 1 4

5 7 Işık Işınlarının Paralel Yüzlü Ortamdan Geçişi : Işık ışınları az yoğun ortamdan çok yoğun ortama girdiğinde normale yaklaşarak, çok yoğun ortamdan da aynı az yoğun ortama çıktığında normalden uzaklaşarak kırılır. Çok yoğun ortama gelen ışın ile çok yoğun ortamdan kırılarak çıkan ışın birbirine paralel olur, ışın sadece paralel bir kayamaya uğrar. Işının çok yoğun ortama gelme açısı ile çok yoğun ortamdan çıkarken kırılma açısı birbirine eşittir. Çok yoğun ortama gelen ışık ışınları sadece paralel bir kaymaya uğrar. Kayma miktarı çok yoğun ortamın kalınlığına, çok yoğun ortamın kırıcılığına ve gelme açısına bağlıdır. Cam Kırılma d d Paralel Yüzlü Ortamın Kalınlığı x Kayma Miktarı Kırılma x Kırılan Işın ÖRNEKLER : 1 dan suya geçen ışık ışınlarının kırılmasını gösterin ve havadaki ve sudaki hızlarını karşılaştırın. Su 5

6 2 Sudan cama geçen ışık ışınlarının kırılmasını gösterin ve sudaki ve camdaki hızlarını karşılaştırın. Su Cam 3 Camdan havaya geçen ışık ışınlarının kırılmasını gösterin ve camdaki ve havadaki hızlarını karşılaştırın. Cam (Çok Yoğun Ortam) (Az Yoğun Ortam) 4 dan cama, camdan tekrar havaya geçen ışık ışınlarının; a) Kırılmasını gösterin b) Camdaki ve havadaki hızlarını karşılaştırın. c) dan cama geçerken gelme açısı ile camdan havaya geçerken kırılma açılarını karşılaştırın. (Az Yoğun Ortam) Cam (Çok Yoğun Ortam) (Az Yoğun Ortam) 6

7 5 dan cama dik gelen, camdan tekrar havaya geçen ışık ışınlarının; a) Ortamlardan geçişini gösterin b) Camdaki ve havadaki hızlarını karşılaştırın. (Az Yoğun Ortam) Cam (Çok Yoğun Ortam) (Az Yoğun Ortam) 6 dan suya, sudan, cama, camdan da tekrar havaya geçen ışık ışınlarının; a) Kırılmasını gösterin b) daki, camdaki ve havadaki hızlarını karşılaştırın. c) dan suya geçerken gelme açısı ile camdan havaya geçerken kırılma açılarını karşılaştırın. (Az Yoğun Ortam) Su (Çok Yoğun Ortam) Su (Az Yoğun Ortam) Cam (Çok Yoğun Ortam) Cam (Çok Yoğun Ortam) (Az Yoğun Ortam) 7

8 8 Görünür Derinlik : Saydam ve yarı saydam maddelere gelen ışık ışınlarının bir kısmı bu maddelerin yüzeyleri tarafından kırılırken bir kısmı da bu yüzeyler tarafından yansıtılır. Su yüzeyinin veya camların görünmesinin nedeni, bu yüzeylerde gerçekleşen yansıma olaylarıdır. Saydam ortamlarda bulunan cisimlerin görülebilmesi için bu cisimlerden yansıyan ışınların göze gelmesi gerekir. Bir saydam ortamdan başka bir saydam ortamdaki cisimlere bakıldığında, cisimler bulundukları yerlerden farklı yerlerde görülür. Cisimlerin gerçek derinliklerinden farklı olarak kırılma sonucu görülen derinliklerine görünür derinlik denir. Cismin görünür derinliği bulunurken biri normal doğrultusunda, diğeri herhangi bir doğrultuda iki ışın gönderilir ve kırılan ışınların uzantılarının kesiştiği yerde cismin görüntüsü görülür. a) Az Yoğun Ortamdan Çok Yoğun Ortama Bakıldığında Görünür Derinlik : Az yoğun ortamdan çok yoğun ortama bakıldığında çok yoğun ortamda bulunan cisim gerçekte bulunduğu yerden daha yakında görülür. Bunun sebebi, cisimden çıkan yani yansıyan ışınların kırılarak göze gelmesi ve gözün de cismi kırılan ışınların uzantısında görmesidir. Göz h Su h ı A ı Az Yoğun Ortam Çok Yoğun Ortam h Gerçek Derinlik h ı Görünür Derinlik h > h ı A Örnek : Sudaki balıkların yüzeye yakın görünmesi. Su dolu bardaktaki kalemlerin kırılmış gibi görünmesi. Dibi görülen göl, nehir veya su birikintisinin gerçekte daha derin olması. Su dolu bardaktaki bozuk paranın bardağın daha yukarısında görünmesi. Akvaryuma üstten bakıldığında balıkların daha yakın görünmesi. b) Çok Yoğun Ortamdan Az Yoğun Ortama Bakıldığında Görünür Derinlik : Çok yoğun ortamdan az yoğun ortama bakıldığında az yoğun ortamda bulunan cisim gerçekte bulunduğu yerden daha uzakta görülür. Bunun sebebi, cisimden çıkan yani yansıyan ışınların kırılarak göze gelmesi ve gözün de cismi kırılan ışınların uzantısında görmesidir. A ı Su A h h ı Az Yoğun Ortam Çok Yoğun Ortam h Gerçek Derinlik h ı Görünür Derinlik h ı > h Göz Örnek : Sudaki balığın veya dalgıçların insanları uzakta görmesi. 8

