T.C. TÜBİTAK BİDEB YİBO ÖĞRETMENLERİ (FEN VE TEKNOLOJİ-FİZİK, KİMYA, BİYOLOJİ-ve MATEMATİK) PROJE DANIŞMANLIĞI EĞİTİM ÇALIŞTAYLARI OPTİK KUTU HAZIRLAYANLAR Ahmet ARSLAN Ömer Yılmaz TOKGÖZ DANIŞMANLAR Prof. Dr. Naci İNCİ Prof. Dr. Bilal GÜNEŞ Çalıştay 2009-1 TÜSSİDE 1
OPTİK KUTU Ahmet ARSLAN1, Ömer Yılmaz TOKGÖZ2 Cumhuriyet Yatılı İlköğretim Bölge Okulu Dikmen/ SİNOP (fenci990@hotmail.com ) 2 İMKB Yatılı İlköğretim Bölge Okulu Manavgat/ ANTALYA (yilmaz42070@hotmail.com ) 1 Özet Lazer ışığını sürekli olarak gözlemlenebilir kılarak ortam değişikliği olmadığında doğrusal bir yol izlediğini gözlemleyebilmek ve ışığın farklı ortamlara geçerken yansıyabileceğini ve ya kırılabileceğini ispatlayabilmek amacı ile yapılmış bir çalışmadır. Eğer optik kutu içerisinde tek yoğunlukta bir ortam yaratılabilirse lazer ışığı lineer bir yol izler. Eğer optik kutu içerisinde farklı yoğunluklarda ortamlar yaratabilirsek lazer ışığı ya yansır ya da kırılır. Bu araştırma yapılırken cam ve ayna kullanılarak mümkün mertebe sıvı sızdırmaz kapalı bir optik kutu tasarlanmış, tasarlanan bu optik kutu içersinde farklı ortamlar yaratılarak optik kutu içerisine lazer ışığı yollanmış ve ışığın izlediği yollar gözlemlenerek ışığın aynı ortamda lineer bir yol izlediği, yoğunluğu farklı olan ortamlara da geçerken kırıldığı ya da yansıdığı gözlemlenmiştir. Giriş İlk tanımlarına baktığımız zaman optik görünebilir ışıkla ilgili olayları inceleyen bilim dalına verilen addır. Ancak teknolojik gelişmeler sonucunda görülebilir ışığın gözdeki optik sinirlerin uyarılabilmesi ile algılanabilen ışık olduğunun bunların dışında da algılanamayan ışıklarında ( Kırmızı ve mor ötesi ışık vb) olduğu gerçeğine ulaşılmıştır. Sonuç olarak elektromanyetik dalgaların bir ortamdaki tavrını ve cisimlerle olan etkileşimini inceleyen bilim dalına optik denmesi oldukça gerçekçi ve kapsamlı bir tanım olacaktır.1 Beyaz ışık, ışık prizmasından geçirildiğinde spektrumlara ayrılarak kırmızı ışıktan mor ışığa doğru farklı renklere ayrılır. Görünebilir ışık 380 nm ile 780 nm dalga boyları arasındadır.2 Dolayısıyla ışıkla yapılan ilk deneyler ve gözlemler bu dalga boylarındaki ışıktır ki bizler bu ışığa görülebilir ışık diyoruz. Işık bir ortamda yayılırken bir dalga gibi davranır ancak bir madde ile karşılaştığında bir tanecik gibi davranmaktadır. Geometrik optiğe göre ışığın önüne konulan bir engelin boyutlarının dalga boyundan çok büyük olması durumunda ışığın doğrusal bir yol alacağı kabul edilmektedir. Bunun sonucu olarak da ışık ışınlarla gösterilebilir.3 Bir ortamda ilerleyen bir ışık ışını, ikinci bir ortamın sınırına çarpınca, gelen ışının bir kısmı, birinci ortama tekrar geri döner. Bu olaya yansıma denir. Bir yüzeye dik olarak çizilen çizgiye normal adı verilir. Eğer pürüzsüz düz bir yüzeye bir ışın yollarsak ( gelen ışın) bu ışın, ışını aynaya değdiği noktadaki