**آشنایی با منشور و شکل‌های گوناگون آن**
منشور یک شکل سه‌بعدی در هندسه است. اگر به زبان ساده بگوییم، منشور شکلی است که دو قاعده کاملاً یکسان و مسطح دارد و این دو قاعده توسط سطح‌های جانبی به هم وصل شده‌اند. این سطح‌های جانبی معمولاً به شکل مستطیل هستند.
قاعده‌های یک منشور می‌توانند شکل‌های مختلفی داشته باشند. مثلاً اگر قاعده مثلث باشد، به آن “منشور سه‌گوش” یا منشور مثلثی می‌گویند. اگر قاعده مربع باشد، آن را منشور مربعی می‌نامند. به همین ترتیب، منشورها می‌توانند پنج‌ضلعی، شش‌ضلعی و به طور کلی چندضلعی باشند.
یک نوع خاص و شناخته‌شده از منشور، “مکعب‌مستطیل” است که همه ما جعبه‌های معمولی را دیده‌ایم. در واقع، یک مکعب‌مستطیل، نوعی منشور با قاعده مستطیل شکل است.
پس به طور خلاصه، منشورها بر اساس شکلی که قاعده آنها دارد، نام‌گذاری و دسته‌بندی می‌شوند و در اطراف ما، نمونه‌های زیادی از آنها وجود دارد.
منشور چیست؟
منشور که با نام‌های موشور و شوشه نیز شناخته می‌شود، یک وسیله شفاف از جنس بلور یا پلاستیک است که نور هنگام عبور از آن، به رنگ‌های مختلف تجزیه می‌شود.
این وسیله از دو سطح صاف و شفاف تشکیل شده که در یک طرف به هم می‌رسند و رأس منشور را می‌سازند، و در طرف دیگر، سطحی به نام قاعده منشور را تشکیل می‌دهند.
نور خورشید از رنگ‌های مختلفی تشکیل شده است. وقتی این نور از منشور عبور می‌کند، هر رنگ به دلیل تفاوت در میزان شکست نور، با زاویه‌ای جداگانه خارج می‌شود. این پدیده به دلیل وابستگی ضریب شکست به رنگ نور و ویژگی مواد تشکیل‌دهنده منشور رخ می‌دهد.
به عنوان مثال، نور سفید (مانند نور خورشید) پس از عبور از منشور، به هفت رنگ اصلی تشکیل‌دهنده آن تبدیل می‌شود.
انواع منشورها و کاربردهای آنها
منشورها شکل‌های هندسی سه‌بعدی هستند که انواع مختلفی دارند. هر نوع منشور ویژگی‌های خاص خود را دارد. در ادامه به معرفی رایج‌ترین انواع منشور می‌پردازیم:
**منشور مثلثی:**
این منشور دو قاعده مثلثی شکل دارد. وجه‌های کناری آن به شکل مستطیل هستند.
**منشور مربعی:**
در این نوع، دو قاعده به شکل مربع هستند و وجه‌های اطراف آن مستطیل شکل می‌باشند. یک جعبه کفش ساده نمونه‌ای از این منشور است.
**منشور مستطیلی:**
هر دو قاعده این منشور مستطیل شکل هستند و چهار وجه کناری آن نیز مستطیل می‌باشند. بسیاری از ساختمان‌ها و آسمان‌خراش‌ها شبیه به این منشور ساخته می‌شوند.
**منشور پنج‌ضلعی:**
این منشور دارای دو قاعده پنج‌ضلعی است. وجه‌های جانبی آن معمولاً به شکل مستطیل هستند.
**منشور شش‌ضلعی:**
همان‌طور که از نامش پیداست، دو قاعده این منشور شش‌ضلعی است. لانه زنبور یک نمونه معروف از این ساختار در طبیعت است.
**منشور کج:**
در این نوع خاص، وجه‌های کناری به صورت مایل قرار گرفته‌اند و با قاعده‌ها زاویه قائمه (۹۰ درجه) نمی‌سازند.
منشور قائم الزاویه
این منشور دارای یک سطح مقطع ساده و مثلثی شکل است که زوایای آن ۴۵، ۹۰ و ۴۵ درجه می‌باشد. اگر نور از یکی از وجه‌های کوچک آن وارد شود، در سطح وتر آن بازتاب پیدا کرده و از وجه کوچک دیگر خارج می‌شود. این اتفاق تنها زمانی رخ می‌دهد که ضریب شکست منشور از عدد ۱.۴۱۴ بیشتر باشد (n1 > 1.414)، زیرا در این حالت نور دچار بازتاب داخلی کامل می‌شود. این ویژگی یک برتری مهم منشور نسبت به آینه‌ها به شمار می‌آید.
