انكسار الضوء
6-1 انكسار الضوء
Refraction of Light
تجربة استهلالية
كيف يبدو قلم رصاص موضوع في سائل عند النظر إليه جانبيًا؟
سؤال التجربة
هل يبدو قلم الرصاص مختلفًا عندما يشاهد خلال الماء، أو الزيت، أو شراب الذرة؟
الخطوات
- املأ دورقًا سعته 400 ml بالماء.
- املأ دورقًا آخر سعته 400 ml بشراب الذرة إلى منتصفه، والنصف الآخر بالماء، اسكب ببطء لتجنب امتزاج السائلين.
- املأ دورقًا ثالثًا سعته 400 ml بالماء إلى منتصفه، والنصف الآخر بزيت طهي، اسكب ببطء لتجنب امتزاج السائلين.
- ضع قلم رصاص في كل دورق بصورة مائلة.
- لاحظ كل قلم من جانب الدورق مع تدويره ببطء.
- أنشئ جدول بيانات لتتمكن من تسجيل وصف حول شكل قلم الرصاص في كل دورق.
الصورة التابعة لهذه الفقرة:
تجربة_استهلالية_قلم_الرصاص_في_الماء_والزيت_وشراب_الذرة.png
التحليل
أي الدوارق يبدو فيها القلم كأنه مكسور؟ وهل مقادير الكسر متساوية في الدوارق جميعها؟ ومتى لا يظهر القلم مكسورًا؟ وضح ذلك.
التفكير الناقد
ضع فرضية حول متى تبدو الأجسام الصلبة كأنها مكسورة، ومتى لا تبدو كذلك، وتأكد من أن تتضمن تفسيرًا لمقدار الانكسار.
6-1 انكسار الضوء
Refraction of Light
رابط الدرس الرقمي
[www.ien.edu.sa](http://www.ien.edu.sa)
الأهداف
بعد دراسة هذا الدرس يتوقع أن تكون قادرًا على أن:
- تحل مسائل تتضمن مفهوم الانكسار في السطوح المستوية والعدسات.
- توضح مفهوم الانعكاس الكلي الداخلي.
- توضح بعض التطبيقات البصرية المبنية على انكسار الضوء.
المفردات
| المفردة |
| ---------------------- |
| معامل الانكسار |
| قانون سنل في الانكسار |
| الزاوية الحرجة |
| الانعكاس الكلي الداخلي |
| التفريق، التحليل |
مقدمة الدرس
يمكنك رؤية انعكاس ضوء الشمس عن الماء عند النظر إلى سطح الماء في بركة سباحة في يوم صيفي. كما يمكنك رؤية الأجسام الموجودة داخل البركة؛ لأن جزءًا من ضوء الشمس يمر إلى داخل الماء، وينعكس عن الأجسام.
وعندما تمعن النظر في الأجسام الموجودة داخل الماء تلاحظ أنها تبدو مشوهة. فمثلًا، تبدو الأشياء التي تحت سطح الماء أقرب من بعدها الحقيقي، كما تبدو قدما الشخص الواقف في البركة أنهما تتحركان إلى الخلف وإلى الأمام، وتبدو الخطوط التي في قاع البركة تتمايل مع حركة الماء.
وتحدث هذه التأثيرات لأن الضوء يغير اتجاهه عند مروره من الماء إلى الهواء أو العكس.
ينحني مسار الضوء، كما تعلمت سابقًا، عند عبوره الحد الفاصل بين وسطين بسبب الانكسار. ويعتمد مقدار الانكسار على خصائص الوسطين الشفافين، وعلى الزاوية التي يسقط بها الضوء على الحد الفاصل.
ويتحرك الحد الفاصل بين الهواء والماء إلى أعلى وإلى أسفل، ويميل إلى الخلف والأمام أيضًا، عند انتقال الموجات على سطح الماء. وينحرف مسار الضوء الخارج من الماء مع حركة الحد الفاصل، مما يؤدي إلى ظهور الأجسام متموجة تحت سطح الماء.
قانون سنل في الانكسار
Snell’s Law of Refraction
ما الذي يحدث عندما تسقط حزمة ضوء بشكل مائل على سطح قطعة زجاج؟ سينحرف الضوء عن مساره عند مروره بالحد الفاصل بين الهواء والزجاج كما في الشكل 6-1.
