Işığın Kırılması

Konu Anlatımı

Bu derste ne öğreneceğiz?

Bu derste Işığın Kırılması konusunu gözlemden çıkarıma doğru kuracağız. Önce ne olduğunu göreceğiz, sonra neden böyle olduğunu açıklayacağız.

Dersten sonra şunları yapabiliyor olmanız gerekiyor:

• Kazanım 1: Işığın doğrusal yayılma özelliğini günlük hayattan örneklerle açıklar.
• Kazanım 2: Işığın yansımasını ve geliş açısı ile yansıma açısının eşitliğini belirtir.
• Kazanım 3: Saydam, yarı saydam ve opak ortamları örneklerle sınıflandırır.
• Kazanım 4: Işığın kırılmasını ve kırılma açısının nasıl tanımlandığını açıklar.
• Kazanım 5: Işığın yoğunluk farkına bağlı olarak kırılma açısının nasıl değiştiğini yorumlar.
• Kazanım 6: Tam yansıma olayını ve fiber optik kabloların çalışma ilkesini açıklar.

Ön bilgi: bundan önce gördüğümüz

Bu derste Elektrik Devreleri ve İnsan-Çevre konusunu hatırlayarak ilerliyoruz. İki konu arasındaki bağı kurmak, ayrı ayrı ezberlemekten daha kalıcı bir öğrenme sağlar.

• Elektrik Devreleri ve İnsan-Çevre — bu derste kullandığımız temel kavram buradan geliyor.
• Işığın Soğurulması ve Renkler — bu derste kullandığımız temel kavram buradan geliyor.

Işığın Doğrusal Yayılması

Işık, doğru çizgi üzerinde yayılır. Işık kaynağından çıkan ışık doğrultu değiştirmeden ilerler. Bu özelliğe ışığın doğrusal yayılması denir. Gölge olayı bu özelliğin sonucudur; saydam olmayan bir cismin arkasında ışık ulaşmadığı için karanlık bir bölge oluşur.

Işık boşlukta da aynı hızda yayılır. Bir ışık kaynağından çıkan ışık doğrusal yayılma sayesinde cisimlerin gölgelerini oluşturur ve cisimlerin yerlerini belirlemeyi sağlar.

Işığın Yansıması

Işık bir yüzeye çarptığında yön değiştirerek geri döner; bu olaya yansıma denir. Işığın düz bir yüzeye dik olarak gelmesine normal geliş, eğik olarak gelmesine eğik geliş denir. Yüzeyin dikmesi, yüzeyle 90 derece açı yapan doğru çizgidir.

Yansıma olayında geliş açısı ile yansıma açısı birbirine eşittir. Geliş açısı, gelen ışın ile yüzeyin dikmesi arasındaki açıdır. Düz bir aynaya dik gelen ışın kendi üzerinden geri döner ve yansıma açısı sıfır derecedir. Yansıma, düz ve parlak yüzeylerde net, pürüzlü yüzeylerde ise dağınık biçimde görülür.

Saydam, Yarı Saydam ve Opak Ortamlar

Işığın geçebildiği ortamlara saydam ortam denir. Cam, su, hava ve şeffaf plastik bu gruptadır. Saydam ortamda nesnelerin görüntüsü net olarak görülür. Işığın bir bölümünü geçirdiği ancak özelliğin tam olarak görülmediği ortamlara yarı saydam ortam denir; buharlı cam, kâğıt ve ince tül örnek olabilir. Işığın geçemediği ortamlara ise opak ortam denir; ahşap, beton, demir ve kömür bu gruptadır.

Işığın Kırılması

Işık bir ortamdan başka bir ortama geçerken kırılır. Yani ışık sınır yüzeyinden geçerken yön değiştirir; bu olaya kırılma denir. Işığın kırılma açısı, kırılan ışın ile yüzeyin normali arasındaki açıdır. Geliş açısı ise gelen ışın ile normal arasındaki açıdır.

Işığın kırılmasının temel nedeni, ışığın gittiği ortamın yoğunluğunun değişmesidir. Işık seyrek ortamdan yoğun ortama geçerken normalden uzaklaşır, yani kırılma açısı küçülür. Işık yoğun ortamdan seyrek ortama geçerken normale yaklaşır, yani kırılma açısı büyür. Su camdan daha yoğundur; bu yüzden bir havuzdan görülen görüntü, suyun altındaki nesneden daha sığ görünür.