منشور پنج وجهی
یک منشور پنج‌وجهی، نوعی منشور با انحراف ثابت است که جهت پرتو نور را دقیقاً ۹۰ درجه تغییر می‌دهد. به خاطر همین ویژگی، به آن “گونیای نوری” نیز گفته می‌شود. این نوع منشور در ساخت و تنظیم سیستم‌های نوری که در آنها مسیر پرتوهای نور باید با زاویه قائمه قطع شود، بسیار کاربرد دارد.
به دلیل اینکه زاویه برخورد نور در بازتاب اولیه، کوچک است، پدیده “بازتاب داخلی کامل” در این منشور رخ نمی‌دهد. به همین دلیل، سطح‌های بازتابنده داخل منشور پنج‌وجهی باید با لایه‌های مخصوص بازتابنده پوشش داده شوند.
منشور پورو
این منشورها از کنار هم قرار گرفتن دو منشور با زاویه قائمه ساخته می‌شوند و در پیکربندی‌هایی به کار می‌روند که مسیر نور را ۱۸۰ درجه منحرف می‌کنند. با اینکه هر یک از این منشورها به تنهایی تصویر را معکوس می‌کنند، اما وقتی در کنار هم قرار می‌گیرند، در نهایت تصویر وارونه می‌سازند. این دو منشور، مسیر یک سیستم نوری را خم می‌کنند (یعنی سیستم را از مسیر اصلی نور خارج می‌کنند) و همچنین تصویر را به اندازه نصف طول وتر، هم در جهت عرض و هم در جهت ارتفاع، جابجا می‌نمایند.
از منشور پورو می‌توان برای کوتاه کردن طول یک تلسکوپ کپلری استفاده کرد و در عین حال، یک وارونی دیگر ایجاد نمود که برای اصلاح تصویر وارونه تلسکوپ لازم است. به همین دلیل است که در بسیاری از دوربین‌های دوچشمی و سایر ابزارهای مشابه، از این نوع منشور استفاده می‌شود.
منشور دوه
یک پرتو نور که به صورت موازی با سطح پایه یک منشور وارد آن می‌شود، ابتدا در همان سطح پایه دچار شکست می‌شود و سپس در داخل، بازتاب کلی پیدا می‌کند. بعد از آن، هنگام خروج از وجه مقابل نیز دوباره شکست می‌خورد تا در نهایت به صورت پرتوی موازی با سطح پایه خارج شود. از آنجایی که بخش نوک تیز منشور، نقشی در مسیر این پرتوهای بازتابیده از قاعده ندارد، معمولاً این قسمت را می‌برند و حذف می‌کنند. به ساختاری که پس از این برش باقی می‌ماند، “منشور دوه” گفته می‌شود.
مسیری که نور در یک منشور دوه طی می‌کند، درست مانند این است که از یک صفحه شیشه‌ای ساده عبور کند. به همین دلیل، اگر نور به صورت کاملاً عمودی وارد نشود، در مسیر خود دچار پاشیدگی نمی‌شود. اگر هم پاشیدگی رخ دهد، در داخل منشور اتفاق می‌افتد و هنگام خروج از سطح دوم، دوباره جمع می‌شود.
یکی از کاربردی‌ترین ویژگی‌های منشور دوه این است که اگر آن را حول محوری موازی با جهت نور بچرخانیم، تصویری که ایجاد می‌کند، برعکس می‌شود و میزان این چرخش، دو برابر زاویه‌ای است که منشور چرخیده است. علاوه بر این، انواع بسیار زیادی از ترکیب‌های مختلف منشورها وجود دارد که برخی از آنها مخصوص و برای استفاده در دستگاه‌های نوری ویژه طراحی شده‌اند.
ساختار کلی منشور
برخلاف آینه‌ها، منشورها برای بازتاب نور به پوشش‌های فلزی یا لایه‌های خاص روی سطح خود نیاز ندارند. آینه‌ها تقریباً بدون تلفات انرژی، نور را بازمی‌تابانند و تنها مقدار بسیار کمی از نور به دلیل ناخالصی‌ها یا ناهمواری‌های سطح و نیز بازتاب‌های جزئی از بین می‌رود. نکته مهم در منشورها، تنظیم دقیق سطوح بازتابنده و استفاده از پدیده “بازتاب داخلی کامل” است. به همین دلیل، استفاده از منشورها در بسیاری از ابزارهای نوری پیشنهاد می‌شود.
