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प्रकाश का अपवर्तन: स्नेल का नियम, क्रांतिक कोण और पूर्ण आंतरिक परावर्तन

प्रकाश जब एक माध्यम से दूसरे में जाता है तो उसकी चाल बदलती है और वह मुड़ जाता है। इसे अपवर्तन कहते हैं। अपवर्तनांक n = c/v, जहाँ c = 3 × 10⁸ m/s। स्नेल का नियम: n₁ sin θ₁ = n₂ sin θ₂ (कोण अभिलंब से)। बड़े n में जाने पर किरण अभिलंब की ओर, छोटे n में जाने पर दूर मुड़ती है। सीमा पर आवृत्ति नहीं बदलती, इसलिए तरंगदैर्घ्य λ₀/n हो जाती है। सघन से विरल में जाते समय क्रांतिक कोण होता है: sin θc = n₂/n₁। इससे बड़े कोण पर पूर्ण आंतरिक परावर्तन होता है, जिस पर ऑप्टिकल फाइबर और हीरे की चमक टिकी है। पानी में चीज़ें उथली दिखती हैं: आभासी गहराई = वास्तविक ÷ n। रंग के साथ n थोड़ा बदलता है, इसलिए सफ़ेद प्रकाश बिखरता है (वर्ण-विक्षेपण)।

🎬 कदम-दर-कदम कहानी

  1. किरण हवा से काँच में जाती है। वह अभिलंब की ओर मुड़ती है। अभिलंब = सतह पर 90° की रेखा।
  2. मुड़ने का कारण: काँच में प्रकाश धीमा है, v = c/n। आवृत्ति वही, इसलिए तरंगदैर्घ्य छोटी।
  3. स्नेल का नियम: n₁ sin θ₁ = n₂ sin θ₂। कोण बदलो, दोनों तरफ़ बराबर रहते हैं।
  4. अब प्रकाश काँच से हवा में। छोटे n में जाने पर किरण अभिलंब से दूर मुड़ती है।
  5. कोण क्रांतिक कोण से बड़ा करो। अपवर्तित किरण गायब, सारा प्रकाश लौट आता है: पूर्ण आंतरिक परावर्तन।
  6. अब तुम खेलो: कोण, माध्यम और दिशा बदलो। पहले अंदाज़ा लगाओ, फिर जाँचो।

टिप: 3D दृश्य को घुमाने के लिए खींचें। ज़ूम के लिए दो उंगलियाँ इस्तेमाल करें।

🤔 आम शंकाएँ और उनके जवाब

कोण अभिलंब से ही क्यों नापते हैं?

स्नेल का नियम अभिलंब से कोण लेता है। 0° (अभिलंब के साथ) पर कोई मुड़ना नहीं, यह कदम 1 में साफ़ दिखता है।

प्रकाश धीमा हुआ तो क्या उसकी ऊर्जा घटी?

नहीं। काँच से निकलकर वह फिर तेज़ हो जाता है। आवृत्ति, यानी हर फोटॉन की ऊर्जा, वही रहती है। कदम 2 में बिंदु बस पास-पास आते हैं।

कोण की जगह sin क्यों?

मुड़ना तरंगाग्र पर चालों के अनुपात से आता है, जिससे sin बनता है। कदम 3 में कोण बदलते हुए दोनों तरफ़ बराबर रहते देखो।

किधर मुड़ेगी, कैसे याद रखूँ?

बड़े n (धीमे) में: अभिलंब की ओर। छोटे n (तेज़) में: दूर। कदम 4 दूर मुड़ना दिखाता है।

पूर्ण आंतरिक परावर्तन में प्रकाश कहाँ जाता है?

सारा सघन माध्यम में लौट आता है। कुछ नहीं खोता, इसलिए फाइबर संकेत बहुत दूर तक ले जाते हैं। कदम 5 देखो।

हवा से पानी में जाते समय क्रांतिक कोण क्यों नहीं?

बड़े n में θ₂ हमेशा θ₁ से छोटा होता है, 90° तक नहीं पहुँचता। फ्री प्ले में दिशा बदलकर जाँचो।

अपवर्तनांक और प्रकाश की चाल

निर्वात में प्रकाश की चाल c = 3.00 × 10⁸ m/s है। किसी भी पदार्थ में यह कम होती है। अपवर्तनांक (refractive index) बताता है कितनी कम:

n = c / v (कोई मात्रक नहीं, हमेशा ≥ 1)

हवा ≈ 1.00, पानी 1.33, काँच लगभग 1.5, हीरा 2.42। बड़ा n = प्रकाशतः सघन।

क्या बदलता है, क्या नहीं

रंग आवृत्ति से तय होता है, इसलिए पानी में प्रकाश का रंग नहीं बदलता।

स्नेल का नियम

दोनों कोण अभिलंब से नापो (सतह से नहीं)।

n₁ sin θ₁ = n₂ sin θ₂

हर सीमा पर कुछ प्रकाश परावर्तित भी होता है (3D में हल्की नारंगी किरण)। आपतित, अपवर्तित, परावर्तित किरणें और अभिलंब एक ही तल में होते हैं।

