الضوء و الانكسار

مقدمــة

من المعروف أن علم الفيزياء عرفه العرب بعلم الطبيعيات ومن فروع هذا العلم التي كان للعرب دورا عظيما فيها ( فيزياء الضوء ) ويعتبر عبقري العرب (( الحسن بن الهيثم )) ( 965 م – 1039 م ) منشىء علم الضوء بلا منازع ولا يقل أثره في علم الضوء عن أثر نيوتن في علم الميكانيكا ويعتبر كتابه المناظر المرجع لفيزياء الضوء لعدة قرون وقد وضع ابن الهيثم القوانين الأساسية لانعكاس الضوء وانكساره وفسر الرؤية المزدوجة وظاهرة السراب ولكن أهم انجازاته كانت الخزانة ذات الثقب والتي تعتبر البداية والمقدمة لاختراع الكاميرا وصولا الى عصر المعلوماتية الان وما نستخدمه من أوساط متعددة

الضوء : موجات كهرومغناطيسية تنتقل في الفراغ بسرعة تساوي 300 ألف كيلومتر في الثانية وتتوقف طاقة موجات الضوء على تردد هذه الموجات فكلما زاد تردد موجة الضوء زادت طاقتها

كلمتين ( حرص خزين ) حيث يمثل كل حرف الحرف الثاني من اسم اللون وهي مرتبة تصاعديا حسب التردد ( أحمر – برتقالي – أصفر – أخضر – أزرق – نيلي – بنفسجي )وتعتبر الشمس أكبر مصدر للطاقة الضوئية

طبيعة الضوء

مقدمة تاريخية : بما أن الضوء يملك طاقة وينقلها في الفضاء وبما أن الطاقة تنقل إما بالاجسام أو بالموجات اذا يوجد فرضيتين حول طبيعة الضوء هما ( النظرية الجسيمية الدقائقية لنيوتن ) ( النظرية الموجية للعالم الهولندي هيجنز ) ولكن لم تسطع هاتين النظريتين تفسير جميع الظواهر البصرية مما استوجب وضع نظرية توحد بين الخواص الموجية والجسيمية للضوء هي النظرية الكمية ونذكر هنا بلانك واينشتين وبوهر

خواص الضوء

الخواص الهندسية [الانتشار في خطوط مستقيمة – السرعة المحدودة – الانعكاس – الانكسار – التشتت ]
الخواص الموجية [ التداخل – الحيود – الخاصية الكهرومغناطيسية- الاستقطاب – الانكسار المزدوج ]
الخاصية الكمية [ المدارات الذرية – كثافات الاحتمالية – مستويات الطاقة – الكمات – الليزر ]

انعكاس الضوء

انعكاس الضوء : ارتداد الأشعة الضوئية في نفس الوسط عندما تقابل سطحا عاكسا
الشعاع الساقط هو الشعاع الذي يصل الى السطح العاكس
الشعاع المنعكس هو الشعاع الذي يرتد عن السطح العاكس

زاوية السقوط هي الزاوية المحصورة بين الشعاع الساقط والعمود المقام من نقطة السقوط على السطح العاكس
زاوية الانعكاس هي الزاوية المحصورة بين الشعاع المنعكس والعمود المقام من نقطة السقوط على السطح العاكس

قانونا الانعكاس

Laws of Reflection
القانون الأول زاوية السقوط = زاوية الانعكاس
القانون الثاني الشعاع الضوئي الساقط والشعاع الضوئي المنعكس والعمود المقام من نقطة السقوط على السطح العاكس تقع جميعا في مستوى واحد عمودي على السطح العاكس

بعض المصطلحات الهامة في الضوء

انكسار الضوء

هو تغير اتجاه الشعاع الضوئي عندما يجتاز السطح الفاصل بين وسطين شفافين مختلفين

الكثافة الضوئية لوسط ما

هو المقدار الذي يميز اعتماد سرعة انتشار الضوء على نوع الوسط وتقاس بالقيمة العددية لمعامل الانكسار المطلق للوسط أو هي قدرة الوسط على كسر الأشعة الضوئية عند نفاذها فيه

السطح الفاصل

هو السطح الذي يفصل بين وسطين شفافين مختلفين في الكثافة الضوئية

الشعاع الضوئي الساقط

هو الشعاع المتجه الى السطح الفاصل ويقابله في نقطة السقوط

زاوية السقوط

هي الزاوية المحصورة بين الشعاع الضوئي الساقط والعمود المقام من نقطة السقوط على السطح الفاصل

