11. Sınıf Fizik · Ünite 4
Işığın Kırılması ve Snell Yasası: Sınırları Aşmak
Işığın farklı saydam ortamlardan geçerken doğrultu değiştirmesini, kırılma indisini, Snell Yasasını ve serap olayı gibi günlük hayattaki etkilerini inceliyoruz.
Kazanım FİZ.11.4.5 · 40 dk okuma
Bardağın İçindeki Kırık Kaşık ve Çöldeki Seraplar
Sıcak bir yaz günü asfalt yolda ilerlerken, ileride bir su birikintisi varmış gibi gördünüz mü? Ya da su dolu bir bardağın içindeki çay kaşığının suyun yüzeyinden itibaren kırılmış gibi durduğunu fark ettiniz mi? Günlük hayatta sıkça karşılaştığımız bu büyüleyici optik illüzyonların arkasında tek bir fiziksel olay yatar: Işığın Kırılması.
Kırılma İndisi Nedir?
Işık, boşlukta saniyede yaklaşık 300.000 km hızla yayılır. Ancak su, cam veya hava gibi saydam bir maddeye girdiğinde moleküllerle etkileşime girdiği için ortalama hızı yavaşlar. Işığın boşluktaki hızının (c), saydam bir ortamdaki hızına (v) oranına o ortamın 'Mutlak Kırılma İndisi' (n) denir. Kırılma indisi, ortamın optik yoğunluğunun bir ölçüsüdür ve birimsizdir.
Bir ortamın kırıcılık indisi ne kadar büyükse (yani optik olarak ne kadar yoğunsa), ışık o ortamda o kadar yavaş ilerler.
Snell Yasası: Kırılmanın Matematiği
Işık ışını bir ortamdan başka bir ortama geçerken, eğer yüzeye dik gelmiyorsa doğrultusunu değiştirir. Işın, az yoğun (kırıcılık indisi küçük) bir ortamdan çok yoğun (kırıcılık indisi büyük) bir ortama geçerken yüzeyin normaline (yüzeye dik çizilen hayali çizgiye) yaklaşarak kırılır. Hollandalı matematikçi Willebrord Snellius tarafından ifade edilen Snell Yasası, gelme açısı ile kırılma açısı arasındaki matematiksel ilişkiyi şu şekilde tanımlar:
Sınır Açısı ve Tam Yansıma
Işık, çok yoğun bir ortamdan az yoğun bir ortama geçerken her zaman karşı tarafa geçemez. Çok yoğundan az yoğuna geçerken ışık normalden uzaklaşarak kırılır. Gelme açısı büyüdükçe kırılma açısı da büyür ve öyle bir an gelir ki, kırılan ışın iki ortamı ayıran yüzeye paralel (kırılma açısı 90 derece) ilerler. Bu duruma sebep olan gelme açısına 'Sınır Açısı' denir. Eğer ışık sınır açısından daha büyük bir açıyla gelirse, karşı ortama hiç geçemez ve geldiği ortama tamamen geri döner. Buna 'Tam Yansıma' adı verilir.
Serap Olayı Neden Olur?
Yaz günlerinde asfaltın üzeri çok ısınır ve hemen üzerindeki hava tabakasının sıcaklığı artar. Isınan havanın yoğunluğu düşer, yani kırılma indisi azalır. Gökyüzünden asfalta doğru gelen ışınlar, soğuk havadan (çok yoğun) sıcak havaya (az yoğun) geçerken tam yansımaya uğrayıp gözümüze ulaşır. Biz de gökyüzünün (ya da bulutların) yansımasını yerde su birikintisi varmış gibi algılarız.
Laboratuvar Keşfi: Değişkenleri Belirlemek
Laboratuvarda bir ışık kutusu ve cam prizma kullanarak Snell yasasını kendiniz test edebilirsiniz. Gelme açısını (θ1) bilerek değiştirdiğinizde (Bağımsız Değişken), buna karşılık olarak kırılma açısının (θ2) nasıl değiştiğini (Bağımlı Değişken) ölçebilirsiniz. Kullanılan ortamların türü (hava ve cam) ile ışığın rengi ise deney boyunca sabit tutulan, yani kontrol edilen değişkenlerdir.
Işığın Kırılması ve Snell Yasası: Sınırları Aşmak: Alıştırma Soruları
1. Su dolu bir bardağa batırılan kalem veya kaşığın, suyun sınır yüzeyinde kırılmış gibi görünmesinin temel nedeni aşağıdakilerden hangisidir?