ويسمى انحراف الضوء الانكسار، وقد درس هذه الظاهرة رينيه ديكارت وويلبرورد سنل في زمن كبلر وجاليليو.
ولمناقشة نتائج هذه الدراسات ينبغي عليك أن تعرف زاويتين هما:
| الزاوية | تعريفها |
| ----------------- | -------------------------------------------------------- |
| زاوية السقوط θ₁ | الزاوية المحصورة بين العمود المقام واتجاه الشعاع الساقط |
| زاوية الانكسار θ₂ | الزاوية المحصورة بين العمود المقام واتجاه الشعاع المنكسر |
وقد وجد سنل في عام 1621 أنه عند مرور الضوء من الهواء إلى وسط شفاف فإن جيب كل زاوية يرتبط بالمعادلة:
n = sin θ₁ / sin θ₂
حيث تمثل n مقدارًا ثابتًا يعتمد على المادة، ولا يعتمد على الزوايا، يسمى معامل الانكسار.
ويبين الجدول 6-1 معاملات انكسار بعض المواد. ويمكن تعميم معادلة سنل عندما يمر الضوء خلال حد فاصل بين أي مادتين شفافيتين مختلفتين. وتعرف هذه المعادلة العامة بقانون سنل في الانكسار.
يبين الشكل 6-1 كيفية تطبيق قانون سنل عندما ينتقل الضوء خلال قطعة زجاج سطوحها متوازية، مثل زجاج النافذة، حيث ينكسر الضوء مرتين؛ مرة عند دخوله إلى الزجاج، ومرة أخرى عند خروجه منه.
وعندما ينتقل الضوء من الهواء إلى الزجاج فإنه ينتقل من مادة ذات معامل انكسار قليل إلى مادة معامل انكسارها أكبر؛ أي أن:
n₁ < n₂
ولكي تكون المعادلة متساوية الطرفين فإنه يجب أن يكون:
sin θ₁ > sin θ₂
أي أن حزمة الضوء تنحرف مقتربة من العمود المقام على السطح.
ويحدث العكس عندما ينتقل الضوء من الزجاج إلى الهواء، حيث يمر من مادة ذات معامل انكسار كبير إلى مادة معامل انكسارها أقل؛ أي أن:
n₁ > n₂
وفي هذه الحالة تكون:
sin θ₁′ < sin θ₂′
أي أن الضوء ينحرف مبتعدًا عن العمود المقام.
لاحظ أيضًا أن اتجاه الشعاع عند خروجه من الزجاج هو نفسه كما كان قبل أن يسقط على الزجاج، ولكنه انزاح عن موضعه الأصلي.
قانون سنل في الانكسار
n₁ sin θ₁ = n₂ sin θ₂
حاصل ضرب معامل انكسار الوسط الأول في جيب زاوية السقوط يساوي حاصل ضرب معامل انكسار الوسط الثاني في جيب زاوية الانكسار.
الشكل 6-1
ينحرف الضوء مقتربًا من العمود المقام على نقطة السقوط عند انتقاله من الهواء إلى الزجاج، وينحرف مبتعدًا عن العمود المقام عند انتقاله من الزجاج إلى الهواء (a). انحراف الضوء يجعل الأجسام وكأنها مزاحة عن مواقعها الحقيقية (b).
ملاحظة الشكل: يكون وسط الانكسار والعدسات باللون الأزرق الفاتح.
الصورة التابعة لهذه الفقرة:
الشكل_6-1_انكسار_الضوء_خلال_قطعة_زجاج.png
الجدول 6-1
معاملات الانكسار للضوء الأصفر
في الفراغ:
λ = 589 nm
الصورة التابعة لهذه الفقرة:
الجدول_6-1_معاملات_الانكسار_للضوء_الأصفر.png
| الوسط | معامل الانكسار n |
| -------------- | ---------------: |
| الفراغ | 1.00 |
| الهواء | 1.0003 |
| الماء | 1.33 |
| الإيثانول | 1.36 |
| زجاج العدسات | 1.52 |
| الكوارتز | 1.54 |
| الزجاج الصواني | 1.62 |
| الألماس | 2.42 |
مثال 1
زاوية الانكسار
تسقط حزمة ضوء من الهواء على قطعة من زجاج العدسات بزاوية 30.0°. ما مقدار زاوية الانكسار؟
الصورة التابعة لهذه الفقرة:
مثال_1_زاوية_الانكسار_في_زجاج_العدسات.png
1. تحليل المسألة ورسمها
- مثل الحد الفاصل بين الهواء وزجاج العدسات.
