Işığın Kırılması Deneyi: Kalemin Suda Kırık Görünmesinin Nedeni

Deneyin amacı ve ışığın kırılması kavramı

Deneyin amacı, ışığın havadan suya ve sudan havaya geçerken yolunun nasıl değiştiğini gözlemlemektir. Deney sırasında kalem gibi düz bir cisim kullanılır; cismin bir bölümü suyun içinde, diğer bölümü suyun dışında kalır. Böylece ışığın farklı ortamlardan gözümüze ulaşma biçimindeki değişim fark edilebilir.

Işığın kırılması, ışığın bir ortamdan başka bir ortama geçerken hızının değişmesi sonucunda yön değiştirmesidir. Işık boşlukta yaklaşık 3 × 10^8 m/s hızla ilerler; maddelerin içinde ilerlerken maddeyle etkileşimi nedeniyle hızı değişebilir. Hava ve su ışığın ilerleyişi bakımından aynı ortamlar olmadığı için, ışık bu iki ortamın sınırından geçerken doğrultusu da değişebilir. Görünür ışık, yeterince büyük cisimlerle karşılaştığında ışın doğrultusunda ilerliyormuş gibi düşünülebilir; bu nedenle deneyde ışığın izlediği yolu düz çizgilerle göstermek işe yarar.

Örneğin suya eğik biçimde batırılmış düz bir kalem, su yüzeyinin hizasında kırılmış veya bükülmüş gibi görünebilir. Kalemin kendisi şekil değiştirmez. Su içindeki bölümden çıkan ışık, havadaki bölümden gelen ışıkla aynı doğrultuda gözümüze ulaşmadığı için beynimiz ışığı geriye doğru uzattığında kalemin su içindeki konumu farklı algılanır.

Gerekli malzemeler

Deney için içi görülebilen şeffaf bir bardak, temiz su ve düz bir kalem gerekir. Bardağı sabit tutmak için düz bir masa veya tepsi kullanılabilir; dökülen suyu silmek için bir bez ya da kâğıt havlu da hazır bulundurulmalıdır. Kalem yerine düz bir pipet veya çubuk da kullanılabilir. Malzemelerin temiz ve sağlam olması, gözlemin daha belirgin yapılmasına yardımcı olur. Deney için mum, çakmak, güçlü lazer veya elektrikli bir düzenek gerekmez; bu nedenle uygulama basit ve güvenli malzemelerle yapılabilir.

Deneyin güvenli ve doğru uygulanma adımları

Önce şeffaf bardağı düz ve devrilmeyecek bir yüzeye yerleştirin. Bardağa, kalemin bir bölümünü içine alacak kadar su koyun; bardağı ağzına kadar doldurmayın. Kalemi suya dik değil, eğik biçimde yerleştirin. Kalemin bir kısmı suyun içinde, kalan kısmı suyun dışında olmalıdır.

Bardağı sabit tutarak kaleme yandan bakın. Başınızı yavaşça sağa ve sola hareket ettirin; kalemin su yüzeyine yakın bölümünü farklı açılardan gözlemleyin. Kalemi aynı konumda tutup önce doğrudan karşıdan, sonra biraz yandan bakmak, görüntünün hangi bakışlarda daha belirgin değiştiğini karşılaştırmanızı sağlar. Gözlemin değişkenlerini karıştırmamak için bir gözlemde bardağı veya kalemi hareket ettirmeyin.

Su dökülürse zeminin kayganlaşmaması için hemen silin. Cam bardağı kenara yakın bırakmayın ve kırık ya da çatlak bardak kullanmayın. Deney sırasında kalemi gözünüze yaklaştırmayın; suyu içmeyin ve uygulamayı gözetim altında yapın. Örneğin kalemi önce suya hafifçe eğerek yerleştirip görüntüyü kaydedebilir, ardından kalemin eğimini değiştirerek gözlemin değişip değişmediğini karşılaştırabilirsiniz.

Deney sırasında beklenen gözlem

Kaleme su yüzeyinin üstünden baktığınızda kalemin suya giren bölümü, suyun dışındaki bölümle aynı düz çizgi üzerinde görünmeyebilir. Su yüzeyinde kalem kırılmış, bükülmüş ya da iki parçası farklı yönlere uzanıyormuş gibi bir görüntü oluşabilir. Kalemin gerçek konumu ile görünen konumu arasındaki bu fark, deneyin temel gözlemidir.