الشعاع الضوئي المنكسر

هو المسار الجديد للشعاع الضوئي في الوسط الثاني بعد نفاذه من السطح الفاصل

زاوية الانكسار

هي الزاوية المحصورة بين الشعاع الضوئي المنكسر والعمود المقام من نقطة السقوط على
السطح الفاصل

قانون الانكسار الأول

نسبة جيب زاوية السقوط الى جيب زاوية الانكسار لوسطين معينين هي مقدار ثابت يعرف بمعامل الانكسار النسبي بين الوسطين

قانون الانكسار الثاني

يقع الشعاع الساقط والشعاع المنكسر في مستوى واحد مع العمود المقام من نقطة سقوط الشعاع على السطح الفاصل بين الوسطين

معامل الانكسار النسبي بين وسطين

هو النسبة بين سرعة الضوء في الوسط الأول وسرعة الضوء في الوسط الثاني

معامل الانكسار المطلق لوسط

هو النسبة بين سرعة الضوء في الفراغ أو الهواء وسرعة الضوء في هذا الوسط

قانون سنل

ناتج ضرب معامل الانكسار المطلق للوسط الأول في جيب زاوية السقوط يساوي ناتج ضرب معامل الانكسار المطلق للوسط الثاني في جيب زاوية الانكسار

ملاحظات هامة 1 –
من القانون الأول يتضح أن بزيادة زاوية السقوط تزداد زاوية الانكسار ولكن ليس بصورة متناسبة

2- للشعاعين الساقط والمنكسر خاصية انعكاسية
3- عند عبور شعاع الضوء من وسط كثافته البصرية أقل – السرعة فيه أعلى – الى وسط كثافته البصرية أعلى – السرعة فيه أقل – فانه ينكسر مقتربا من العمود
4- عند عبور شعاع الضوء من وسط السرعة فيه أقل الى وسط السرعة فيه أعلى – من ماء الى هواء – فان الشعاع ينكسر مبتعدا عن العمود ومقتربا من السطح الفاصل وفي هذه الحالة يكون معامل الانكسار النسبي بين الماء والهواء أصغر من الواحد وهذا الذي يفسر النقص الظاهري لعمق خزان الماء عندما ينظر الانسان الى الماء
5 – اذا سقطت الأشعة الضوئية على السطح الفاصل بين وسطين شفافين بصورة عمودية فانها تنفذ الى الوسط الثاني دون أن تنكسر

6- عند سقوط حزمة ضوء رفيعة من الهواء الى الماء نلاحظ أنه في نقطة السقوط ينعكس جزء من الضوء وينفذ الجزء الاخر في الماء منكسرا وبالتالي تكون هناك زاوية سقوط وزاوية انعكاس وزاوية انكسار ونسأل هنا سؤال كم من الطاقة التي ينقلها الاشعاع الى السطح الفاصل بين الوسطين تؤخذ من قبل الاشعة المنعكسة وكم من الطاقة تؤخذ من قبل الاشعة المنكسرة ؟ للاجابة على هذا السؤال نفرض أن الاشعاع يحمل الى نقطة السقوط خلال فترة زمنية معينة طاقة ولتكن E بعد ذلك تنقسم هذه الطاقة فيكون نصيب الاشعة المنعكسة منها E refl بينما نصيب الاشعة المنكسرة E refr ومن قانون حفظ الطاقة نجد أن الطاقة الساقطة تساوي مجموع الطاقتين التي تحملها الاشعة المنعكسة والتي تحملها الاشعة المنكسرة وبما أن كل وسط ما عدا الفراغ يمتص من طاقة الاشعاع اذا لا تصلح هذه المساوة الا عند القياس بالقرب من نقطة السقوط فاذا عبر الشعاع الضوئي لمسافات كبيرة من الوسط ولم يضعف الا بشيء صغير نسمي هذا الوسط وسطا شفافا مثل الزجاج والماء والكحول وبالعكس تمتص المعادن بشدة كبيرة الاشعاع الضوئي الذي ينفذ اليها بمعنى أنها ليست شفافة بالنسبة له وتعكس القسم الاعظم من الاشعاعات التي تسقط عليها ونلاحظ هنا أن كل وسط بدرجة أو بأخرى يعكس ويمتص الاشعاع الضوئي ويعتمد انعكاس وامتصاص الاشعاع الساقط على الجسم على – نوع المادة – حالة السطح – تركيب الاشعاع – زاوية السقوط – حيث عند زيادة زاوية سقوط الاشعة يزيد نصيب الضوء المنعكس وينقص نصيب الضوء المنكسر ونلاحظ أيضا اعتماد الانعكاس والامتصاص على تردد الموجات يكون له طبيعة اختيارية أي أن المادة تعكس أو تمتص بقوة ذبذبات بتردد معين وتضعف ذبذبات بتردد اخر وعلى سبيل المثال يمتص الغلاف الجوي للارض الموجات ذات الطول الموجي القصير من الطيف المرئي بقوة ( وهذا من نعمة الله علينا ) بينما يمتص الموجات الطويلة أضعف بكثير وهنا أطرح سؤالا لماذا نستخدم الضوء الأحمر للاشارة الى الخطر وأيضا للتنبيه على الرغم من أن العين حساسة أكثر للاشعة الخضراء ؟