- ارسم مخطط الأشعة.
المعلوم
θ₁ = 30.0°
n₁ = 1.00
n₂ = 1.52
المجهول
θ₂ = ?
2. إيجاد الكمية المجهولة
استخدم قانون سنل لإيجاد زاوية الانكسار:
عرض مستخدماً
n1 =1.00،n2=1.52،θ1=30.0°
n₁ sin θ₁ = n₂ sin θ₂
إذن:
sin θ₂ = (n₁ / n₂) sin θ₁
ومنها:
θ₂ = sin⁻¹ [(n₁ / n₂) sin θ₁]
بالتعويض:
θ₂ = sin⁻¹ [(1.00 / 1.52) sin 30.0°]
θ₂ = 19.2°
3. تقويم الجواب
هل الوحدات صحيحة؟
يعبر عن الزوايا بالدرجات.
هل الجواب منطقي؟
إن معامل الانكسار n₂ أكبر من معامل الانكسار n₁، لذا تكون زاوية الانكسار θ₂ أقل من زاوية السقوط θ₁.
مسائل تدريبية
الصورة التابعة لهذه الفقرة:
مسائل_تدريبية_1_3_قانون_سنل_والانكسار.png
1
أسقطت حزمة ليزر في الهواء على إيثانول بزاوية 37.0°. ما مقدار زاوية الانكسار؟
2
ينتقل ضوء في الهواء إلى داخل الماء بزاوية 30.0° بالنسبة للعمود المقام. أوجد مقدار زاوية الانكسار.
3
غمر قالب من مادة غير معروفة في الماء. أسقط عليه ضوء بزاوية 31°، فكانت زاوية انكساره في القالب 27°. ما معامل الانكسار للمادة المصنوع منها القالب؟
تطبيق: لون القمر في الخسوف
يرجع اللون الأحمر للقمر خلال مرحلة خسوفه إلى الانكسار؛ إذ يحدث خسوف القمر عندما تحجب الأرض ضوء الشمس عن القمر.
ونتيجة لهذا، قد تتوقع أن يصبح القمر معتمًا تمامًا، ولكن ما يحدث هو أن الضوء ينكسر خلال الغلاف الجوي للأرض، وينحرف حول الأرض في اتجاه القمر.
ولأن الغلاف الجوي للأرض يشتت معظم الضوء الأزرق والأخضر لذا ينير اللون الأحمر أغلب القمر. وبما أن القمر يعكس معظم ألوان الضوء بالدرجة نفسها فإنه يعكس الضوء الأحمر إلى الأرض، فيظهر القمر باللون الأحمر.
النموذج الموجي في الانكسار
Wave Model of Refraction
طور النموذج الموجي للضوء بعد 200 عام تقريبًا من نشر سنل لبحثه.
وتم التوصل بعد 300 عام من عمل سنل إلى فهم أن الضوء يتفاعل مع الذرات عند انتقاله خلال الوسط، كأن يتحرك بسرعة أقل مما هو في الفراغ.
ويمكن كتابة علاقة الموجة التي درستها سابقًا، التي تخص انتقال موجة الضوء في الفراغ، على النحو الآتي:
λ₀ = c / f
وفي أي وسط:
λ = v / f
حيث تمثل v سرعة الضوء في أي وسط، وتمثل λ الطول الموجي.
ولا يتغير تردد الضوء f عندما يعبر الحد الفاصل؛ أي أن عدد الاهتزازات لكل ثانية التي تصل الحد الفاصل هي نفسها التي تخرج من الحد الفاصل وتنتقل خلال وسط الانكسار.
لذا يجب أن يقل الطول الموجي للضوء λ عندما تقل سرعة الضوء؛ فيكون الطول الموجي للضوء في أي وسط أقصر من الطول الموجي له في الفراغ.
ما الذي يحدث عندما ينتقل الضوء من وسط يتحرك فيه بسرعة أكبر إلى وسط يتحرك فيه بسرعة أقل كما في الشكل 6-2a؟
للإجابة عن ذلك انظر إلى الشكل 6-2b الذي يبين حزمة ضوئية مكونة من سلسلة متوازية من مقدمات الموجات المستقيمة، حيث تمثل كل مقدمة موجة قمة الموجة وتكون متعامدة مع اتجاه الحزمة الضوئية التي تسقط على السطح بالزاوية θ₁.
