الانكسار الفيزيائي

مفهوم الانكسار الفيزيائي:

الانكسار في الفيزياء هو التغير في اتجاه الموجة التي تمر من وسط إلى آخر بسبب تغير سرعتها، على سبيل المثال، تنتقل الأمواج في المياه العميقة أسرع من الموجات الضحلة.
إذا اقتربت موجة المحيط من الشاطئ بشكل غير مباشر، فإن جزء الموجة الأبعد عن الشاطئ سيتحرك أسرع من ذلك الأقرب للداخل، وبالتالي ستتأرجح الموجة حتى تتحرك في اتجاه عمودي على الخط الساحلي.
 تكون سرعة الموجات الصوتية أكبر في الهواء الدافئ منها في البرودة، ففي الليل، يتم تبريد الهواء على سطح البحيرة، وأي صوت ينتقل إلى أعلى ينكسر إلى أسفل بفعل الطبقات العليا من الهواء التي لا تزال دافئة، وبالتالي، يمكن أيضا سماع الأصوات، مثل الأصوات والموسيقى، على مسافة أبعد عبر الماء في الليل عنها في النهار.
يمكن رؤية انكسار الضوء في العديد من الأماكن في حياتنا اليومية، حيث أن الانكسار يجعل الأشياء الموجودة تحت سطح الماء تبدو أقرب مما هي عليه في الواقع، وهو ما تقوم عليه العدسات البصرية، مما يسمح باستخدام أدوات مثل النظارات والكاميرات والمناظير والمجاهر والعين البشرية، كما ان الانكسار مسؤول أيضًا عن بعض الظواهر البصرية الطبيعية بما في ذلك قوس قزح والسراب.

انكسار الموجات:

تنكسر الموجات الكهرومغناطيسية المكونة للضوء عند عبور الحدود من وسيط شفاف إلى آخر بسبب تغير سرعتها، تظهر العصا المستقيمة منحنية عند غمرها جزئيًا في الماء ويتم عرضها بزاوية مع السطح بخلاف 90 درجة.
إن شعاع الضوء بطول موجة أو لون واحد (تظهر أطوال موجية مختلفة بألوان مختلفة للعين البشرية)، في المرور من الهواء إلى الزجاج، ينكسر أو ينكسر بمقدار يعتمد على سرعته في الهواء والزجاج، وهما سرعات حسب الطول الموجي.
يتكون شعاع ضوء الشمس من العديد من الأطوال الموجية التي تبدو مجتمعة عديمة اللون، وعند دخول المنشور الزجاجي، فإن الانكسارات المختلفة للأطوال الموجية المختلفة تفصل بينها كما في قوس قزح.

الضوء الأبيض الذي يدخل المنشور يكون مثنيًا أو منكسرًا، هذا يفصل الضوء إلى الأطوال الموجية المكونة له، وكل طول موجي للضوء له لون مختلف بناءً على الزاوية التي ينحني بها، حيث تظهر ألوان الضوء الأبيض دائمًا من خلال منشور بنفس الترتيب الأحمر والبرتقالي والأصفر والأخضر والأزرق والنيلي والبنفسجي.

في ظل ظروف معينة، مثل امتداد الرصيف أو هواء الصحراء الذي يسخن بفعل أشعة الشمس الشديدة، يبرد الهواء بسرعة مع الارتفاع، وبالتالي تزداد الكثافة وقوة الانكسار.
ضوء الشمس المنعكس إلى أسفل من الجزء العلوي من جسم ما، على سبيل المثال، قمة جمل في الصحراء سيتم توجيهه عبر الهواء البارد بالطريقة العادية. على الرغم من أن الضوء لا يُرى عادةً بسبب الزاوية، فإنه ينحني لأعلى بعد أن يدخل الهواء الساخن المتخلخل بالقرب من الأرض، وبالتالي ينكسر إلى عين الراصد كما لو أنه نشأ تحت السطح الساخن.
كما يمكن رؤية صورة مباشرة للجمل لأن بعض الأشعة المنعكسة تدخل العين في خط مستقيم دون انكسار. يبدو أن الصورة المزدوجة هي صورة الجمل وانعكاسه المقلوب في الماء، عندما تكون السماء هدف السراب، فإن الأرض مخطئة لبحيرة أو صفيحة من الماء.