Bu görüntü kalemin veya suyun hareket etmesinden kaynaklanmaz. Gözünüze ulaşan ışığın bir bölümü su içindeki kalemden, bir bölümü havadaki kalemden gelir. Su içindeki bölümden gelen ışık su-hava sınırında yön değiştirdiği için göz, ışığın son bölümünü düz bir çizgi üzerinde geriye doğru düşünür. Bu geriye doğru uzatma, kalemin su içindeki kısmını gerçek yerinden farklı bir yerde görmenize yol açar.

Kalemi bardaktan çıkardığınızda kırık görüntü kaybolur ve kalem düz görünür. Aynı şekilde bardağa yandan bakmak veya kalemin eğimini değiştirmek görüntünün belirginliğini değiştirebilir. Örneğin kalem suya çok az batırılırsa su içindeki bölüm kısa olacağı için değişim daha zor fark edilebilir; daha fazla bölümü suya sokulduğunda yüzeydeki görüntü farkı daha kolay seçilebilir.

Işığın farklı ortamlara geçerken yön değiştirmesi

Işık, bir ortam içinde ilerlerken belirli bir doğrultuyu izler. Ancak hava ile su gibi farklı ortamların sınırına ulaştığında ışığın ilerleme hızı değişir. Işın sınır yüzeyine tam dik gelmiyorsa, hızdaki bu değişim ışığın yolunun bükülmesine, yani yeni bir doğrultuda ilerlemesine neden olur. Işık bu yeni ortamda yoluna devam ederken yine düz bir doğrultuda ilerleyebilir; yön değişimi özellikle ortamlar arasındaki geçişte gerçekleşir.

Bu durumu yürüyen bir kişinin bir bölümünün düz, diğer bölümünün daha yavaş ilerleyen bir zemine girmesine benzeterek düşünebiliriz: kişinin bir tarafı önce yavaşlarsa hareket doğrultusu değişebilir. Işık için de ortam değişikliği, dalganın ilerleme hızını etkiler. Havadan suya geçerken ve sudan havaya çıkarken oluşan yön değişikliklerinin büyüklüğü, ışığın yüzeye geliş doğrultusuna ve ortamların ışığı ne kadar farklı hızlarda ilettiğine bağlıdır.

Deneyde ışığın geliş doğrultusu, ışığın su yüzeyine ulaşmadan önce izlediği yöndür; kırılma doğrultusu ise sınırdan geçtikten sonra izlediği yeni yöndür. Bu iki doğrultu arasındaki farkı çizerek göstermek, gözlemi düzenlemeye yardımcı olur; ayrıntılı açı hesaplamaları ise Snell yasası ve kırılma açısı hesaplamaları konusuna girer.

Kalem örneğinde su içindeki kalemden gelen ışık su-hava sınırında yön değiştirdiği için kalemin görüntüsü kaymış gibi görünür. Gerçekte kalemin konumu sabit kalır; değişen, kalemden gözümüze gelen ışığın izlediği yoldur.

Deney sonucu ile kırılma arasındaki ilişki

Deneyde gözlenen kırık kalem görüntüsü, ışığın kırılması kavramının doğrudan bir sonucudur. Kalemin su içindeki bölümünden çıkan ışık havaya geçerken yön değiştirir ve gözümüze farklı bir doğrultudan ulaşır. Gözlemci ışığın düz çizgide geldiğini varsaydığı için ışığı geriye doğru uzatır; böylece kalemin su içindeki bölümünü gerçek konumundan farklı algılar.

Bu nedenle deney sonucu yalnızca “kalem kırık göründü” şeklinde açıklanamaz. Kırık görünme, su ve havanın farklı ortamlar olması, ışığın bu ortamlarda farklı hızlarla ilerlemesi ve sınırda yön değiştirmesiyle ilişkilidir. Kalemi sudan çıkardığımızda ışığın su-hava sınırından geçişi ortadan kalkar ve görüntüdeki kırılma da görülmez. Bu karşılaştırma, değişen şeyin kalem değil, ışığın izlediği yol olduğunu destekler.