Q و P ﺗﺴﺎوي المسافة بين sin θ1θ1 . ﻟﺬا ﻓﺈن
R و P ﻣقسومة على المسافة بين
وبما أن مقدمات الموجة تعامد اتجاه الحزمة، فإن:
∠PQR
في المثلث PQR تكون زاوية قائمة، و:
∠QRP = θ₁
لذا فإن:
sin θ₁ = PQ / PR
وترتبط زاوية الانكسار θ₂ بالطريقة نفسها مع المثلث PSR، وفي هذه الحالة:
sin θ₂ = RS / PR
ومن خلال حساب نسبة الجيب للمثلثين فإن PR تلغى وتبقى المعادلة الآتية:
sin θ₂ / sin θ₁ = RS / PQ
رسم الشكل 6-2b بحيث كانت المسافة بين P و Q مساوية لثلاثة أطوال موجية للضوء في الوسط 1؛ أي أن:
PQ = 3λ₁
وبالطريقة نفسها فإن:
RS = 3λ₂
وبتعويض هاتين القيمتين في المعادلة السابقة واختصار العامل المشترك، الرقم 3، تنتج معادلة تربط زاويتي السقوط والانكسار بالطول الموجي للضوء في كل وسط:
sin θ₂ / sin θ₁ = 3λ₂ / 3λ₁ = λ₂ / λ₁
وبالتعويض عن الطول الموجي بـ:
λ = v / f
في المعادلة أعلاه وإلغاء العامل المشترك f، يمكننا إعادة كتابة المعادلة على الشكل الآتي:
sin θ₂ / sin θ₁ = v₂ / v₁
كما يمكن أيضًا كتابة قانون سنل في صورة نسبة لمعاملي انكسار الوسطين:
sin θ₂ / sin θ₁ = n₁ / n₂
الشكل 6-2
ينتقل الضوء من الهواء إلى الزجاج ثم إلى الهواء مرة أخرى (a). يتباطأ الضوء وينحرف مقتربًا من العمود المقام عندما يدخل منطقة معامل انكسارها أكبر (b).
الصورة التابعة لهذه الفقرة:
الشكل_6-2_النموذج_الموجي_في_الانكسار.png
معامل الانكسار
باستخدام خاصية التعدي للمساواة، فإن المعادلتين السابقتين تؤديان إلى المعادلة الآتية:
n₁ / n₂ = v₂ / v₁
وبالنسبة للفراغ فإن:
n = 1
v = c
فإذا كان أحد الوسطين فراغًا فإن المعادلة تبسط إلى معادلة تربط معامل انكسار الوسط بسرعة الضوء فيه.
معامل الانكسار
n = c / v
معامل انكسار الوسط يساوي سرعة الضوء في الفراغ مقسومة على سرعة الضوء في الوسط.
الصورة التابعة لهذه الفقرة:
معادلة_معامل_الانكسار_وسرعة_الضوء.png
ويستخدم هذا التعريف لإيجاد الطول الموجي للضوء في وسط ما مقارنة بالطول الموجي للضوء في الفراغ.
حيث يعبر عن سرعة الضوء في وسط معامل انكساره n بالعلاقة:
v = c / n
وعن الطول الموجي للضوء في الفراغ بـ:
λ₀ = c / f
وبحل المعادلة:
λ = v / f
بالنسبة للتردد، وتعويض كل من المعادلتين:
f = c / λ₀
v = c / n
تجد أن:
λ = (c/n) / (c/λ₀) = λ₀ / n
لذا يكون الطول الموجي للضوء في الوسط أقل من الطول الموجي له في الفراغ.
الانعكاس الكلي الداخلي
Total Internal Reflection
عندما ينتقل الضوء إلى وسط معامل انكساره أقل تكون زاوية الانكسار أكبر من زاوية السقوط، كما يبين الشكل 6-3a.
وهذا يؤدي إلى ظاهرة طبيعية؛ إذ إنه مع زيادة زاوية السقوط تزداد زاوية الانكسار، إلا أنه عند زاوية سقوط معينة تسمى الزاوية الحرجة θc، ينكسر الشعاع على امتداد الحد الفاصل بين الوسطين، وتكون زاوية الانكسار 90.0°، كما يبين الشكل 6-3b.
