از سکه و لیوان تا فیبر نوری

هم‌نشینی با علم > یک تجربه > از سکه و لیوان تا فیبر نوری

تاریخ انتشار: ۲۲ تیر ۱۴۰۰

problem

با یک سکه و یک لیوان آب آزمایش جالبی انجام بدهید و پدیده‌ای را مشاهده کنید که در ساخت فیبرهای نوری و انتقال اطلاعات در شبکه‌ی اینترنت از آن استفاده می‌شود.

دست به کار شوید!

۱

این وسایل را آماده کنید:

  • لیوان
  • مقداری آب
  • یک سکه یا قرصی رنگی از مقوا

۲

قرص رنگی را زیر لیوان قرار دهید و از کنار به آن نگاه کنید. خب بدیهی است که قرص را زیر لیوان می‌بینید.

۳

حالا آب را کم‌کم داخل لیوان بریزید. چه می‌بینید؟ چه نمی‌بینید؟ چه اتفاقی افتاد؟ قرص کجا رفته است؟

۴

حالا سرتان را کمی جابه‌جا کنید و از جلوتر و بالاتر به لیوان نگاه کنید، طوری که سطح آب را هم ببینید. چند جا قرص را می‌بینید؟

آزمایش را با لیوانی کوتاه و با قطر بیشتر یا با یک پیاله امتحان کنید. به جای قرص چیزهای کوچک دیگری زیر لیوان بگذارید و باز آزمایش را تکرار کنید. چقدر نتیجه متفاوت است؟

چطور اتفاق افتاد؟

سؤال این است که چرا وقتی لیوان پر از آب می‌شود نمی‌توانیم قرص را ببینیم. آب چه می‌کند که مانع دیدن قرص می‌شود؟ چرا وقتی کمی جابه‌جا می‌شویم می‌توانیم آن را ببینیم، آن‌هم در جایی که انتظارش را نداریم؟

برای درک پدیده‌ای که در آزمایش دیدیم و پاسخ‌ دادن به پرسش‌های بالا، توصیف علمیِ دیدن کمک می‌کند. وقتی در محیطی روشن هستیم نور به همه‌ی اشیاء در آن محیط می‌خورد و بازتاب آن از هر شیء‌ای به اطراف پخش می‌شود. اگر این نور به چشم ما برسد، تصویر آن جسم روی پرده‌ی شبکیه‌ی چشم ما می‌افتد و ما آن شیء را می‌بینیم. وقتی آب در لیوان نیست هم این اتفاق می‌افتد. نور به اطراف پخش می‌شود. البته هنگام عبور از دیواره‌ی شیشه‌ای لیوان مسیر نور کمی می‌شکند و بعد به چشم ما می‌رسد و ما قرص را می‌بینیم. این مسیر دو بار هنگام عبور از شیشه می‌شکند یک بار هنگام ورود به لیوان و یک بار هنگام خروج، و تصویر را در امتداد مسیر نور می‌بینیم.

پیکان‌های سبزرنگ مسیر نور را نشان می‌دهند که دو بار با عبور از جداره‌ی لیوان می‌شکند و به چشم ما می‌رسد.

 

وقتی لیوان از آب پر می‌شود پدیده‌ی دیگری را می‌بینیم. وجود آب در داخل لیوان باعث می‌شود نوری که از قرص به سمت ما می‌آید هنگام برخورد به دیواره‌ی لیوان، به جای آن‌که وارد هوا شود به درون لیوان بازتابیده بشود و تقریباً از جدار آن عبور نکند. به این پدیده بازتاب کلی نور می‌گویند. به این ترتیب نوری از قرص به چشم ما نمی‌رسد و اگر از کناره‌های لیوان نگاه کنیم قرص را نمی‌بینیم (تصویر زیر).

پیکان‌های سبز و بنفش مسیرهای مختلف نور را نشان می‌دهند که داخل آب از جداره‌ی لیوان بازتابیده می‌شوند. وقتی از کنار به لیوان نگاه می‌کنیم هیچ‌یک از آنها به چشم ما نمی‌رسند.

 

وقتی سرمان را جابه‌جا می‌کنیم و از بالاتر نگاه می‌کنیم، در این حالت پرتوی بازتابیده از جداره‌ی لیوان به چشم ما می‌رسد و ما تصویر قرص را در امتداد مسیر نور می‌بینیم (مانند مسیر بنفش در تصویر زیر). این تصویر همان تصویر شماره‌ی یک در آخرین مرحله‌ی آزمایش است.

از بالا که نگاه می‌کنیم نورهای بازتابیده از جداره‌ی لیوان به ما می‌رسند و ما تصویری از قرص را در جداره‌ی لیوان می‌بینیم.

 

البته همان‌طوری‌ که دیدیم علاوه بر این تصویر، دو تصویر دیگر هم از قرص دیده می‌شوند (تصویرهای شماره‌ی دو و سه در آخرین مرحله‌ی آزمایش). این تصویرها چطور تشکیل شده‌اند؟  توجه کنید که نور مسیرهای مختلفی را طی می‌کند و در حالتی که از کنار به لیوان پر آب نگاه می‌کنیم هیچ یک از آن‌ها به چشم ما نمی‌رسند ولی وقتی از بالا و جلوتر نگاه می‌کنیم پرتوهای دیگر نور نیز به چشم ما می‌رسند و تصویرهای مختلفی از قرص را می‌بینیم.

جالب است بدانید…

پدیده‌ی بازتاب کلی را شاید جاهای دیگری هم دیده باشید. مثلاً شاید از کنار آکواریومی به درون آن نگاه کرده باشید. آیا دیده‌اید که سطح آب مانند آینه‌ای عمل می‌کند و تصویر داخل آکواریوم را می‌شود در آن دید؟

Aleš Tošovský (adapted by Gavin R Putland)., CC0, via Wikimedia Commons 

 

در ساخت فیبرهای نوری نیز از پدیده‌ی بارتاب کلی استفاده می‌شود. این فیبرها برای انتقال اطلاعات، تصویر و صوت در ارتباطات از راه دور به کار می‌روند. سال‌هاست که در بسیاری از شبکه‌های ارتباطی، فیبرهای نوری جایگزین سیم‌های مسی شده‌اند. این فیبرها از جنس شیشه یا پلاستیک‌اند و ضخامت آن‌ها در حدود ضخامت مو است. اطلاعات با انتشار نور درون فیبرهای نوری جابه‌جا می‌شوند. پدیده‌ی بازتاب کلی عامل انتشار نور درون این فیبرها است. جنس جداره‌ی فیبرها طوری است که وقتی نور به‌ آن می‌تابد بازتاب کلی رخ می‌دهد و باز به جداره‌ی دیگری می‌خورد و باز هم بازتاب کلی رخ می‌دهد و به این ترتیب پرتوی نور در طول فیبر منتشر می‌شود.

مسیر پرتوی نور لیزر در یک میله‌ از جنس پرسپکس که بازتاب کلی در فیبر نوری را نشان می‌دهد.
Timwether, CC BY-SA 3.0, via Wikimedia Commons 

مطالب مرتبط