Su bir bardağa konduğunda tabanı kırık görünür. Bu durumun nedeni ışığın sudan havaya geçerken kırılmasıdır. Prizma ve mercekler de ışığı kırarak görüntünün yerini değiştirir. Günlük hayatta kırılmaya örnek olarak şunlar verilebilir:

• Su dolu bir bardağın tabanının kırık görünmesi
• Havuzdaki bir nesnenin sudan dışarıya bakınca daha sığ görünmesi
• Prizmanın beyaz ışığı renklere ayırması
• Gözlük ve teleskop merceklerinden geçen ışığın yön değiştirmesi

Tam Yansıma ve Fiber Optik

Bir ortamdan diğerine geçerken kırılan ışığın tamamı ikinci ortama geçemeyip ilk ortama geri dönebiliyorsa buna tam yansıma denir. Tam yansıma, ışığın seyrek ortamdan yoğun ortama geçerken ve belirli bir açıyı aştığında gerçekleşir. Optik fiber kabloların çalışma ilkesi tam yansımadır. Camdan yapılan bu kablolar, ışığı kırılmadan içlerinde iletir; bu sayede bilgi çok uzaktan taşınabilir.

Özet Işık doğrusal yayılır, yani doğru çizgi üzerinde ilerler ve gölge olayını bu özelliği açıklar. Işık bir yüzeye çarptığında geri dönerse yansıma gerçekleşir ve geliş açısı yansıma açısına eşittir. Düz ve parlak yüzeyler yansımayı net gösterir. Işığın tamamını geçiren ortamlar saydam, bir bölümünü geçirenler yarı saydam, hiç geçirmeyenler opaktır. Işık bir ortamdan başka bir ortama geçerken yön değiştirirse kırılır ve kırılma açısı ışın ile yüzeyin normali arasındaki açıdır. Kırılmada ışığın gittiği ortamın yoğunluğu belirleyicidir; ışık seyrek ortamdan yoğun ortama geçince açı küçülür, yoğun ortamdan seyrek ortama geçince açı büyür. Işığın ikinci ortama geçemeden tamamen geri dönmesi tam yansımadır ve fiber optik kabloların çalışma ilkesidir.

Sık Yapılan Hatalar Birinci hata geliş açısını yüzeyle ışın arasındaki açı sanmaktır; açı ölçümü yüzeyin normaline göre yapılır. İkinci hata saydam ortamın ışığı hiç geçirmediğini düşmektir; saydam ortam ışığı geçirir ve görüntü net olur. Üçüncü hata ışığın yalnızca yoğun ortamdan seyrek ortama geçerken kırıldığını düşmektir; iki yönde de kırılma gerçekleşir. Dördüncü hata tam yansımanın her yüzeyde gerçekleştiğini düşmektir; tam yansıma belirli açı ve ortam koşuluna bağlıdır. Son hata fiber optik kabloların ışığı kırarak ilettiğini düşmektir; bu kablolar ışığı kırılmadan tam yansıma ile iletir.

Günlük hayattan bir uygulama

Konuyu pekiştirmek için günlük hayattan bir uygulamaya bakmak gerekir. Aşağıdaki görev, Işığın Kırılması bilgisini gerçek bir işin içinde kullandırmak için hazırlandı; çözerken hangi adımı nerede kullandığımızı not etmek faydalıdır.

Uygulama sorusu: Işığın yansımasında geliş açısı ile yansıma açısı arasındaki ilişkiyi açıklayarak, ışığın normal geliş ve eğik geliş durumlarını karşılaştırınız?

Bu görev için 15 puan dağıtılmıştır; puanlama anahtarı, cevabın hangi adımlarla gösterilmesi gerektiğini ayrıntılı biçimde söyler. Puanlamada işlem sırasının ve sonuç cümlenin ayrı ayrı sayıldığına dikkat et.

Hızlı hatırlatma

• Açı sorularında hem açının nereye göre ölçüldüğünü hem de iki açının eşit olup olmadığını kontrol et.
• Ortam sınıflandırmasında ışığın ne kadar geçtiğini sor; tamamı geçiyorsa saydam, hiç geçmiyorsa opaktır.
• Kırılma açısı değişim sorularında önce yoğunluk sıralamasını yap, sonra açının büyüyüp küçüldüğünü söyle.
• Prizma, mercek, su yüzeyi ve gökkuşağı gibi örnekleri kırılma başlığı altında değerlendir.
• Gölge, yansıma ve kırılma olaylarını birbirinden ayırmak soruların çoğunu çözer.