normalle bir açı yapar. Bu açıya gelme açısı denir. Aynaya yolladığımız ışın bu yüzeye çarpıp tekrar aynı düzleme geri döner. Bu ışına da yansıyan ışın denir. Yansıyan ışın ile normal arasında bir açı oluşur. Bu açıya da yansıma açısı denir. Bu durumda gelme açısı ile yansıma açıları bir birlerine eşit olacaktır. Ayrıca gelen ışın, yansıyan ışın ve normal aynı düzlemde yer almaktadır. Bunu aşağıdaki şekilde açıkça görebilmeniz mümkündür. 2
Işığın düz bir yüzeye çarpıp yansımasına düzgün yansıma, pürüzlü yüzeylere çarpıp farklı doğrultularda yansımasına ise dağınık yansıma denir. Işığın bir ortamdan diğerine geçerken bir kısmı yansır, bir kısmı ise doğrultu değiştirerek yoluna devam eder. Işığın bir ortamdan diğerine geçerken doğrultu değiştirmesi olayına kırılma denir. Gelen ışın, yansıyan ışın ve kırılan ışın her üçü de aynı düzlemdedir. Işığın boşluktaki hızı 3x10 8 dir. Sudaki hızı 2,25x108 olarak ölçülür. Bir madde içerisinde ışığın boşluktakine göre ne kadar yavaş ilerlediğini gösteren katsayıya kırıcılık indisi denir. Kırıcılık indisi n ile ifade edilir. Bir ortamın kırıcılık indisi ışığın boşluktaki hızının bulunduğu ortamda ölçülen hızına oranıdır. Kırıcılık indisi her ortamda farklıdır. Örneğin, boşlukta kırıcılık indisi 1,0 dir, hava da 1,0003 dir, suda 1.333 dir, camda 1,5 ile 1,7 arasıdır (camın kalitesine göre), elmasta 2.419 dır, sıvı karbondioksitte 1.200 dir, buzda ise1.309 dır.4 Işığın kırılması Willibrord Snell tarafından bulunan denklemlerle daha iyi açıklanabilir. Örneğin elimizde iki faklı ortam bulunsun bu ortamlardan birincisinin kırıcılık indisi n1, ışığın bu ortamdaki hızı v1, bu ortamdan gelen ışığın normalle yaptığı açı Q1, olsun. İkinci ortamın ise kırıcılık indisi n2, ışığın bu ortamdaki hızı v2, bu ortamdaki ışının normalle yaptığı açı ise Q2, olsun. Bu durumda kırıcılık indisi, ışığın hızı ve açılar arasında; sinq1/ sin Q2 = v1/v2 = n2/n1 şeklinde bir bağıntı olduğunu görürüz. Bu bağıntıdan kırıcılık indisinin ışığın bulunduğu ortamda ölçülen hızı ile ters orantılı olduğu sonucunu çıkartabiliriz. 3
Işık az yoğun ortamdan çok yoğun ortama geçtiğinde normale yaklaşarak kırılırken, çok yoğun ortamdan az yoğun ortama geçtiğinde normalden uzaklaşarak kırılır.4 Işık kırılma indisi büyük bir ortamdan kırılma indisi küçük bir ortama geldiğinde (örneğin sudan havaya) bir kısmı yansımaya uğrayarak birinci ortamda kalırken, bir kısmı da kırılarak ikinci ortama geçerler. Fakat ışık öyle bir açıyla gelir ki iki ortamı ayıran sınır üzerinde yol alır. Bu gelme açısına ışığın bu iki ortama ait sınır açısı denir. Sınır açısından büyük bir açıyla gelen ışık diğer ortama geçemez. Bu olaya tam yansıma adı verilir.11 Bir ışık demetinin ilerleme yönünü değiştirmek için, prizma ve prizma içerisinde tam yansımadan yararlanılabilir. Tam yansıma su-hava için uygulanırsa; suyun kırılma indisi 