שבירת אור

שבירת אור מתרחשת כאשר קרינה אלקטרומגנטית (למשל אור נראה) עובר מתווך אחד לתווך אחר ומשנה את כיוון תנועתו. למשל כאשר אור עובר מאוויר לזכוכית או כאשר אור חודר מהחלל לאטמוספרה של כדור הארץ.

שבירה ועיקרון הפעולה המינמלית
תופעת השבירה מתרחשת בהתאם לעיקרון פיזיקלי יסודי הנקרא עיקרון הפעולה המינימלית או עיקרון פרמה (Fermat’s principle). בין היתר קובע העיקרון, שקרינה אלקטרומגנטית תעבור מנקודה אחת לנקודה שניה במסלול שבו זמן המעבר בין שתי הנקודות הינו הקצר ביותר. היות שבתווכים שונים מהירות האור שונה ונמוכה ממהירות האור בריק (299,792.458 ק”מ לשנייה) אזי האור משנה את כיוון תנועתו על מנת שישלים את הדרך בזמן הקצר ביותר.

וילברורד סנל

חוֹק סְנֶל הוא חוק פיזיקלי העוסק בשבירה של קרניים במעבר בין שני תווכים בעלי מקדם שבירה שונה, כלומר תווכים בהם מהירות האור שונה. החוק קרוי על שם המתמטיקאי ההולנדי וילברורד סנל, שגילה אותו בשנת 1626. אולם סנל לא היה הראשון שגילה את החוק: ההיסטוריון רושדי רשד טען, שניסוח של החוק אפשר למצוא בכתביו של איבן סאל משנת 984 לספירה. בנוסף לכך ידוע שתומאס הריוט, בן זמנו של סנל מאוקספורד, גילה את החוק ב-1602 אולם, כמו סנל, מעולם לא פרסם את ממצאיו. דקארט, בזמן שהותו בליידן, ניסח את החוק לראשונה על ידי שימוש בפונקציית הסינוס (ראו להלן), והוא מופיע בספרו “מאמר על המתודה” משנת 1637. מאוחר יותר האשים הויגנס (שקרא את מחברותיו של סנל) את דקארט בפלגיאט. בצרפת נקרא חוק סנל עד עצם היום הזה “חוק דקארט” או “חוק סנל-דקארט.”

החוק קובע כי: {displaystyle ;n_{2}sin {theta _{2}}=n_{1}sin {theta _{1}};}{displaystyle ;n_{2}sin {theta _{2}}=n_{1}sin {theta _{1}};}
{displaystyle ;n_{1};}{displaystyle ;n_{1};} – מקדם השבירה של התווך הראשון.
{displaystyle ;n_{2};}{displaystyle ;n_{2};} – מקדם השבירה של התווך השני.
{displaystyle ;theta _{1};}{displaystyle ;theta _{1};} – זווית הפגיעה.
{displaystyle ;theta _{2};}{displaystyle ;theta _{2};} – זווית השבירה.

יש לשים לב שהזויות נמדדות מהאנך לקו מפגש התווכים. לדוגמה, שימוש בחוק סנל מראה שאם קרן אור חודרת בזווית של 50 מעלות מהאנך למשטח, מהאוויר (שמקובל להניח בחישובים שמקדם השבירה שלו הוא 1) לתוך זכוכית (עם מקדם שבירה של 1.5) הרי שבתוך הזכוכית היא תתקדם בזווית של כ-30 מעלות לאנך. תופעה דומה ניתן לראות כשמביטים בכפית שנמצאת בכוס מים, ולמרות שידוע שצורתה ישרה, נראה שחלקה השקוע במים עקום ביחס לזה שבולט לאוויר.

כאשר קרן עוברת בין חומר עם מקדם שבירה גבוה לחומר עם מקדם שבירה נמוך, עשוי להיווצר מצב שבו סינוס זווית היציאה גדול מ-1. במקרה כזה לא תתרחש שבירה, אלא קרן האור תוחזר במלואה. תופעה כזאת נקראת החזרה גמורה. הזווית שהחל ממנה הקרן תוחזר בהחזרה גמורה מכונה “זווית קריטית”.

חוק סנל שימושי מאוד, והוא עוזר לגלות זוויות רלוונטיות לחישובים ולפיתוחי מכשירים אופטיים המבוססים על עדשות.

היכנסי לילקוט הדיגיטלי ובצעי את המשימות בנושא שבירת אור:

https://lo.cet.ac.il/player/?document=b67b9241-973b-4d0e-9966-9f2f299024bc&language=he&sitekey=ebag