تشكل المرآيا الكرية غالبية الأسطح المنحنية العاكسة والمرآة الكرية جزء من سطح كرة كما هو
موضح بشكل .

فإذا كان السطح الخارجى ( المحدب ) هو السطح العاكس سميت المرآة محدبة convex ( شكل 21) أما إذا كان السطح الداخلى ( المقعر ) هو السطح العاكس سميت المرآة مقعرة concave ( شكل 22 ) . والسطوح الكريه لها القدرة على تكوين الصور مثل العدسات ولكن بالانعكاس .

وأحيانا كثيرة تفضل المرايا الكرية عن العدسات فى صناعة الأجهزة لعدة أسباب منها سهولة إمكانية صناعة المرآة ذات القطر الكبير وعدم امتصاص الأشعة خاصة الفوق بنفسجية و تحت الحمراء و بالتالى إمكانية استخدامها فى مناطق الطيف المختلفة دون حدوث امتصاص
..

بعض المصطلحات التى يجب معرفتها :

مركز تكور المرآة : و هو مركز الكرة التى تكون المرآة جزء منها أو التى قطعت منها المرآة .
قطب المرآة : هى النقطة التى تتوسط السطح العاكس للمرآة الكرية.
نصف قطر تكور المرآة ( r ) : هو المسافة بين مركز تكور المرآة و أى نقطة على سطحها.
المحور الأصلى للمرآة : هو المستقيم المــار بمركز تكور المرآة و قطب المرآة .
المحورالثانوى للمرآة : هو المستقيم المار بمركز تكور المرآة و أى نقطة على سطحها .
بؤرة المــرآة : إذا سقطت على المرآة حزمه من الأشعة المتوازية والموازية لمحورها الأصلى وقريبة منه فإنها تنعكس بحيث تتجمع فى نقطة على المحور الأصلى فى حالة المرآة المقعرة أو بحيث تتجمع إمتداداتها خلف السطح العاكس و على المحور الأصلى فى حالة المرآة المحدبة و تسمى البؤرة الأصلية للمرآة principal focus و تسمى بؤرة حقيقية real focus فى حالة المرآة المقعرة و بؤرة تقديرية virtual focus فى حالة المرآة المحدبة .
البعد البؤرى : و هو المسافة بين البؤرة وقطب المرآة و البعد البؤرى يساوى نصف نصف تكور المرآة .

الصور المتكونة فى المرآة المقعرة

إذا وضع جسم أمام مرآه مقعرة فإن الأشعة الضوئية التى تخرج من كل نقطة من نقاط الجسم تنعكس على المرآة حسب قانونى الانعكاس وتكون هى أو إمتداداتها نقطة مقابلة فى الصورة .

ويمكن تحديد موضع الصورة ومواصفاتها باستخدام ثلاثة أشعة ( شكل 23 ) سهلة التتبع وهى كالآتى :
الشعاع الأول (1) : الشعاع الموازى للمحور الأصلى للمرآة والقريب منه ينعكس ماراً بالبؤرة الأصلية F

الشعاع الثانى (2) : الشعاع المار بالبؤرة الأصلية ينعكس موازياً لمحور المرآة .

الشعاع الثالث (3) : الشعاع الذى يسقط على المرآة ماراً بمركز تكورها يسقط عمودياً عليها وينعكس على نفسه . وفى الواقع فإنه يكفى استخدام اثنين فقط من هذه الأشعة لتحديد الصورة المتكونة عن المرآة .

الصورة الحقيقية والصورة التقديرية :

إذا تجمعت الأشعة بعد انعكاسها على المرآة فإن الصورة تكون حقيقية real image ويمكن استقبالها على حائل . وإذا سقطت امتدادات هذه الأشعة على العين فإن العين ترى هذه الصورة الحقيقية و كأنها جسما حقيقيا أما إذا كانت الأشعة المنعكسة على المرآة متفرقة فإنه لا يمكن استقبال الصورة على حائل ولكن العين تتخيل الصورة عند تلاقى امتداد هذه الأشعة المتفرقة خلف المرآة وتكون الصورة فى هذه الحاله تقديرية vertual image .