عندما يسقط ضوء على حد فاصل شفاف فإن معظم الضوء ينفذ، بينما ينعكس جزء منه، في حين يمتص الوسط جزءًا آخر منه.
ويحدث الانعكاس الكلي الداخلي عندما ينتقل الضوء من وسط معامل انكساره كبير إلى وسط معامل انكساره أقل، ويسقط الضوء على الحد الفاصل بزاوية أكبر من الزاوية الحرجة.
إن أهم ما يميز الانعكاس الكلي الداخلي هو أن الضوء ينعكس بصورة كاملة إلى الوسط الذي معامل انكساره أكبر، كما يبين الشكل 6-3c.
وتستطيع استخدام قانون سنل لإيجاد معادلة للزاوية الحرجة لأي حد فاصل، وذلك بتعويض:
θ₁ = θc
θ₂ = 90.0°
الزاوية الحرجة للانعكاس الكلي الداخلي
sin θc = n₂ / n₁
جيب الزاوية الحرجة يساوي معامل انكسار وسط الانكسار مقسومًا على معامل انكسار وسط السقوط.
الصورة التابعة لهذه الفقرة:
معادلة_الزاوية_الحرجة_للانعكاس_الكلي_الداخلي.png
الشكل 6-3
انكسر الشعاع A جزئيًا، وكذلك انعكس جزئيًا (a). انكسر الشعاع B على امتداد الحد الفاصل بين الوسطين عندما سقط بزاوية تساوي الزاوية الحرجة (b). زاوية السقوط أكبر من الزاوية الحرجة، مما يؤدي إلى حدوث انعكاس كلي داخلي للشعاع C، والذي يتبع قانون الانعكاس (c).
الصورة التابعة لهذه الفقرة:
الشكل_6-3_الزاوية_الحرجة_والانعكاس_الكلي_الداخلي.png
يؤدي الانعكاس الكلي الداخلي إلى بعض التأثيرات الغريبة.
افترض أنك تغوص في بركة ماء ساكن، وتنظر إلى أعلى سطح الماء، فإنك قد ترى انعكاسًا مقلوبًا لجسم آخر قريب موجود أسفل الماء، أو قد ترى انعكاسًا لقاع البركة نفسها؛ إذ يعمل سطح الماء عمل المرآة.
وكذلك عندما تقف بجانب بركة فإنه يمكن ألا ترى الأشياء الموجودة أسفل سطح الماء. فعندما يسبح شخص تحت الماء بالقرب من السطح وفي الجهة المقابلة لك من البركة، فإنك قد لا تراه؛ وذلك لأن الضوء القادم من جسمه ينعكس إلى الأسفل ليرتد إلى داخل البركة.
تعد الألياف البصرية تطبيقًا تقنيًا مهمًا للانعكاس الكلي الداخلي. فكما يبين الشكل 6-4، يصطدم الضوء الذي ينتقل خلال الليف الشفاف بالسطح الداخلي لليف البصري دائمًا بزاوية أكبر من الزاوية الحرجة، لذا ينعكس الضوء انعكاسًا كليًا داخليًا فلا ينفذ أي جزء منه خلال الحد الفاصل.
ولذلك يحافظ الضوء على شدته على طول المسافة التي يمتدها الليف البصري مهما بلغت، وبهذا يمكن نقل الضوء من منطقة إلى أخرى.
الشكل 6-4
تدخل نبضات ضوء من مصدر الضوء إلى أحد طرفي الليف البصري، وفي كل مرة يصطدم فيها الضوء بالسطح، تكون زاوية السقوط أكبر من الزاوية الحرجة، ولذا يبقى الضوء داخل الليف البصري.
الصورة التابعة لهذه الفقرة:
الشكل_6-4_الانعكاس_الكلي_الداخلي_في_الليف_البصري.png
السراب
Mirages
ترى أحيانًا في يوم صيفي حار تأثير السراب المبين في الشكل 6-5a. فعندما تقود سيارتك على طريق ترى ما يبدو كأنه انعكاس للسيارة القادمة في بركة ماء، وتختفي البركة عندما تصل إليها.
لماذا؟
يتكون السراب نتيجة تسخين الشمس للطريق؛ إذ تسخن الطريق الحارة الهواء فوقها وتنتج طبقة حرارية من الهواء تؤدي إلى انحراف الضوء المنتقل في اتجاه الطريق تدريجيًا إلى أعلى؛ مما يجعل الضوء يبدو قادمًا من انعكاس في بركة، كما في الشكل 6-5b.
