انكسار الضوء
مقدمة:
عندما ترى الأشياء الموجودة في وسط منفذ للضوء من خلال وسط آخر مثل مسطرة مستندة بوضع مائل في حوض ماء نصفها مغمور في الماء والآخر في الهواء تبدو المسطرة وكأنها مكسورة حيث أن الجزء المغمور في الماء يبدو للعين المشاهد وكأنه على غير استقامة الجزء العلوي الذي في الهواء . كذلك عند رؤيتنا لشيء ما موجود في داخل كأس مملوء بالماء مثل عملة معدنية فعند محاولتنا لالتقاطها من الماء فإننا لا نجدها في المكان الذي نشاهدها فيه بل نجدها في مكان آخر أقرب منه إلى سطح الماء. فكل هذه المشاهد البسيطة التي تواجهنا باستمرار وغيرها تدل على أن الضوء يغير اتجاه مساره عندما ينتقل بين وسطين يسمحان بمرور الضوء ويختلفان في الكثافة الضوئية مثل الزجاج والهواء أو الزجاج والماء وهذه الظاهرة تسمى انكسار الضوء Refraction of light وكل ذلك ناتج بسبب تغير سرعة الضوء في الوسطين المختلفين . فمعلوم أن أكبر سرعة في الوجود هي سرعة الضوء في الفراغ أو الهواء التي تبلغ حوالي c= .
انكسار الضوء
هو تغير اتجاه الشعاع الضوئي عندما يجتاز السطح الفاصل بين وسطين شفافين مختلفين
معامل الانكسار:The Index of Refraction
يعرف الفيزيائيين انكسار الضوء على انه انحراف موجة الضوء في وسط ما عند انتقالها إلى وسط آخر نتيجة التغير في سرعة هذه الموجة بين الوسطين.
وكما نعلم فأن سرعة الضوء ( c) هي ثابت كوني لا يتوقف على نوع الوسط الذي ينتقل خلاله، فهي في الزجاج تساويها في الهواء، تساويها في الفراغ ، إلّا أن الضوء عندما يشق طريقه بين الأوساط المختلفة يمتص ويعاد انبعاثه باستمرار ويمكننا أن نتصور عملية تعاقب انتقال الضوء وتوقفه كلياً عن الانتقال بالتعاقب، مما ينتج عنه متوسط سرعة للضوء اقل من ( c) وبالتالي فان سرعة الضوء بالفراغ التام تكون اكبر ما يمكن وتساوى ( c) وفى الأوساط المادية الأخرى تكون اقل من ( c) ونعتبر سرعة الضوء في الهواء مساوية تقريبا لسرعته في الفراغ وان كانت في الحقيقة اقل منها بقليل، وقد وجد أن النسبة بين ( c) وسرعة الضوء في وسط ما (v) هي مقدارا ثابتا يعتمد بشكل أساسي على خصائص الوسط يسمى معامل انكسار الوسط (index of refraction ) . ويرمز له بالرمز ( n) حيث:
n = c / v
وكما يظهر بوضوح فان معامل الانكسار لوسط ما يكون دائما اكبر من واحد صحيح وليس له وحدات قياس تميزه.
ويبلغ معامل انكسار الهواء عند كثافته المعيارية( 1.00029 ) أما معامل انكسار الماء ( 1.33 ) وأما معاملات انكسار الزجاج فتقع بين ( 1.4 –1.8 ) .
ومما يجدر ذكره هنا أيضا إن سرعة الضوء في المادة تتغيّر بشكل طفيف بتغير الطول الموجي حيث انه كلما زاد معامل الانكسار زاد الانكسار وبالتالي فان الضوء الأزرق ذو الطول الموجي الأقصر في الطيف المرئي سينحرف أكثر من الضوء الأحمر ذي الطول الموجي الأكبر وهو ما يفسر تحليل الضوء الأبيض إلى ألوان قوس قزح عند مرورها من منشور زجاجي .وفيما يلي جدول يبين تغير الطول الموجي لموجة أحادية عند تغير معامل انكسار الماء عند درجة 20 °C :
معامل الانكسار | الطول الموجي |
1.3438 | 3968 |
1.3407 | 4340 |
1.3375 | 4861 |
1.3333 | 5893 |
1.3315 | 6563 |
جدول يبين تغير الطول الموجي لموجة أحادية عند تغير معامل انكسار الماء عند درجة 20 °C .
معامل انكسار بعض المواد.....
