مدرس اون لايندخول

انكسار الضوء

23072014
انكسار الضوء


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
وأمثلة على اختلاف معاملات الانكسار في المواد المختلفة هو اختلاف زاوية الانكسار:

 
 
 
 
العمق الظاهري:
 
 عندما ننظر إلى جسم في قاع إناء مملوء بسائل كحمام سباحة مثلا أو إلى قطعة عملة في قاع كوب مملوء بالماء أو كما هو موضح في شكل ( 27 ) إذا نظر شخص من فوق سطح الماء إلى الصندوق الغارق في الماء فإنه يرى الجسم على عمق أقل من العمق الحقيقى و السبب في ذلك هو أن الضوء الصادر من الصندوق سينكسـر عند انتقاله إلى الهواء مبتعدا عن العمـود و يوضح الشكل (a) مسار الأشعة الصادرة من الصندوق . و لما كانت العين ترى صـورة الجسم على امتداد الأشعة الواصلة إليها فإنها ترى صورة تقديرية ( ظاهرية ) للصندوق على عمق ظاهري أقل من العمق الحقيقى .                                   
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:
في حالة ما ينظر الشخص الغاطس في الماء إلى أشياء فوق سطح المـاء و لتكن مثلا قطعة عملة يمسكها شخص آخر فوق سطح الماء فوق السباح مباشرة فبالنسبة للشخص الموجـود في الماء تظهر له قطعة العملة على ارتفاع ظاهري d’ من سطح الماء أكبر من الارتفاع  الحقيقى d . ويوضح شكل ( 28 ) عين الشخص الموجــود في الماء والارتفاع الحقيقى لقطعة العملة مقاسا من سطح الماء . ولتفسير ما يحدث نعتبر شعاعين ضوئيين يخرجان من قطعة العملة عندP   فإذا سقطا على السطح الفاصل بين الهواء و المـاء فإن الشعاعين ينكسران مقتربين من العمـود حيث أن معامل الانكسار أكبر من معامل انكسار الهواء .
و حيث أن العين ترى الصورة عند نقطة تلاقى امتداد الأشعة الواصلة إليها وهى الأشعة المنكسرة فإن امتداد هذه الأشعة يتقابل عند نقطة P' حيث يرى الشخص الأشعة و كأنها صادرة منها و هو موضع الصورة التقديرية.  ويكون البعد الظاهري d’ أكبر من البعد الحقيقى و يساوى :


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.
 

تعاليق

العلم والايمان

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
 
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



 
وقد اكتشف هذه العلاقة عمليا سنل (1627-1591) ولذلك تعرف باسم قانون سنل .
 
 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 - 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 والايمان

[size=37] قانون سنل                                                     [/size][size=37]Snell's Law[/size]
[size=37]            [/size]
إنكسار الضوء بين وسطين مختلفي معامل الإنكسار.
[size=37] [/size] [size=37]        [/size]

 
 
في عام 1621 ، وهو فيزيائي الهولندي يدعى Willebrord سنيل (1591-1626) ، والمستمدة من العلاقة بين زوايا مختلفة من الضوء لأنه يمر من وسط transperent إلى آخر ، وعندما يمر الضوء من وسط شفاف إلى آخر ، فإنه ينحني وفقا لقانون سنيل التي تنص على :
  في البصريات ، قانون سنيل (بالإنجليزية : Snell's law)، (ويعرف أيضا بقانون سنيل - ديكارت )، هو صيغة رياضية تصف العلاقة ما بين زوايا الإنعكاس والإنكسار ، عندما ينتقل الضوء أو غيره من الأمواج ما بين وسطين مختلفين، مثل الهواء والماء. وبموجب هذا القانون، تكون نسبة جيوب زوايا الإنعكاس أو الإنكسار قيمة ثابتة مرتبطة بطبيعة الوسط الذي تعبره الأمواج. ينطبق هذا القانون على تنقل الأمواج في أوساط متجانسة ومتماثلة الخصائص في كل الإتجاهات.
يقوم قانون سنيل على مبدئين هما:

  • توجد جميع الأمواج الساقطة والمنعكسة والمنكسرة على نفس السطح.
  • إذا كانت θ1 هي زاوية سقوط الموجة على السطح الواصل بين الوسطين (1) و(2)، و θ2 هي زاوية إنكسار، وv2 وv1، هما سرعتا الموجة تباعا في الوسطين (1) و(2)، يكتب قانون سنيل كالآتي :


أو
حيث n1 وn2 معاملا الإنكسار تباعا في الوسطين (1) و(2).
إذا كان معامل إنكسار الوسط الأول أصغر من معامل إنكسار الوسط الثاني، أي أن سرعة الموجة في هذا الأخير تقل، مثل المرور من الهواء إلى الماء أو الزجاج، فإن زاوية الإنكسار تكون أقل من زاوية السقوط، والعكس بالعكس.
 