9 9 Tam Yansıma ve Sınır : Işık ışınları, az yoğun ortamdan, çok yoğun ortamlara hangi açı ile gelirse gelsin normale yaklaşarak kırılır ve ikinci ortama geçer. Az Yoğun Ortam Çok Yoğun Ortam Işık ışınları çok yoğun ortamdan az yoğun ortama geçerken normalden uzaklaşarak kırılır. Çok yoğun ortamdan az yoğun ortama gelen ışınlar ikinci ortama her zaman geçemez. Ancak belli açılardan küçük açılarla geldiği zaman az yoğun ortama geçebilir. Işık ışınlarının bir ortama gelme açısı büyüdükçe kırılma açısı da büyür ve ışığın kırılma açısı 90 0 olduğu andaki gelme açısına sınır açısı denir. (Cam için 42 0, su için 48 0 ) Sınır Kırılma Az Yoğun Ortam Çok Yoğun Ortam Işık ışınları çok yoğun ortamdan az yoğun ortama sınır açısından daha büyük açıyla gelirse ikinci ortama geçemez ve geldiği ortama normalle eşit açı yaparak geri döner yani yansır. Bu olaya tam yansıma denir. Teknolojide fiber optik kablolardan ışınların gönderilmesi olayında, tam yansıma olayından yararlanılır. Bu kablolar iletişimde ve tıpta endoskop cihazlarının yapımında kullanılır. N N N N Az Yoğun Ortam  4 Sınır B ˆ B ˆ Tam Yansıma Çok Yoğun Ortam 1. Işın : Yüzeye dik gelen ışın kırılmadan çok yoğun ortamdan az yoğun ortama geçer. 2. Işın : Sınır açısından küçük açıyla gelen ışın ( < Sınır ) normalden uzaklaşarak kırılır. 3. Işın : Sınır açısıyla gelen ışın ortamları ayıran yüzeyi yalayarak geçer. Kırılma açısı 90 0 olur. 4. Işın : Sınır açısından daha büyük açıyla gelen ışın ( B ˆ > Sınır ) az yoğun ortama geçemez ve normalle eşit açı yapacak şekilde geldiği ortama geri döner yani tam yansıma yapar. 9