معامل الانكسـار | المادة | نوع المادة |
2.419 | الماس | مواد صلبة 20 درجة مئوية |
1.523 | زجاج ( كرون ) | |
1.309 | جليد | |
1.544 | كلوريد صوديوم | |
1.458 | كوارتز مصهور | |
1.501 | بنزين | ســوائل20 درجة م |
1.461 | تترا كلوريد كربون | |
1.362 | كحول أثيلى | |
1.333 | ماء | |
1.000293 | هواء | غازات 20° م و 1 ضغط جوى |
1.00045 | ثاني أكسيد الكربون | |
1.000271 | أكسجين | |
1.000139 | هيدروجين |
العمق الظاهري:
| ||
و لسهولة تعيين العمق الظاهري نستخدم الشكل(b) حيث يكون المشاهد فوق الصندوق مباشرة و تكون الزوايا صغيرة من الشكل سنفرض أنd هو العمق الحقيقى و أن d’ هو العمق الظاهري و حيث أن الزوايا صغيرة فإن : [ltr]d tan J2 sinJ2 n1 ــــــــــ = ـــــــــــــــ = ــــــــــــــ = ـــــــــــــ d' tanJ1 sinJ1 n2[/ltr] [ltr] [/ltr] النظر من المــاء إلى ما فوق السطح:
| ||
حيث n1 وسط سقوط الأشعة و هوRefraction: وسط الانكســار وهـو الماء و هو الأكبر و لذلك فإن d' تكون أكبر من d و هو عكس الحالة السابقة التي كان فيها سقوط الأشعة من الماء و الرؤية في الهواء. |
قانونا الانكسار The Lows Of Refraction :
إذا سقط شعاع O ويسمى بالشعاع الساقط على السطح المستوي الفاصل بين وسطين معامل انكسارهما فإنه ينكسر في الاتجاه OB ويسمى بالشعاع المنكسر عند السطح الفاصل LM ويسمى بالسطح الفاصل وإذا أقيم عمود على السطح الفاصل عند النقطة O فإن الزاوية المحصورة بين الشعاع الساقط والعمود المقام تسمى بزاوية السقوط والزاوية المحصورة بين الشعاع المنكسر والعمود تسمى بزاوية الانكسار .
ينص القانون الأول للانكسار على أن: الشعاع الساقط والشعاع المنكسر والعمود المقام من نقطة السقوط تقع كلها في مستوى واحد.
وينص القانون الثاني على أن: قيمة زاوية الانكسار تعتمد على خواص كلا الوسطين الذي انتقل الضوء خلالهما وعلى زاوية السقوط
أو هو :
نسبة جيب زاوية السقوط إلى جيب زاوية الانكسار لوسطين معينين هي مقدار ثابت يعرف بمعامل الانكسار النسبي بين الوسطين
كما في العلاقة التالية :
حيث سرعة الضوء في الوسط الأول و سرعة الضوء في الوسط الثاني
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
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 - إلى وسط كثافته البصرية أعلى - السرعة فيه أقل - فانه ينكسر مقتربا من العمود
-4 عند عبور شعاع الضوء من وسط السرعة فيه أقل إلى وسط السرعة فيه أعلى - من ماء إلى 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 الإنسان إلى الماء
-5إذا سقطت الأشعة الضوئية على السطح الفاصل بين وسطين شفافين بصورة عمودية فإنها تنفذ إلى الوسط الثاني دون أن تنكسر
-6 عند سقوط حزمة ضوء رفيعة من الهواء إلى الماء نلاحظ أنه في نقطة السقوط ينعكس جزء من الضوء وينفذ الجزء الآخر في الماء منكسرا وبالتالي تكون هناك زاوية سقوط وزاوية انعكاس وزاوية انكسار ونسأل هنا سؤال كم من الطاقة التي ينقلها الإشعاع إلى السطح الفاصل بين الوسطين تؤخذ من قبل الأشعة المنعكسة وكم من الطاقة تؤخذ من قبل الأشعة المنكسرة ؟ للإجابة على هذا السؤال نفرض أن الإشعاع يحمل إلى نقطة السقوط خلال فترة زمنية معينة طاقة ولتكن E بعد ذلك تنقسم هذه الطاقة فيكون نصيب الأشعة المنعكسة منها E refl بينما نصيب الأشعة المنكسرة E refr ومن قانون حفظ الطاقة نجد أن الطاقة الساقطة تساوي مجموع الطاقتين التي تحملها الأشعة المنعكسة والتي تحملها الأشعة المنكسرة وبما أن كل وسط ما عدا الفراغ يمتص من طاقة الإشعاع إذا لا تصلح هذه المساواة إلا عند القياس بالقرب من نقطة السقوط فإذا عبر الشعاع الضوئي لمسافات كبيرة من الوسط ولم يضعف إلا بشيء صغير نسمي هذا الوسط وسطا شفافا مثل الزجاج والماء والكحول وبالعكس تمتص المعادن بشدة كبيرة الإشعاع الضوئي الذي ينفذ إليها بمعنى أنها ليست شفافة بالنسبة له وتعكس القسم الأعظم من الإشعاعات التي تسقط عليها ونلاحظ هنا أن كل وسط بدرجة أو بأخرى يعكس ويمتص الإشعاع الضوئي ويعتمد انعكاس وامتصاص الإشعاع الساقط على الجسم على - نوع المادة - حالة السطح - تركيب الإشعاع - زاوية السقوط - حيث عند زيادة زاوية سقوط الأشعة 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 آخر وعلى سبيل المثال يمتص الغلاف الجوي للأرض الموجات ذات الطول الموجي القصير من الطيف المرئي بقوة ( وهذا من نعمة الله علينا ) بينما يمتص الموجات الطويلة أضعف بكثير .
العلم والايمان2014-07-23, 2:03 pm