با این حال، دو مشکل اصلی در استفاده از منشورها وجود دارد: هزینه و وزن. اگر سطح مقطع ورودی و خروجی منشور از ۵ سانتیمتر مربع بیشتر باشد، وزن آن به‌طور محسوسی افزایش می‌یابد. همچنین، ساخت و پرداخت شیشه ضخیم و نصب دقیق آن در جای خود، هزینه زیادی دارد. بنابراین برای سطوح بزرگتر از ۵ سانتیمتر مربع، استفاده از آینه‌ها گزینه بهتری است، یا گاهی از منشورهای پلاستیکی شفاف به عنوان جایگزین استفاده می‌شود.
به طور کلی، منشورهای با بازتاب داخلی کامل و آینه‌های تخت می‌توانند در طراحی دستگاه‌های نوری مکمل یکدیگر باشند و انتخاب بین آنها به پارامترهای مختلف طراحی بستگی دارد.
نکته پایانی این است که در ابزارهای نوری، معمولاً تمام قسمت‌های منشور مورد استفاده قرار نمی‌گیرد. پس از تنظیم منشور، تنها بخشی که در مسیر نور قرار دارد و عمل بازتاب را انجام می‌دهد، حفظ می‌شود و قسمت‌های اضافی برای کاهش وزن و حجم، برش داده شده و از دستگاه حذف می‌شوند.
روش ساخت منشور
وسایل مورد نیاز:
سه عدد بطری شیشه‌ای هم‌اندازه
چسب مخصوص درزگیری آکواریوم
مقداری آب
طرز ساخت منشور:
ابتدا سه قطعه شیشه را طوری به هم بچسبانید که شکل یک منشور درست شود. سپس با استفاده از چسب آکواریوم، لبه‌های اتصال را کاملاً آببندی کنید. بعد از خشک شدن چسب، داخل محفظه را با آب پر کنید. به همین سادگی منشور شما آماده استفاده است!
نحوه ساخت منشور توسط نیوتن
آیزاک نیوتن در جوانی بسیار خوش‌شانس بود که توانست یک منشور شیشه‌ای تهیه کند تا بتواند نور خورشید را بررسی کند. شاید شما هم به همین اندازه خوش‌شانس باشید. اما اگر منشور در دسترس ندارید، در اینجا روشی ساده برای ساختن یک منشور خانگی به شما آموزش داده می‌شود. وسایل مورد نیاز عبارت‌اند از:
– یک ظرف کم‌عمق پر از آب (ترجیحاً شیشه‌ای برای نتیجه بهتر)
– یک برگ کاغذ یا مقوای سفید
– یک آینه تخت
– یک جسم سنگین مثل سنگ برای ثابت نگه داشتن آینه
روش کار:
ظرف آب را در جلوی پنجره و زیر نور مستقیم خورشید قرار دهید. کاغذ سفید را به صورت ایستاده بین پنجره و ظرف آب بگذارید. سپس آینه را داخل آب قرار دهید و با سنگ آن را ثابت نگه دارید. زاویه آینه را طوری تنظیم کنید که یک رنگین‌کمان زیبا روی کاغذ تشکیل شود.
چه اتفاقی می‌افتد؟
رنگین‌کمانی که مشاهده می‌کنید، در واقع طیف نور سفید است؛ یعنی هفت رنگی که در کنار هم نور سفید را می‌سازند. قبل از انتشار کتاب معروف نیوتن در زمینه نور، بیشتر دانشمندان فکر می‌کردند منشور، رنگ‌های جدیدی به نور اضافه می‌کند. اما نیوتن ثابت کرد که نور سفید خود از ترکیب این هفت رنگ تشکیل شده است.
وقتی آینه را داخل آب قرار می‌دهید، لایه آب مانند یک منشور عمل کرده و نور را تجزیه می‌کند. در نتیجه، طیف رنگ‌ها روی کاغذ نمایان می‌شود. حالا فکر می‌کنید اگر به آب، رنگ‌های آبی، قرمز یا زرد اضافه کنید چه اتفاقی می‌افتد؟ حتماً این آزمایش جالب را انجام دهید.
پیشنهاد: درباره پدیده شکست نور و دلیل آن بیشتر تحقیق کنید.