[rtl]عندما يدخل الضوء المرئي مادة شفافة مثل الزجاج في زاوية ، في اتجاه الضوء المنكسر أو من عقدوا العزم على زاوية مختلفة.. زاوية تتحدد زاوية الأولي ومؤشر الانكسار من المواد اثنين. وسنيل القانون هي المعادلة التي تحدد الزاوية التي بصيص أو شعاع من الضوء المنكسر.. عندما يمر الضوء من مادة من ارتفاع الرقم القياسي للانكسار لانخفاض مؤشر الانكسار ، وهناك الزاوية التي يبدأ الضوء على أن تنعكس على واجهة من المواد.. وهذا ما يسمى في زاوية حرجة للانكسار. [/rtl]
[rtl]أسئلة قد تكون لديك ما يلي : [/rtl]

  • ما هو قانون سنيل؟
  • كيف يمكنك حساب الزاوية المنكسر؟
  • ما هي الزاوية الحرجة للانكسار؟



 
زاوية حرجة
  باستخدام جهاز محاكاة الانكسار ، لاحظ كيف أن الضوء ينحني نحو طبيعي عندما يدخل الضوء في المتوسط من أكبر معامل الانكسار ، وبعيدا عن المعتاد عند دخول أقل من متوسط معامل الانكسار.  . ثم لاحظ ما يحدث عند نقل المصباح إلى زاوية قريبة إلى 90 أو -90 درجة مئوية في المتوسط مع ارتفاع مؤشر الإنكسار.      ونحن نقترب من زاوية حرجة ضوء النهج يتخلله 90 أو -90 درجة و، في زاوية حرجة ، وزاوية الانكسار يصبح 90 أو -90 وعلى ضوء لم يعد ينتقل عبر المتوسط / واجهة المتوسط.  . لزوايا أكبر في القيمة المطلقة من زاوية حرجة ، كل ينعكس الضوء.  وهذا ما يسمى مجموع التأمل الداخلي.
العلم والايمان
ظاهرة الانكسار وتطبيقاتها على العدسات
                                      Refraction and lenses
           
تعتبر ظاهرة الانكسار من الظواهر الضوئي التي تحدث عند انتقال الضوء من وسط إلى وسط اخر ومثل انتقال الضوء من الهواء إلى الزجاج أو العكس وتحدث ظاهرة الانكسار بسبب اختلاف سرعة الضوء في كل وسط يعبر فيه، تكون سرعة الضوء اكبر ما يمكن في الهواء وتساوي 3x108m/s ولكن تقل سرعته في الزجاج.
 
ما علاقة ظاهرة الانكسار في تغير سرعة الضوء في الوسط؟
للإجابة على هذا التسائل تخيل انك تدفع عربة بقوة منتظمة كما في الشكل ادناه،  وحيث ان القوة التي تدفع بها العربة منتظمة اي ثابتة فإن سرعة العربة ستكون ثابتة ايضا، هذا اذا كان الوسط الذي تتحرك فيه العربة متجانس اي له طبيعة منتظمة كأن تدفع العربة على الرصيف.  ولكن ماذا يحدث لو بدأت تدخل بالعربة على ارض عشبية؟  فإن العربة سوف تقل سرعتها حيث ان قوة الاحتكاك تصبح اكبر ولهذا تحتاج ان تزيد قوة الدفع لتحافظ على نفس السرعة على الرصيف.
والآن تخيل أنك قمت بدفع العربة إلى الأرض العشبية بزاوية فإن شيئ أخر سيحدث! حيث ان العجلة اليمين للعربة تدخل الى منطقة الأرض العشبية قبل العجلة اليسار فإن العجلة اليمين تقل سرعتها بينما العجلة اليسار لازالت محتفظة بسرعتها الاصلية وهذا سيؤدي الي انحراف العربة إلى اليمين نتيجة لاختلف سرعة العجلتين للعربة.

 
بنفس الطريقة يحدث ذلك لحزمة الضوء عندما ينفذ من خلال الزجاج.  حيث يتباطء جزء الضوء الذي ينفذ إلى الزجاج بينما يحافظ الجزء المتبقي من حزمة الضوء على سرعته.  وهذ يؤدي الى انحراف الضوء عند حافة الزجاج الذي يفصل بين وسط الهواء والزجاج.  ويحدث انحراف معاكس للضوء عندما يخرج من الزجاج إلى الهواء.
privacy_tip صلاحيات هذا المنتدى:
لاتستطيع الرد على المواضيع في هذا المنتدى