Adım adım çözülmüş örnekler

İki örnek üzerinde çalışacağız. İlk örnek kuralın temel kullanımını, ikinci örnek ise kuralın zorlayıcı bir durumunu gösterir. Adımları kendin yazmayı dene; ikinci adımda nerede durduğunu görmek, sınavda zaman kazanır.

Örnek 1: Yansıma Açısı Hesabı

Soru: Düz bir aynaya 30 derecelik açıyla gelen ışığın yansıma açısı kaç derecedir?

1. Adım 1: Yansıma açısı geliş açısına eşit olduğu bilinir.
2. Adım 2: Geliş açısı 30 derece olarak verilmiştir.
3. Adım 3: Her iki açı da yüzeyin normaline göre ölçülür.
4. Adım 4: Bu nedenle yansıma açısı da 30 derecedir.

Cevap: 30 derece

Bu örnekte adım sayısını not edin: kural her zaman aynı sayıda işlemle değil, kazanılması gereken bilgiye göre çözülür.

Örnek 2: Ortam Sınıflandırması

Soru: Cam, buharlı cam, ahşap ve su maddelerini saydam, yarı saydam ya da opak olarak sınıflandırınız.

1. Adım 1: Her maddenin ışığı ne kadar geçirdiği düşünülür.
2. Adım 2: Cam ve su ışığın tamamını geçirdiği için saydam ortamdır.
3. Adım 3: Buharlı cam ışığın bir bölümünü geçirdiği için yarı saydam ortamdır.
4. Adım 4: Ahşap ise ışığı geçirmediği için opak ortam sınıfındadır.

Cevap: Cam ve su saydam, buharlı cam yarı saydam, ahşap opaktır.

Kavram karşılaştırma tablosu

Bu derste geçen terimler birbirine yakın durur ve sınavda karıştırılır. Aşağıdaki tabloda her terimin anlamı ve sık karıştırılan karşılığı yan yana verilmiştir.

Kural, formül ve ölçü tablosu

Aşağıdaki tablo bu konudaki kuralları tek bakışta toplar. Karar verirken önce bu tabloya bakmak, kuralı hatırlamakta işe yarar.

Yukarıdaki ölçülerin arkasındaki kural ve formüller şunlardır:

Sık Yapılan Hatalar

Aşağıdaki hatalar bu konuda en sık görülenlerdir. Her biri için önce hatanın kendisi, sonra neden yanlış olduğu ve doğrusu anlatılmıştır.

• Geliş açısını yüzeyle ışın arasındaki açı sanmak: Açı ölçümü yüzeyin normaline göre yapılır; yüzeye dik gelişte açı sıfırdır.
• Saydam ortamın ışığı geçirmediğini düşmek: Saydam ortam ışığın tamamını geçirir ve arkasındaki nesnenin görüntüsü net olarak görülür.
• Kırılmanın yalnızca yoğun ortamdan seyrek ortama geçişte olduğunu düşmek: Işık iki yönde de kırılır; açı değişiminin yönü ortamların yoğunluk sıralamasına bağlıdır.
• Tam yansımanın her yüzeyde gerçekleştiğini sanmak: Tam yansıma, ışığın seyrek ortamdan yoğun ortama geçerken belirli bir açıyı aşmasıyla oluşur.
• Fiber optik kabloların ışığı kırdığını düşmek: Fiber optik kablolar ışığı kırmadan tam yansıma ile iletir; bu sayede iletim kaybı en azdır.

Özet

Kısaca: Işık doğrusaldır ve doğru çizgi üzerinde yayılır; gölge olayı bu özelliğin sonucudur. Işık bir yüzeye çarptığında yön değiştirip geri dönerse yansıma gerçekleşir ve geliş açısı yansıma açısına eşittir. Açılar yüzeyin normaline göre ölçülür ve dik gelişte açı sıfırdır. Işık bir ortamdan başka bir ortama geçerken yön değiştirirse kırılır; kırılma açısı kırılan ışın ile yüzeyin normali arasındaki açıdır. Kırılmada…

Derste gördüğümüz ana fikirler şunlar:

• Işık doğrusal yayılır ve gölge olayı bu özelliğin sonucudur.
• Yansıma açısı geliş açısına eşittir.
• Açı ölçümü yüzeyin normaline göre yapılır.
• Saydam ortam ışığın tamamını geçirir, opak ortam hiçbirini geçirmez.
• Işık bir ortamdan başka bir ortama geçerken kırılır.
• Kırılmada belirleyici olan, ışığın gittiği ortamın yoğunluğudur.
• Seyrek ortamdan yoğun ortama geçişte açı küçülür, ters yönde büyür.
• Fiber optik kablolar ışığı tam yansıma ile iletir.

