11. Sınıf Fizik: Düzlem Ayna, Kırılma ve Görünür Konum

Rehberli anlatımda söylenen yönlendirmeler dâhil tam metin. Düşünme araları sessizdir.

1. Giriş

   Konuya başlayalım. Bir aynadaki görüntüyü gördüğümüzde ışığın gerçekten aynanın arkasındaki bir cisimden gelmediğini düşünmek ilk anda şaşırtıcı olabilir. Işın modeli, göze gelen ışığın yönünü geriye doğru izleyerek görüntü konumunu anlamamızı sağlar. Bu derste düzlem aynada yansıma, görüntü özellikleri ve ışığın saydam ortam değiştirirken davranışı üzerinde çalışacağız. Görünür derinlik nitel olarak incelenir; derinlik veya kırılma indisi formülüyle hesap yapılmaz. Küresel ayna ve mercek denklemleri bu pakete dahil değildir. Kâğıt üzerinde bir yüzey ve ona dik normal çizerek başla. Her açıya bakarken açının hangi iki çizgi arasında ölçüldüğünü sor. Gözlemi, ışınların gerçek yolu ile modelde uzatılan çizgiyi ayırarak açıklamaya çalış.

2. Ayrıntılı anlatım

   Yansıma açısını normale göre ölç. Bir ışının yüzeye geldiği noktada yüzeye dik çizgiye normal denir. Gelme açısı gelen ışınla normal, yansıma açısı yansıyan ışınla normal arasında ölçülür. Yansıma yasasında bu iki açı eşittir. Bir ışın düzlem aynanın yüzeyiyle 30 derece yapıyorsa normalle açısı 60 derecedir; yansıma açısı 30 değil 60 derecedir. Normale dik değil, normal doğrultusunda gelen ışının gelme açısı sıfırdır ve ışın geldiği yol üzerinden geri döner. Gelen ışın, yansıyan ışın ve normal aynı düzlemdedir. Yüzeyin pürüzlü olması tek tek küçük bölgelerde yansıma yasasını bozmaz; farklı yönelimli normaller ışığı farklı yönlere dağıtır. Düzgün yansımayla dağınık yansımayı bu nedenle ayırırız. Işının gidiş yönünü okla belirt; aynı doğru üzerindeki iki ters yönü aynı ışın yolu gibi dikkatsizce yorumlama. Çözümünü kontrol ederken yüzeyle ölçülen açıyı normale göre açıya çevirdiğini açıkça yaz. Düzlem aynadaki görüntünün özelliklerini açıkla. Düzlem aynada görüntü, aynanın arkasında cismin aynaya uzaklığı kadar uzakta görünür. Görüntü düz ve cisimle aynı boydadır. Yansıyan gerçek ışınlar aynanın arkasında birleşmez; yalnız geriye uzantıları orada kesişir. Bu nedenle görüntü sanaldır ve yalnız bir ekranı aynanın arkasına koyarak orada gerçek görüntü oluşturamazsın. Sanal olması gözle görülememesi demek değildir; göze gelen gerçek ışık sayesinde görülür. Görüntünün boyunun aynı kalması aynaya yaklaşıp uzaklaşırken görüntünün daha küçük-büyük görünmesiyle karıştırılmamalıdır; bakış açısı ve görünen açısal büyüklük başka kavramlardır. Düzlem ayna ön-arka yönünde simetri oluşturur; gündelik sağ-sol tersliği ifadesini modelin geometrisiyle düşün. Aynaya paralel duran aynı uzunluktaki cisim ve görüntü arasında gerçek boy farkı yoktur. Şimdi cisim, ayna ve görüntüyü tek doğru üzerinde çizip iki eş uzaklığı işaretle; görüntünün aynanın hangi tarafında olduğunu ayrı bir renkle göster. Cisim ve ayna hareketinde konumları yeniden çiz. Bir cisim düzlem aynanın önünde 2 m uzaktaysa görüntü aynanın arkasında 2 m uzaktadır; cisim-görüntü arası 4 m olur. Cisim aynaya 0,5 m yaklaşırsa iki uzaklık da 1,5 m olur ve aradaki mesafe 3 m’ye iner. Cisim-görüntü aralığındaki değişim, cisim-ayna değişiminin iki katıdır. Ayna hareket ettiğinde ezber yerine sabit bir koordinat kullan. Ayna konumu a ve cisim konumu x ise tek boyutlu simetri görüntüyü 2a − x konumuna yerleştirir. Bu ifade bir ayna denklemi değil, eş uzaklıkların geometrik yazımıdır. Cisim sabitken ayna 1 m kayarsa görüntü aynı referansta 