10 10 Serap Olayı : Serap olayı, ışığın kırılması ve tam yansıma olayları sonucu oluşan bir göz yanılmasıdır. Serap olayının gerçekleşmesi için cisimlere, çok yoğun ortamdan bakılması gerekir. Çölde veya sıcak yaz günlerinde yeryüzü ısınır ve yeryüzüne yakın kısımdaki havanın sıcaklığı artar. Yeryüzüne yakın yerlerdeki sıcaklığı artan havanın yoğunluğu yani kırıcılığı, üst kısımlardaki daha soğuk olan havanın yoğunluğundan yani kırıcılığından küçük olur. Soğuk olan havada bulunan gözlemci, herhangi bir cisme baktığında, gözlemciye hem cisimden doğrudan, hem de yoğunlukları farklı olan sıcak ve soğuk havayı ayıran yüzeyden yansıyan ışınlar gelir. Bunun sonucunda cismin hem gerçek görüntüsü hem de gerçek görüntünün altında ters bir görüntüsü görülür. Cismin ters görüntüsünün oluşması nedeniyle, cisimle görüntüsünün arasında yansıtıcı bir yüzey varmış gibi görünür. Bu olaya serap olayı denir. Cisimden gözlemciye sıcak ve soğuk havayı ayıran yüzeyden ışınların yansımasının nedeni, çok yoğun ortamdan az yoğun ortama gelen ışınların tam yansımaya uğramasıdır. Soğuk Sıcak 11 Beyaz Işığın Renklerine Ayrılması : Bir prizmaya gönderilen paralel beyaz ışık demeti prizmadan çıktıktan sonra bir ekran üzerine düşürülürse, ekranda sırayla kırmızı, turuncu, sarı, yeşil, mavi ve mor renklerden oluşan renkli bir ışık demeti yani renk tayfı görünür. Renk tayfındaki renkler kesin çizgilerle birbirinden ayrılmamıştır, iç içe geçmiş haldedir. Beyaz ışığın renklere ayrılmasının nedeni, ışığın yayılma ortamını değiştirmesidir. dan cama, camdan da havaya geçen ışık iki kez doğrultu değiştirmiş yani iki kez kırılmıştır. İlk kırılma ışık havadan cama girerken, ikinci kırılma da ışık camdan havaya çıkarken gerçekleşir. Beyaz ışıktaki renkli ışıklardan en fazla kırılan mor ışık prizmanın en alt kısmında, en az kırılan kırmızı ışık ta prizmanın en üstünde yer alır. Beyaz Işık N Işık Prizması Kırmızı Turuncu Sarı Yeşil Mavi Mor 12 Gökkuşağının Oluşumu : Gökkuşağı, gökyüzünün bir kısmında yağmur, diğer kısmında güneş varken görülen bir olaydır. Yağmurlu havanın hemen ardından güneş açarsa havadaki su damlacıklarında, ışığın kırılması ve yansıması sonucu güneş ışığı renklerine ayrışır ve beyaz ışıkta görülen kırmızı, turuncu, sarı, yeşil, mavi, (lacivert) ve mor renklerin sıralandığı gökkuşağı oluşur. Gökkuşağı, tam yansıma ve kırılma olayları sonucu oluşur. 10

11 Gökkuşağı oluşumunda yağmur damlası ışık prizması gibi davranarak üzerine düşen ışığın kırılarak renklere ayrılmasını sağlar. Güneş ışınları yağmur damlasına girerken kırılır, damlanın içinde tam yansıma yapar ve damladan çıkarken tekrar kırılır. Her rengin kırılması ayrı olduğu için su damlacıkları, prizma gibi bütün renkleri birbirinden ayırır. (Su damlacıklarında farklı açılarla kırılan ışınlardan her bir damla sadece tek bir rengi göze ulaştırır). Güneş Işığı Mor Kırmızı ÖRNEKLER : 1 Şekilde havadan cama gelen ışık ışını nasıl bir yol izler? N Cam O Â 2 Şekildeki gibi sudan havaya gelen ışık ışını hangi yolu izler? (Sudan havaya sınır açısı 48 dir.) N 1 Su Şekilde kapta birbirine karışmayan iki sıvı vardır. e yakın yerden bakan bir göz K cismini nerede görür? (Alttaki sıvı daha yoğundur.) 4 Şekilde, prizmanın diğer tarafından bakan göz, mumu nasıl görür? 11

12 5 Şekilde prizmaya dik gelen I ışını prizmayı hangi ışın gibi terk eder? (Cam hava için sınır açısı 42 dir.) 6 Şekildeki hava ortamında X prizmasına gelen I ışını nasıl bir yol izler? (Cam hava için sınır açısı 42 dir.) 7 Şekilde n 2 > n 1 ve sınır açısı 48 dir. I gelen ışını kırıldıktan sonra hangi doğrultuda gider? 8 Su dolu bir kapta su yüzeyi ile 20 lik açı yapan bir düz ayna bulunmaktadır. dan suya dik gelen I ışını nasıl bir yol izler? (Su hava için sınır açısı 48 dir.) 9 Şekildeki prizmalar ikizkenar dik üçgen kesitli ve özdeştir. 1. prizmaya dik gelen I ışını hangi yolu izler? (Camdan havaya sınır açısı 42 dir.) 12

13 10 Şekildeki cam kürenin K noktasına havadan gelen I ışınının izlediği yol nasıldır? (M: merkez) 11 Şekildeki M noktası camın küresel yüzeyinin merkezidir. I ışınının izlediği yol hangisi gibi olur? 12 Şekilde su içindeki bir cisimden çıkan ışınlar tam yansımaya uğrayarak göze gelmektedir. Göz, cismi hangi konumda görür? 13 Şekildeki gibi havadan cam prizmaya gelen ışığın izlediği yol aşağıdakilerden hangisi gibidir? (Camdan havaya sınır açısı 42 dir.) 14 Şekilde α sınır açısı olduğuna göre, ışık kaynağından çıkan ışınların hangisinin yolu yanlış çizilmiştir? 13

14 15 Şekildeki sisteme merkez doğrultusunda gelen K ışınının yolu hangisi gibi olur? 14