ويبين الشكل 6-5c كيف يحدث هذا؛ فعندما ينتقل الضوء من جسم بعيد إلى أسفل نحو الطريق، فإن معامل انكسار الهواء يقل بسبب سخونة الهواء، ويكون تغير درجة الحرارة تدريجيًا.
تذكر من الفصول السابقة أن مقدمات موجات الضوء التي درستها تتألف من مويجات هيجنز. وفي السراب تنتقل مويجات هيجنز القريبة من سطح الأرض أسرع من تلك المويجات التي في الأعلى، مما يؤدي إلى انحراف مقدمات الموجات تدريجيًا إلى أعلى.
وتحدث ظاهرة مشابهة تسمى السراب القطبي؛ عندما يبدو انعكاس قارب بعيد فوق القارب نفسه، حيث يبقي الماء الهواء القريب من سطحه باردًا.
الشكل 6-5
سراب يرى على سطح الطريق (a). ينحرف الضوء القادم من السيارة إلى أعلى في اتجاه عين المشاهد (b). يتحرك قاع مقدمة الموجة أسرع من قمتها (c).
الصورة التابعة لهذه الفقرة:
الشكل_6-5_السراب_وانحراف_الضوء_على_سطح_الطريق.png
تفريق، تحليل الضوء
Dispersion of Light
تتحدد سرعة الضوء في وسط ما من خلال التفاعلات بين الضوء وذرات الوسط. وتعرف من دراستك السابقة أن درجة الحرارة والضغط يرتبطان بطاقة الجسيمات على المستوى الذري، لذا تتغير سرعة الضوء، ويتغير تبعًا لذلك معامل الانكسار للوسط الغازي قليلًا مع تغير درجة الحرارة.
وبالإضافة إلى ذلك، فإن سرعة الضوء ومعامل الانكسار يختلفان للأطوال الموجية المختلفة في الوسط نفسه.
يتحلل الضوء الأبيض إلى طيف من الألوان عند مروره خلال منشور زجاجي، كما يبين الشكل 6-6a، حيث تسمى هذه الظاهرة بالتفريق.
وإذا نظرت بدقة إلى الضوء الذي يمر خلال المنشور فستلاحظ أن اللون البنفسجي ينكسر أكثر من اللون الأحمر، كما يبين الشكل 6-6b.
وهذا يحدث لأن سرعة الضوء البنفسجي خلال الزجاج أقل من سرعة الضوء الأحمر؛ حيث إن تردد الضوء البنفسجي أكبر من تردد الضوء الأحمر، مما يجعله يتفاعل بصورة مختلفة مع ذرات الزجاج، وهذا يؤدي إلى جعل معامل انكسار الزجاج للضوء البنفسجي أكبر منه للضوء الأحمر.
الشكل 6-6
يسقط ضوء أبيض على منشور فيتفرق، أي يتحلل، إلى حزم من ألوان مختلفة (a). وتنحرف الألوان المختلفة من الضوء بدرجات مختلفة عند عبورها وسطًا ما (b).
ألوان الطيف في الشكل:
| اللون |
| ------- |
| أحمر |
| برتقالي |
| أصفر |
| أخضر |
| أزرق |
| بنفسجي |
الصورة التابعة لهذه الفقرة:
الشكل_6-6_تفريق_الضوء_الأبيض_بالمنشور.png
قوس المطر
المنشور ليس الوسيلة الوحيدة لتفريق الضوء الأبيض ثم تحليله إلى ألوانه؛ فقوس المطر طيف يتشكل عندما يتفرق ضوء الشمس بفعل قطرات الماء في الغلاف الجوي.
وينكسر ضوء الشمس الساقط على قطرات الماء، حيث ينكسر كل لون بزاوية انكسار مختلفة قليلًا؛ بسبب التفريق كما هو موضح في الشكل 6-7a.
ويحدث انعكاس داخلي لبعض الضوء على السطح الخلفي للقطرة.
وعند خروج الضوء من القطرة يحدث له انكسار مرة أخرى ويزداد التفريق.
وعلى الرغم من أن كل قطرة تنتج طيفًا كاملًا إلا أن المراقب الموجود بين الشمس والمطر سيرى من كل قطرة طولًا موجيًا معينًا للضوء فقط؛ حيث يعتمد الطول الموجي على المواقع النسبية للشمس، والقطرة، والمراقب، كما يبين الشكل 6-7b.