المنشور:

المنشور في البصريات قطعة من الزجاج أو أي مادة شفافة أخرى مقطوعة بزوايا دقيقة وأوجه مستوية، مفيدة لتحليل الضوء وعكسه، يمكن للمنشور الثلاثي العادي فصل الضوء الأبيض إلى الألوان المكونة له، والتي تسمى الطيف.
كل لون أو طول موجي يتكون من الضوء الأبيض يكون مثنيًا، أو ينكسر بمقدار مختلف، حيث تنحني الأطوال الموجية الأقصر (تلك الموجودة في نهاية الطيف البنفسجي) أكثر من غيرها، وتكون الأطوال الموجية الأطول (تلك الموجودة في الطرف الأحمر للطيف) هي الأقل ثنية.
تُستخدم المنشورات من هذا النوع في بعض المطياف، وهي أدوات لتحليل الضوء ولتحديد هوية وبنية المواد التي تنبعث أو تمتص الضوء.

قانون الانكسار:

بالنسبة للضوء، غالبًا ما يستخدم معامل الانكسار n للمادة أكثر من سرعة طور الموجة v في المادة، ومع ذلك، فهي مرتبطة بشكل مباشر من خلال سرعة الضوء في الفراغ c مثل:  n = c v.
في علم البصريات، عادةً ما يُكتب قانون الانكسار كالتالي:
n 1 sin ⁡ θ 1 =  n 2 sin⁡ θ 2

الانكسار في سطح الماء:

يحدث الانكسار عندما يمر الضوء عبر سطح مائي نظرًا؛ لأن الماء له معامل انكسار يبلغ 1.33 والهواء له معامل انكسار يبلغ حوالي 1. النظر إلى جسم مستقيم، مثل قلم رصاص في كاس ماء، والذي يتم وضعه بشكل مائل جزئيًا في الماء، يبدو الجسم وكأنه ينحني عند سطح الماء.
ويرجع ذلك إلى إنحناء أشعة الضوء أثناء انتقالها من الماء إلى الهواء، بمجرد وصول الأشعة إلى العين، تتبعها العين للخلف كخطوط مستقيمة (خطوط نظر)، حيث تتقاطع خطوط الرؤية (تظهر كخطوط متقطعة) في موضع أعلى من حيث نشأت الأشعة الفعلية، كما يؤدي هذا إلى ظهور القلم الرصاص أعلى والماء يبدو أكثر ضحالة مما هو عليه بالفعل.

انكسار الغلاف الجوي:

يعتمد معامل الانكسار للهواء على كثافة الهواء وبالتالي يختلف باختلاف درجة حرارة الهواء وضغطه، نظرًا لأن الضغط يكون أقل في الارتفاعات العالية، فإن معامل الانكسار يكون أيضًا أقل، مما يتسبب في انكسار أشعة الضوء نحو سطح الأرض عند السفر لمسافات طويلة عبر الغلاف الجوي.
يؤدي هذا إلى تغيير المواقع الظاهرة للنجوم قليلاً عندما تكون قريبة من الأفق ويجعل الشمس مرئية قبل أن ترتفع هندسيًا فوق الأفق أثناء شروق الشمس.
ضباب حراري في عادم المحرك فوق قاطرة ديزل، حيث يمكن أن تتسبب تغيرات درجة الحرارة في الهواء أيضًا في انكسار الضوء. يمكن اعتبار ذلك ضبابًا حراريًا عند خلط الهواء الساخن والبارد على سبيل المثال: على النار في عادم المحرك أو عند فتح النافذة في يوم بارد. هذا يجعل الأشياء التي يتم عرضها من خلال الهواء المختلط تبدو وكأنها تلمع أو تتحرك بشكل عشوائي مع تحرك الهواء الساخن والبارد.
يظهر هذا التأثير أيضًا من الاختلافات العادية في درجة حرارة الهواء خلال يوم مشمس عند استخدام عدسات تليفوتوغرافي عالية التكبير وغالبًا ما يحد من جودة الصورة في هذه الحالات، وبطريقة مماثلة، يعطي الاضطراب الجوي تشوهات متغيرة بسرعة في صور التلسكوبات الفلكية مما يحد من دقة التلسكوبات الأرضية التي لا تستخدم البصريات التكيفية أو تقنيات أخرى للتغلب على هذه التشوهات الجوية.