1,33 ise su-hava ara yüzeyi için sınır açısı 48,80 derece olur. Eğer bir kişi suyun içinden yukarı doğru su yüzeyine 48.80 den daha küçük açı ile bakarsa suyun dışını görür, sınır açısından baktığında su yüzeyini ancak görür, sınır açısından daha büyük değerlerde ise su tabanından yansıyan ışınları görür. Bir ışın demeti çok yoğun ortamdan daha az yoğun bir ortama geçerken gelme açısına bağlı olarak yansıması ( tam yansıma) ya da kırılarak ortam dışına çıkması ( Bu istenmeyen durumdur) mantığına dayanır. Sonuç itibariyle Fiber optik kablolar tam yansıma ve kırılma kurallarına dayanır. Yöntem Amacımız lazer ışığının izlediği yolu sürekli izlenebilir kılarak ışık olaylarını gözleyebilmekti. Bu nedenle 30 cm x 20 cm x 30 cm ebatlarında cam ve aynalardan oluşan, havalandırma fanlı mümkün mertebe sıvı sızdırmaz şekildeki gibi bir optik kutu tasarlayarak, yapıldı. OPTİK KUTU Tasarımda optik kutudaki motoru çalıştırarak motorun ön tarafına koyduğumuz pudrayı havalandırarak lazer ışının izlenebileceği bir duman türübünü elde etmek hedeflendi. Ancak tasarımda yeterli miktarda hava akımı elde edilemediğinden dolayı tasarıma saç kurutma makinesi de eklemek zorunda kalındı. Optik kutuda deney ve gözlemleri yaparken süreç fotoğraflarla belgeledi ve bu belgeler değerlendirme amacıyla kullandı. Yaptığımız deney basamakları ve fotoğraflar aşağıda belirtilmiştir. 4
LAZER IŞIĞININ HAVADA İZLEDİĞİ YOL VE YANSIMA: Yapılan bu deneyde önce optik kutunun motoru çalıştırılarak havada toz bulutu oluşması sağlandı ve aşağıdaki görüntüleri elde edildi. Şekil-1: Lazer ışığının izlediği yol ve yansıma Şekil-2: Lazer ışığının izlediği yol ve yansıma 5
Şekil 3: Lazer ışığının izlediği yol ve yansıma Şekil-4: Lazer ışığının izlediği yol ve yansıma LAZER IŞIĞININ HAVADAN SUYA GEÇERKEN İZLEDİĞİ YOL VE KIRILMA: Yapılan bu etkinlikte optik kutunun içersine musluk suyu konuldu ve motor çalıştırıldı. Suyla kutu kapağı arasındaki hava pudra bulutuyla doldurmaya çalışıldı. Bu etkinliğin sonucunda aşağıdaki görüntüler elde edildi. Şekil- 5:Lazer ışığının havadan suya geçerken izlediği yol ve kırılma 6
Şekil- 6:Lazer ışığının havadan suya geçerken izlediği yol ve kırılma Şekil- 7:Lazer ışığının havadan suya geçerken izlediği yol ve kırılma 7
Şekil- 8:Lazer ışığının havadan suya geçerken izlediği yol ve kırılma LAZER IŞIĞININ ŞEKERLİ SUDA İZLEDİĞİ YOL VE KIRILMA: Hazırlanan optik kutu sıvı sızdırdığından dolayı bu deney bir kadehle yapıldı. Bir gün önceden kadehe şeker konuldu ve şekerin üzerine kadehin köşesinden su konularak kadeh bir gece bekletildi. Daha sonra elde edilen bu düzeneğe lazer ışını yollandı ve aşağıdaki gibi görüntüler elde edildi. Şekil- 9:Bekletilmiş şekerli suda lazer ışığının izlediği yol ŞEKERLİ SUDA LAZER IŞIĞININ İZLEDİĞİ YOL 2 8
