يصف قانون سنيل كيفية انحناء الضوء عند المرور بين الوسائط ذات الكثافات المختلفة، مثل الهواء إلى الماء أو الزجاج. هذا الانحناء (الانكسار) هو السبب وراء ظهور القش في الماء منحنيًا ولماذا تركز العدسات الضوء. يعد فهم الانكسار أمرًا ضروريًا للبصريات وتصميم العدسات وفهم الظواهر مثل السراب وقوس قزح.
الصيغة
n₁ × sin(θ₁) = n₂ × sin(θ₂)
أين:
- n₁ = معامل انكسار الوسط الأول
- θ₁ = زاوية السقوط (من العمودي)
- n₂ = معامل انكسار الوسط الثاني
- θ₂ = زاوية الانكسار (من العمودي)
يتم قياس الزوايا دائمًا من العمودي (المتعامد) مع السطح، وليس من السطح نفسه.
مؤشرات الانكسار الشائعة
| واسطة | معامل الانكسار |
|---|---|
| مكنسة | 1.0 |
| هواء | 1.0003 ≈ 1.0 |
| ماء | 1.33 |
| زجاج | 1.5 - 1.9 |
| الماس | 2.42 |
ويعني ارتفاع معامل الانكسار أن الضوء ينتقل بشكل أبطأ في ذلك الوسط.
مثال عملي
ينتقل الضوء من الهواء (ن = 1.0) إلى الماء (ن = 1.33) بزاوية سقوط قدرها 45 درجة.
1.0 × sin(45°) = 1.33 × sin(θ₂)
sin(θ₂) = sin(45°) / 1.33 = 0.707 / 1.33 = 0.531
θ₂ = arcsin(0.531) = 32.1°
ينحني الضوء نحو الوضع الطبيعي عند دخول وسط أكثر كثافة. الشعاع المنكسر أقرب إلى العمودي (32.1°) من الشعاع الساقط (45°).
الزاوية الحرجة والانعكاس الداخلي الكلي
عندما ينتقل الضوء من وسط أكثر كثافة إلى وسط أقل كثافة (على سبيل المثال، الزجاج إلى الهواء)، هناك زاوية حرجة لا ينكسر الضوء بعدها بل ينعكس مرة أخرى بالكامل. هذا هو الانعكاس الداخلي الكلي:
sin(θc) = n₂ / n₁
للزجاج (ن = 1.5) إلى الهواء (ن = 1.0):
θc = arcsin(1.0 / 1.5) = 41.8°
زوايا الحادث أكبر من 41.8 درجة تسبب انعكاسًا داخليًا كليًا. يمكّن هذا المبدأ الألياف الضوئية من احتجاز الضوء.
التطبيقات
العدسات: يعمل شكل العدسة ومعامل الانكسار معًا لتركيز الضوء أو تشتيته. الانكسار الأقوى (أعلى n) يعني أن العدسات الرقيقة يمكن أن تحقق نفس الطول البؤري.
المنشورات: يؤدي الانكسار عند أطوال موجية مختلفة (التشتت) إلى فصل الضوء الأبيض إلى طيف.
الألياف الضوئية: إجمالي الانعكاس الداخلي يحتوي على إشارات ضوئية داخل كابلات الألياف الضوئية.
نصائح
قم دائمًا بقياس الزوايا من المستوى الطبيعي، وليس من السطح. عندما يدخل الضوء إلى وسط أكثر كثافة، فإنه ينحني نحو الوضع الطبيعي. عند الخروج من وسط أكثر كثافة، فإنه ينحني بعيدا عن الوضع الطبيعي. وعدم التماثل هذا هو السبب وراء ظهور حمامات السباحة أقل عمقًا مما هي عليه بالفعل.
استخدم حاسبة قانون سنيل للانكسار للعثور على زوايا الانكسار على الفور.