وسيظهر طيف كامل؛ لأنه يوجد الكثير من القطرات في السماء.
وستصنع القطرات التي تعكس الضوء الأحمر زاوية 42° بالنسبة لأشعة الشمس؛ في حين تصنع القطرات التي تعكس الضوء الأزرق زاوية 40°.
الشكل 6-7
يتشكل قوس المطر بسبب تفرق، أي تحليل، الضوء الأبيض عند دخوله الحد الفاصل وانعكاسه عن الحد الفاصل الداخلي، وخروجه من قطرات المطر (a). يصل لون واحد فقط إلى المراقب من كل قطرة مطر بسبب التفريق (b).
الصورة التابعة لهذه الفقرة:
الشكل_6-7_تكون_قوس_المطر_وتفريق_الضوء.png
قد ترى أحيانًا قوس مطر ثان باهت، كما في الشكل 6-8. ويقع قوس المطر الثاني خارج الأول، كما يكون باهتًا، وله ترتيب ألوان معكوس.
وينتج هذا التأثير بسبب انعكاس أشعة الضوء مرتين في داخل قطرة الماء.
وقد يظهر قوس مطر ثالث خارج الاثنين، ولكن بصورة نادرة جدًا.
ما توقعك حول عدد مرات انعكاس الضوء في قطرة الماء وترتيب ظهور الألوان لقوس المطر الثالث؟
الشكل 6-8
يسمح وجود الضباب خلال رؤيتك للضوء المشتمل على الطيف الكامل للألوان بأن يصل إلى عينيك على صورة قوس مطر. وقد يمكنك الانعكاس عن قطرات المطر أحيانًا من رؤية قوس مطر آخر بألوان معكوسة الترتيب.
الصورة التابعة لهذه الفقرة:
الشكل_6-8_قوس_مطر_ثانوي_بألوان_معكوسة.png
6-1 مراجعة
4. معامل الانكسار
عند نفاذ الضوء من الماء إلى سائل معين فإنه ينحرف مقتربًا من العمود المقام، ولكن عند نفاذ الضوء من زجاج العدسات إلى السائل نفسه فإنه ينحرف مبتعدًا عن العمود المقام. ما الذي تستنتجه عن معامل انكسار السائل؟
5. معامل الانكسار
سقط شعاع ضوئي في الهواء بزاوية 30.0° على قالب من مادة غير معروفة، فانكسر فيها بزاوية 20.0°. ما معامل انكسار المادة؟
6. سرعة الضوء
هل يمكن أن يكون معامل الانكسار أقل من 1؟ وما الذي يعنيه هذا بالنسبة لسرعة الضوء في ذلك الوسط؟
7. سرعة الضوء
ما سرعة الضوء في الكلوروفورم n = 1.51؟
8. الانعكاس الكلي الداخلي
إذا توافر لديك الكوارتز وزجاج العدسات لتصنع ليفًا بصريًا، فأيهما تستخدم لطبقة الغلاف؟ ولماذا؟
9. زاوية الانكسار
تعبر حزمة ضوئية الماء إلى داخل البولي إيثيلين، معامل انكساره n = 1.50. فإذا كانت:
θᵢ = 57.5°
فما زاوية الانكسار في البولي إيثيلين؟
10. الزاوية الحرجة
هل هناك زاوية حرجة للضوء المنتقل من الزجاج إلى الماء، وللضوء المنتقل من الماء إلى الزجاج؟
11. التفريق
لماذا تستطيع رؤية صورة الشمس فوق الأفق تمامًا عندما تكون الشمس نفسها قد غابت فعلًا؟
12. التفكير الناقد
في أي اتجاه تستطيع رؤية قوس المطر في مساء يوم ماطر؟ وضح إجابتك.
جاري تحضير الدرس المعاد صياغته وبناء الأنماط
نحافظ على المعنى العلمي ونربط كل فقرة بنواتجها ومفاهيمها.
إعادة إنتاج الدرس حسب نمط التعلم
طلب واحد ينتج المسارات البصري والسمعي والحركي والقرائي معًا، بصياغة تراعي سياق المناهج السعودية.
اختر نمط التعلم
تُنتج الأنماط الأربعة دفعة واحدة، ثم تُستدعى الحزمة المحفوظة في الزيارات التالية.