Şekil- 10:Bekletilmiş şekerli suda lazer ışığının izlediği yol Şekil- 11:Homojen şekerli suda lazer ışığının izlediği yol Yukarıdaki deney fotoğrafında şekerli su konulan bardağın aynısına, içerisine şeker konularak karıştırıldı ve deney tekrarladı. Deney sonunda ışığın izlediği yolda her hangi bir bükülme görülmedi ki bu bardaktaki kavisin ışığın sıvı içinde izlediği yolu etkilemediğini gösterdi. LAZER IŞIĞI VE TAM YANSIMA: Bu deneyler pet şişe, misine ve su kullanarak yapıldı. Altından delinen pet şişenin deliğinden misine geçirildi ve bu misine üzerinden su akıtıldı ve bu esnada şişenin üzerinden lazer ışığı tutulduğunda aşağıdaki gibi görüntüler elde edildi. 9
Şekil- 12: Tam Yansıma 10
Şekil- 13: Tam Yansıma BULGULAR VE TARTIŞMA Hazırlanan düzeneklerde yapılan deneyler sonucunda elde edilen gözlemler aşağıdaki gibidir; Işığın doğrusal bir yol izlediği ve düzgün bir yüzeyle karşılaşınca yansıdığı gözlemlendi. Lazer ışığının havadan suya geçerken izlediği yolu değiştirdiği gözlemlendi. Şekerli suda lazer ışığının izlediği yolun parabolik olduğu görüldü. Bunun nedeni bardağın tabanındaki şekerin çözülerek taneciklerin yukarı çıkmasıdır. Bu olay sonucunda tabandan yukarı gidildikçe yoğunluk miktarı azalmaktadır. Bu da bardağın tabanından yukarıya doğru gidildikçe kırılma indisinin azalmasına neden olmaktadır. Lazer ışığı sürekli olarak değişerek yoluna devam eder. Böylelikle parabolik bir yol elde edilmiş olur. Tam yansıma deneylerinde lazer ışığının suyu takip ettiği gözlemlendi. Yapılan literatür taramalarında ışığın incelediğimiz bu özelliklerinden yararlanılarak fiber optik kabloların yapıldığı öğrenildi. Sonuç Elde ettiğimiz tüm bu gözlemler sonucunda ışık yoğunluğu sabit bir ortamda doğrusal bir yol izler.işık bir ortamdan diğerine geçerken ışığın bir kısmı doğrultu değiştirerek kırılırken bir kısmına yüzeye çarpıp geri döner. Teşekkür Çalıştay koordinatörü Prof. Dr. Mehmet Ay a ve bize bu çalışmaları yapmak için rehberlik eden danışmanlarımız Prof. Dr. Naci İNCİ, Prof. Dr. Bilal GÜNEŞ ve tüm TÜSSİDE çalışanlarına teşekkür ederiz. Kaynakça 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. http://www.forumfizik.com/forum-posts.asp?tid=18, Erişim Tarihi: 21.06.2009 http://www.frmtr.com Erişim Tarihi: 21.06.2009 http://www.optikmakine.net Erişim Tarihi: 21.06.2009 http://www.wikipedia.org/wiki/elektromanyetikdalga Erişim Tarihi: 21.06.2009 http://www.turkmekatronik.com Erişim Tarihi: 21.06.2009 http://www.meslekidersler.com Erişim Tarihi: 21.06.2009 http://www.sabanciüniv.edu-tgd-tr-eğitimprojeleri Erişim Tarihi: 21.06.2009 http://www.zamandayolculuk.com Erişim Tarihi: 21.06.2009 9. ISIĞIN KIRILMASI Hazırlayanlar: Enes Molu, Aslı Aladağ, Can Tunca, Defne Ucer Saylan Sabancı Üniversitesi, Güz 2006 10. Işık, ışığın Kırılması, Işığın yansıması, dalga hareketleri 9 Eylül Üniv. Yüksek Lisans Tezi Serap KAYA 2002 11. http://tr.wikipedia.org/wiki/s%c4%b1n%c4%b1r_a%c3%a7%c4%b1s%c4%b1 11