मुड़ती क्यों है

तिरछा तरंगाग्र सतह से टकराता है तो उसका एक सिरा पहले धीमे माध्यम में घुसता है। वह सिरा धीमा हो जाता है जबकि दूसरा अभी तेज़ है, इसलिए पूरा तरंगाग्र मुड़ जाता है।

क्रांतिक कोण और पूर्ण आंतरिक परावर्तन

जब प्रकाश बड़े n से छोटे n में जाता है, θ₂ बड़ा होता है। एक खास कोण पर θ₂ = 90° हो जाता है। यही क्रांतिक कोण (critical angle) है:

sin θc = n₂ / n₁ (n₁ > n₂)

काँच से हवा: θc ≈ 41.8°। पानी से हवा: θc ≈ 48.8°। हीरे से हवा: θc ≈ 24.4°।

अगर θ₁ > θc, तो sin θ₂ > 1 चाहिए, जो असंभव है। कोई प्रकाश बाहर नहीं जाता, सब लौट आता है। यह पूर्ण आंतरिक परावर्तन (TIR) है।

दो शर्तें: (1) प्रकाश सघन से विरल माध्यम में जाए, (2) आपतन कोण क्रांतिक कोण से बड़ा हो।

उपयोग: ऑप्टिकल फाइबर, एंडोस्कोप, प्रिज़्म दूरबीन, हीरे की चमक, सड़क के रिफ्लेक्टर।

आभासी गहराई और वर्ण-विक्षेपण

आभासी गहराई: पानी में सीधे ऊपर से देखने पर d गहराई की चीज़ d/n पर दिखती है। 2 m गहरा पूल लगभग 1.5 m दिखता है।

वर्ण-विक्षेपण (dispersion): बैंगनी प्रकाश के लिए n लाल से थोड़ा ज़्यादा है, इसलिए बैंगनी ज़्यादा मुड़ता है। प्रिज़्म सफ़ेद प्रकाश को स्पेक्ट्रम में बाँट देता है, बारिश की बूँदें इंद्रधनुष बनाती हैं।

करके देखो: खाली कप में सिक्का रखो, पीछे हटो जब तक वह किनारे के पीछे छिप न जाए। अब धीरे से पानी डालो। सिक्का दिखने लगेगा! अपवर्तन उसका प्रकाश किनारे के ऊपर से तुम्हारी आँख तक मोड़ देता है।

मुख्य सूत्र और परिभाषाएँ

हल किए गए उदाहरण

1. पानी में प्रकाश की चाल 2.25 × 10⁸ m/s है। पानी का अपवर्तनांक ज्ञात करो।

n = c/v = 3.00 ÷ 2.25 = 1.33।

2. किरण हवा से काँच (n = 1.5) में 30° पर जाती है। अपवर्तन कोण ज्ञात करो।

sin θ₂ = 0.5 ÷ 1.5 = 0.333 → θ₂ ≈ 19.5°।

3. 650 nm का लाल प्रकाश पानी (n = 1.33) में जाता है। पानी में तरंगदैर्घ्य और आवृत्ति?

λ = 650 ÷ 1.33 ≈ 489 nm। f = c/λ₀ ≈ 4.6 × 10¹⁴ Hz, हवा जितनी ही।

4. काँच (n = 1.5) से पानी (n = 1.33) में जाते प्रकाश का क्रांतिक कोण ज्ञात करो।

sin θc = 1.33 ÷ 1.5 = 0.887 → θc ≈ 62.5°।

5. पानी में किरण सतह से 55° पर टकराती है। क्या वह बाहर निकलेगी?

पानी का θc ≈ 48.8°। 55° > 48.8°, इसलिए पूर्ण आंतरिक परावर्तन, बाहर नहीं निकलेगी।

6. मछली सतह से 1.2 m नीचे है। ठीक ऊपर से वह कितनी गहरी दिखेगी? (n = 1.33)

आभासी गहराई = 1.2 ÷ 1.33 ≈ 0.90 m, लगभग 30 cm पास दिखेगी।

आम गलतियाँ

अभ्यास क्विज़

1. हवा से काँच में जाते समय प्रकाश:
2. स्नेल का नियम है:
3. जिस माध्यम में प्रकाश 2 × 10⁸ m/s से चलता है, उसका अपवर्तनांक:
4. पूर्ण आंतरिक परावर्तन के लिए चाहिए:
5. सीमा पर क्या नहीं बदलता?

अभ्यास: खुद जवाब दो

अपना जवाब लिखो या चुनो, फिर जाँचें दबाओ। अटको तो संकेत देखो; जवाब देने के बाद पूरा हल दिखेगा।

अक्सर पूछे जाने वाले प्रश्न

स्नेल का नियम आसान शब्दों में?

सीमा के दोनों ओर n × sin(अभिलंब से कोण) बराबर रहता है। इससे पता चलता है किरण कितना मुड़ेगी।

क्रांतिक कोण क्या है?

सघन से विरल में जाते समय वह आपतन कोण जिस पर अपवर्तित किरण सतह के साथ (90°) चलती है। sin θc = n₂/n₁।

क्या अपवर्तन से प्रकाश की आवृत्ति बदलती है?

नहीं। आवृत्ति स्रोत से तय होती है। चाल और तरंगदैर्घ्य n गुना घटते हैं।

यह कहाँ पढ़ाया जाता है

अमेरिकाGrade 12Geometric Optics

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