Kendini dene

Aşağıdaki sorular konunun farklı yönlerini yoklar. Önce kendin çöz, sonra cevap anahtarına bak; eğer bir soruyu yanlış yaptıysan yukarıdaki ilgili bölüme geri dön.

1. Aşağıdaki olaylardan hangisinde ışık yön değiştirerek ortamlar arasında geçer? (Şıklar: Düz aynada yansıma · Camın arkasından ışığın görülmesi · Duvarın gölge oluşturması · Siyah kumaşın ışığı geçirmemesi)
2. Işığın bir ortamdan başka bir ortama geçerken yön değiştirmesine ne denir? (Şıklar: Yansıma · Kırılma · Soğurulma · Dağılma)
3. Işık kaynaktan çıktıktan sonra hangi biçimde ilerler? (Şıklar: Kavisli bir yol izleyerek · Doğru çizgi üzerinde · Dalgalı bir çizgi izleyerek · Yay çizgisi çizerek)

Cevap anahtarı: 1) Camın arkasından ışığın görülmesi — Camın arkasından ışığın görülmesi sırasında ışık havadan cama geçerken yön değiştirir, yani kırılma olur. Seçeneklerdeki diğer üç olay kırılma değildir.

2) Soğurulma — Işığın bir ortamdan başka bir ortama geçerken yön değiştirmesine kırılma denir. Seçeneklerdeki diğer üç olay ışığın başka yollarla etkileşimini belirtir.

3) Doğru çizgi üzerinde — Işık kaynaktan çıktıktan sonra doğru çizgi üzerinde ilerler; bu özelliğe ışığın doğrusal yayılması denir. Seçeneklerdeki diğer üç yol ışığın yayılma biçimi değildir.

İlgili konular

Bu konuyu öğrenmek şu başlıkları da kolaylaştırır. Aynı üniteden ve sonraki üniteden ikişer konu seçtik:

• Mercekler — aynı ünitede, bir sonraki adım.
• Elektrik Yükleri ve Elektriklenme — aynı ünitede, bir sonraki adım.
• Uzayda Neler Var? ve Türkiye'nin Uzay Araştırmaları — sonraki ünitenin başlangıcı; konuyu genişletir.
• Besin Zinciri ve Enerji Akışı — sonraki ünitenin başlangıcı; konuyu genişletir.

Kaynak notu

Bu derste Işığın Kırılması konusu için kullanılan sayısal değerlerin tamamı adım adım gösterilerek hesaplandı; yaklaşık değer gereken yerde yaklaşık ifadesi açıkça yazıldı. Bu anlatım başka bir kitaptan cümle aktarmadan, konunun tanım ve kural düzeni yeniden yazılarak hazırlandı.

Ayrıca derste şu açık uçlu görevler yer alıyor; her biri puanlıdır ve kendi cevabını yazmanı ister:

• Işığın yansımasında geliş açısı ile yansıma açısı arasındaki ilişkiyi açıklayarak, ışığın normal geliş ve eğik geliş durumlarını karşılaştırınız? (15 puan)
• Saydam, yarı saydam ve opak ortamları tanımlayarak her birine ikişer örnek veriniz? (12 puan)
• Işığın kırılmasını açıklayınız ve ışık seyrek ortamdan yoğun ortama, yoğun ortamdan seyrek ortama geçtiğinde kırılma açısının nasıl değiştiğini gerekçesiyle belirtiniz? (15 puan)

İleri Örnek

Daha ileri bir uygulama:

Soru: Havuzun içindeki bir taş, dışarıdan bakıldığında neden bulunduğundan daha sığ görünür?

1. Adım 1: Taşdan çıkan ışık sudan havaya geçmektedir.
2. Adım 2: Su, havadan daha yoğun bir ortamdır.
3. Adım 3: Işık yoğun ortamdan seyrek ortama geçerken normalden uzaklaşır ve kırılır.
4. Adım 4: Kırılan ışının yönü değiştiği için taşın görüntüsü yüzeye daha yakın izlenir.

Sonuç/cevap: Işık sudan havaya geçerken kırıldığı için taşın görüntüsü sığ görünür.