وبصفة عامه يعتمد موضوع تكون الصورة ومواصفاتها على بعد الجسم عن المرآة وهناك الحالات العامة الآتية :

1- إذا كان الجسم على مسافة من المرآة أكبر من نصف قطر تكورها ( أكبر من ضعف البعد البؤرى ) تكون الصورة مصغرة مقلوبة وتقع بين مركز تكور المرآة والبؤرة .
2- إذا كان الجسم فى مركز تكور المرآة تكونت له صورة حقيقية عند مركز التكور ( منطبقة على جسم ) وتكون مقلوبة ومساوية للجسم فى الحجم .
3- إذا كان الجسم بين البؤرة ومركز التكور تكونت له صورة حقيقية مكبرة مقلوبة على مسافة من المرآة أكبر من نصف قطر تكورها .
4- إذا كان الجسم فى البؤرة انعكست الأشعة الساقطة منه على المرآة متوازية وتكون الصورة فى ما لانهاية .
5- أما إذا كان الجسم على مسافة من المرآة أقل من البعد البؤرى فإن الأشعة الساقطة منه على المرآة تنعكس متفرقة وتراها العين خلف المرآة معتدلة مكبرة تقديرية عند نقطه تلاقى امتداد الأشعة المنعكسة

الصورة الحقــــيقية – ( قاعة الضوء- مركز سوزان مبارك الاستكشافى للعلوم ) :

يمكنك التأكد بنفسك من تكون الصورة الحقيقية إذا وقفت أمام هذه المرآة المقعرة الكبيرة والمزودة بـمـصدر إضاءة عند حافتها.
ضع يدك أمام المرآة وحركها على محور المرآة بعداً وقرباً عنها . تلاحظ أنه إذا كانت اليد قريبة من المرآة تكونت صورة معتدلة مكبرة لليد . أمـا إذا أبعدت اليد عن المرآة تصبح الصورة مقلوبة وعند نقطة معينة نرى الصورة مساوية لليد تماما .
إذا وضعت اليد ( الجسم ) على مسافة من المرآة أقل من بعدها البؤرى تتكون صورة تقديرية معتدلة مكبرة . أما إذا زادت المسافة بين الجسم والمرآة عن البعد البؤرى لها تكون الصورة المتكونة مقلوبة وحقيقية لأنـه فى هذه الحالة تتجمع الأشعة المنعكسة على المرآة لتـكون هـذه الصــورة فى الهـواء .

و يصل امتداد الأشــعة للعين وتساوى الصورة الجسم وتنطبق عليه إذا كان الجسم فى مركز تكون المرآة.
.

تنعكس الأشعة متفرقة وترى العين صورة الجسم عند نقطة تلاقى امتداد هذه الأشعة أى أن الأشعة التى تصل إلى العين لا تخرج من الصورة ولذلك فإن هذه الصورة تكون تقديرية ويتخيلها العقل كأنها صادرة من الصورة خلف المرآة بالإضافة إلى ذلك فالصورة المتكونة عن المرآة المحدبة تكون فى جميع الأحوال مصغرة

خصائص الضوء:

الانعكاس

تكون الأخيلة في المرايا:

المرايا الكروية:

يكون السطح العاكس في المرايا الكروية جزءاً من سطح كرة جوفاء. ويطلق على المرآة الكروية محدبة إذا كان السطح العاكس هو السطح الخارجي. أما إذا كان سطحها العاكس هو الداخلي فحينئذ تسمى مرآة مقعرة.
وللتعرف على صفات الصور المتكونة في المرايا الكروية يلزم تعريف المصطلحات التالية : 1- قطب المرآة ( ق ) : هو مركز سطح المرآة .
2- مركز التكور( م ) : هو مركز الكرة التي تكون المرآة جزءاً منها ويكون أمام المرآة المقعرة وخلف المرآة المحدبة.
3- نصف قطر التكور( نق ): هو نصف قطر الكرة التي أخذت منها المرآة وهي المسافة ق م على الرسم.
4- المحور الرئيسي: هو الخط الذي يصل بين قطب المرآة ( ق ) ومركز التكور( م ).
5- البؤرة المرآة ( ب): هي النقطة التي تتجمع فيها الأشعة المتوازية الساقطة على المرآة المقعرة بعد انعكاسها ( بؤرة حقيقية ). وهي أيضاً النقطة خلف المرآة المحدبة والتي تبدو الأشعة خارجة منها بعد سقوط أشعة متوازية على سطح المرآة ( بؤرة وهمية ) .
6- البعد البؤري( ع ): هو المسافة بين قطب المرآة ( ق ) وبؤرة المرآة ( ب ). تكون الصور في المرايا الكروية:
أولاً: المرايا المقعرة
نستطيع التعرف على صفات الصور المتكونة في المرآة المقعرة عن طريق التجربة في المختبر. إلا أننا يمكن أن نحصل على هذه الصفات عن طريق الرسم الدقيق وذلك باتباع قاعدتين من القواعد الثلاث المدرجة أدناه.
1- الشعاع الساقط موازياً للمحور الرئيس ينعكس ماراً بالبؤرة.
2- الشعاع الساقط ماراً بمركز التكور ينعكس على نفسه.
3- الشعاع الساقط ماراً بالبؤرة ينعكس موازياً للمحور الرئيسي.

ثانياً: المرآة المحدبة:

للتعرف على صفات الصورة المتكونة في المرآة المحدبة نتبع نفس القواعد السابقة ولكن من إجراء تعديل بسيط عليها لتصبح:
1- الشعاع الموازي للمحور الرئيس للمرآة ينعكس عنها بحيث يمر امتداده بالبؤرة.
2- الشعاع الساقط على سطح المرآة, بحيث يمر امتداده بالبؤرة فينعكس عنها, ويوازي محورها الرئيسي.
3- الشعاع الذي يسقط على سطح المرآة, بحيث يمر امتداده بمركز تكورها ينعكس على نفسه.
مهما كان بعد الجسم عن المرآة المحدبة فإن صفات الصورة لا تتغير وللتعرف على هذه الصفات نتبع الخطوات التالية :
تكون الأخيلة في المرايا:
1- المرايا المستوية:
للتعرف على صفات الخيال المتكون باستخدام مرآة مستوية للجسم (أب).
أ- نسقط الشعاع الأول عمودياً على السطح العاكس فينعكس على نفسه.
ب- نسقط الشعاع الثاني بزاوية سقوط معينة وينعكس الشعاع بنفس الزاوية فنلاحظ امتداده داخل المرآة.
ج- عند نقطة التقاء الشعاعين يكِّون رأس الجسم الموضوع أمام المرآة.
– قس المسافة بين : الجسم ، المرآة والصفات الخيال المتكون:
1- طول الجسم = طول الخيال
2- بعد الجسم عن المرآة = بعد الخيال عن المرآة
3- الخيال مقلوب جانبياً
4- يكون الخيال وهمياً داخل المرآة أي لا يمكن استقباله على حاجز
خيال ، المرآة

انتشار الضوء في خطوط مستقيمة

1- انتشار الضوء في خطوط مستقيمة (مبدأ فيرما).
ينبعث الضوء من المصدر بخطوط مستقيمة , ويطلق على اتجاه سير الضوء اسم " الشعاع الضوئي". لقد صاغ العالم فيرما هذه الحقيقة على شكل قانون يسمى مبدأ فيرما "عندما ينتقل الضوء من نقطة إلى أخرى, فإنه يسلك المسار الذي يحتاج في أقل زمن ممكن".
ولإثبات هذه الحقيقة سنقوم بإجراء النشاط رقم (1):
نشاط رقم (1)
الأدوات اللازمة: شمعة- ثلاث قطع كرتون مربعة (15سم ×15سم) في مركزها ثقب صغير- ثلاث قطع خشبية لتثبيت قطع الكرتون.

خطوات إجراء التجربة:

1- ضع قطع الكرتون بعد تثبيتها باستخدام القطع الخشبية فوق سطح الطاولة.
2- اجعل الثقوب الثلاث في القطع على نفس الخط المستقيم.
3- هل تستطيع رؤية ضوء الشمعة من الجهة الأخرى؟
4- الآن حرك أحد قطع الكرتون بحيث لا تصبح الثقوب على استقامة واحدة وحاول رؤية ضوء الشمعة مرة أخرى.
ما هو الشرط اللازم حتى تستطيع رؤية ضوء الشمعة؟
2- مبدأ استقلال الأشعة:
عندما تتقاطع الأشعة الضوئية فإن أحداً منها لا يؤثر على الآخر, بل يواصل كل منها السير في اتجاهه دون أن يتأثر بالإشعاع الآخر.