2 m kayar. Cisimle ayna birlikte aynı miktarda ilerlerse aralarındaki uzaklık değişmez; görüntü de birlikte taşınır. İşlem sonunda aynanın iki yanında kalan uzaklıkların eşitliğini kontrol et. Hangi nesnenin sabit, hangisinin hareketli olduğu belirtilmeden tek bir hız veya uzaklık kuralı kullanma. Kırılmayı hız, frekans ve yönle yorumla. Işık bir saydam ortamdan diğerine geçerken yayılma sürati değişebilir. Normalden farklı açıyla geçişte çoğu durumda yönü de değişir; buna kırılma denir. Optikçe daha yoğun, kırılma indisi daha büyük ortama giren ışık daha yavaş yayılır ve normal doğrultusuna yaklaşır. Ters geçişte normalden uzaklaşabilir. Optik yoğunluğu doğrudan maddenin kütle yoğunluğuyla eşitleme; burada ışığın yayılmasıyla ilgili özellikten söz ediyoruz. Ortam sınırını geçen ışığın frekansı kaynağa bağlı olarak aynı kalır; sürat değişince dalga boyu değişir. Normale dik değil, normal boyunca gelen ışın yön değiştirmeden geçebilir ama sürati yine değişebilir. Bu durum “kırılmada mutlaka yön değişir” iddiasını sınırlar. Gerçek sınırda ışığın bir kısmı yansıyıp bir kısmı iletilebilir. Şimdi gelen ve geçen ışınları normalin aynı tanımıyla çiz; açıyı yüzeye göre ölçmekten kaynaklanan ters yorumları kontrol et. Görünür derinliği ve tam yansımayı nitel incele. Suyun içindeki bir cisme havadan uygun koşullarda bakıldığında cisim yüzeye daha yakın görünür. Göz, kendisine ulaşan kırılmış ışını doğrusal olarak geriye uzattığı için görünür konum gerçek konumdan farklıdır. Bu ders yalnız nitel açıklamayla sınırlıdır; derinlikleri indis oranıyla hesaplamayacağız. Cisim fiziksel olarak yukarı çıkmış değildir. Işık optikçe daha yoğun ortamdan daha az yoğun ortama giderken gelme açısı yeterince büyük olduğunda tam yansıma gerçekleşebilir. Her geçiş ve her açı için tam yansıma beklenmez; daha az yoğundan daha yoğuna geçiş bu koşulu sağlamaz. Tam sınır açısında kırılan ışın ara yüz boyunca ilerler; normale göre kırılma açısı dik açıdır. Sınır açısı durumuyla sınır açısından büyük açıdaki tam yansımayı ayrı düşün. Fiber optikte ışığın uygun koşullarla ortam içinde yönlendirilmesi bu ilkeye dayanır; ışık hiç enerji kaybetmez veya her bükülmede mutlaka ilerler gibi sınırsız iddialar kurulmaz. Bir gözlemde yön değişikliğini anlatırken ortam sırasını ve normalle yapılan açıyı açık tut. Işın modelini karşıörnek ve güvenli gözlemle denetle. “Görüntü görülebiliyorsa gerçektir” cümlesi düzlem aynayla çürütülür; görülme ile ekrana düşürülebilme aynı ölçüt değildir. “Işık suya girince frekansı azalır” cümlesinde sürat ile frekans karıştırılır. “Normal boyunca gelen ışın yön değiştirmiyorsa sürati de değişmez” iddiası da doğru değildir. Modeli denetlemek için her durumda önce gerçek ışın yolunu, sonra gerekiyorsa uzantısını ayrı çiz. Görünür konumdaki kayma, gözlemcinin ve ortamların konumlarına bağlıdır; fotoğrafın tek açısını bütün durumlara genelleme. Gözlem yapılacaksa yalnız öğretmen gözetimindeki güvenli düzenekler kullanılmalı; göze lazer tutulmaz ve Güneş’e doğrudan ya da optik araçla bakılmaz. Kendi açıklamanı şu sorularla kontrol et: Açı hangi normale göre? Işık gerçekten hangi yolu izliyor? Görüntü konumu mu, cismin gerçek konumu mu değişti? Son testte yanlış yaptığında formül aramadan önce bu üç sorunun cevabını yeniden çizerek göster.

3. Sık sorulanlar

   Sık sorulan sorular.

4. Bölüm 4

   Şimdi öğrendiğini dene. Kısa testi çöz; her seçenekteki açıklamayla doğru yöntemi pekiştir. Teste başla.