- A) Suyun ışığı tamamen soğurması
- B) Işığın su içinde havaya göre daha hızlı yayılması
- C) Işığın farklı kırılma indisine sahip ortamlara geçerken doğrultusunu değiştirmesi
- D) Işığın suyun yüzeyinden tam yansıma yaparak gözümüze ulaşması
Cevabı göster
Doğru cevap: C) Işığın farklı kırılma indisine sahip ortamlara geçerken doğrultusunu değiştirmesi
Kalem veya kaşığın kırık görünmesi, ışığın su ortamından hava ortamına çıkarken hızının değişip doğrultu değiştirmesi (kırılma olayı) sonucunda oluşan bir optik illüzyondur.
2. Bir saydam ortamın 'mutlak kırılma indisi' (n) ile ilgili aşağıdakilerden hangisi doğrudur?
- A) Işığın o ortamdaki hızının, ışığın boşluktaki hızına oranıdır.
- B) Işığın boşluktaki hızının, o ortamdaki hızına oranıdır.
- C) Ortamın sıcaklığının, ışığın hızına oranıdır.
- D) Işığın ortam içindeki dalga boyunun frekansına oranıdır.
Cevabı göster
Doğru cevap: B) Işığın boşluktaki hızının, o ortamdaki hızına oranıdır.
Mutlak kırılma indisi, ışığın boşluktaki hızı olan c'nin, ortamdaki hızı olan v'ye oranıdır (n=c/v). Bu nedenle her zaman 1'den büyüktür veya 1'e eşittir.
3. Işık ışını, kırılma indisi n1 = 3 olan bir ortamdan, kırılma indisi n2 olan başka bir ortama geçmektedir. Gelme açısı 53 derece ve kırılma açısı 37 derece olarak ölçüldüğüne göre, n2 kırılma indisi kaçtır? (sin(53°) = 0.8, sin(37°) = 0.6)
- A) 2
- B) 3
- C) 4
- D) 5
Cevabı göster
Doğru cevap: C) 4
Snell yasasına göre: n1 * sin(θ1) = n2 * sin(θ2) formülünden 3 * 0.8 = n2 * 0.6 olur. Buradan 2.4 = 0.6 * n2 denklemi elde edilir ve n2 = 4 bulunur.
4. Tam yansıma olayı ile ilgili aşağıda verilen durumlardan hangisi gerçekleşmek zorundadır?
- A) Işık, az yoğun ortamdan çok yoğun ortama geçiyor olmalıdır.
- B) Işığın gelme açısı, ortamların sınır açısından büyük olmalı ve çok yoğundan az yoğuna gelmelidir.
- C) Işık, ortamların sınır açısıyla ve eşit kırılma indisine sahip bir yüzeye gelmelidir.
- D) Işığın şiddeti, ortamın optik yoğunluğunu aşacak kadar yüksek olmalıdır.
Cevabı göster
Doğru cevap: B) Işığın gelme açısı, ortamların sınır açısından büyük olmalı ve çok yoğundan az yoğuna gelmelidir.
Tam yansıma olayının gerçekleşebilmesi için ışığın çok yoğun ortamdan az yoğun ortama doğru gelmesi ve gelme açısının, bu iki ortam arasındaki sınır açısından büyük olması gerekir.
5. Yaz günlerinde sıcak asfalt yollarda su birikintisi varmış gibi görünen 'Serap' olayının fiziksel açıklaması aşağıdakilerden hangisidir?
- A) Asfaltın renginin siyah olması nedeniyle tüm ışınların soğurulması
- B) Gökyüzünden gelen ışınların, kırıcılık indisi düşük olan yere yakın sıcak hava tabakasında tam yansımaya uğraması
- C) Asfalttan yükselen su buharının Güneş ışığını prizma gibi yedi renge ayırması
- D) Soğuk hava dalgasının, ışık ışınlarını kırarak normal doğrultusuna yaklaştırması
Cevabı göster
Doğru cevap: B) Gökyüzünden gelen ışınların, kırıcılık indisi düşük olan yere yakın sıcak hava tabakasında tam yansımaya uğraması
Isınan hava genleşir ve kırılma indisi düşer (az yoğun ortam olur). Yukarıdaki nispeten daha soğuk (çok yoğun) havadan gelen gökyüzü ışınları, sıcak havaya geçerken sınır açısını aşıp tam yansımaya uğrar ve gözümüze zeminden geliyormuş gibi ulaşır.