نقدم لكم ملخص الوحدة الثانية عشرة: انعكاس الضوء – Reflection of Light لمادة الفيزياء للصف التاسع الفصل الدراسي الثاني المنهج العماني  

١-١٢ انعكاس الضوء

قبل أن يغادر رواد فضاء أبولو القمر، تركوا عاكسات على سطحه. كان الهدف منها قياس المسافة من الأرض إلى القمر، حيث وُجّه شعاع ليزر من محطة رصد أرضية نحو تلك العاكسات فانعكست الأشعة من سطح القمر وعادت إلى الأرض. وبهذا يُقاس الزمن المستغرق لانتقال الضوء ذهابًا وإيابًا، وبما أن سرعة الضوء معروفة يمكن حساب المسافة.

ينتقل الضوء عادةً في خطوط مستقيمة. ويُسمّى التغيُّر في اتجاهه عند سقوطه على سطح لامع كالمرآة بالانعكاس (Reflection). وسوف نتناول الانعكاس في هذا الموضوع. يمكنك رؤية أن الضوء ينتقل في خط مستقيم إذا استخدمت صندوق أشعة ضوئية (ray box) حيث ينتشر المصباح الكهربائي ضوءًا في جميع الاتجاهات.

إذا وُضعت شقًّا ضيقًا داخل صندوق الأشعة الضوئية فإن الصندوق ينتج حزمة ضوئية ضيقة. ويمكنك رؤية حزمة واحدة أو شعاعًا ضوئيًا على طول ورقة الاختبار، ويمكنك رصد موقع الشعاع بوضع نقاط على طول مساره التي تبيّن أنها تقع على خطٍّ مستقيم. وإذا وُضعت مسطرة على تلك النقاط يمكن توصيلها بخط مستقيم.

قانون الانعكاس

ينظر معظمنا إلى المرآة مرةً واحدة على الأقل في اليوم لكي نتحقق من مظهرنا. ومن الجدير بالذكر أن علماء الآثار قد عثروا على مرآة برونزية قديمة أكثر من 2000 سنة، مما يُثبت أن الرغبة في الرؤية الواضحة لأنفسنا كانت قائمة منذ زمن بعيد.

تعطي المرايا الحديثة عندما تنظر فيها صورة واضحة جدًا. فالمرآة اللامعة السطح تعكس أشعة الضوء القادمة من وجهك وتُرجعها إلى عينيك. لاحظ حين تدرك سبب ذلك، فأنت تحتاج إلى استخدام قانون انعكاس الضوء.

عند سقوط شعاع ضوئي أو حزمة ضوئية على سطح عاكس أو مرآة، يُسمى الشعاع القادم بالشعاع الساقط (Incident ray) والشعاع المرتد يُسمى الشعاع المنعكس (Reflected ray). وتُقاس زاوية السقوط (i) والزاوية الانعكاس (r) بالنسبة للعمودي الواقم على السطح.

وقد ثبت تجريبيًا أن: زاوية السقوط = زاوية الانعكاس، أي i = r، وهذا هو قانون الانعكاس (Law of reflection). كما أن الشعاع الساقط والعمودي والشعاع المنعكس جميعها تقع في مستوى واحد.

الصورة في المرآة المستوية

عندما ينعكس جسم من مرآة مستوية، تكون خصائص صورته كالآتي: مساوية لحجم الجسم نفسه، وبُعدها خلف المرآة يساوي بُعد الجسم أمام المرآة، ومقلوبة من اليسار إلى اليمين (مقلوبة جانبيًا)، وتقديرية.

صورة الشمعة في المرآة ليست صورة حقيقية، لأن الصورة الحقيقية (Real image) هي الصورة التي يمكن تشكيلها على شاشة. أما الصورة التي نراها في المرآة فإن الأشعة الضوئية القادمة من الشمعة لا تصل فعلًا إلى تلك النقطة. وهكذا فإن الصورة الموجودة خلف المرآة هي صورة تقديرية (Virtual image) لا يمكن تشكيلها على شاشة.

مخططات الأشعة

يُعدّ الشكل الذي درسناه في هذه الوحدة مثالًا على مخطط الأشعة (Ray diagram)، وتُستخدم مثل تلك المخططات لتوضيح موضع الصور المتكونة بواسطة المرايا أو الأجهزة البصرية. وعند رسم مخطط الأشعة للمرآة يجب اتباع خطوات محددة: ترسم المرآة كخط بسيط مع سهم يمثل بمركزها، ثم تحدد موقع البؤرة (F) على كل جانب من المرآة، ثم ترسم الشعاع الأول من رأس السهم مستقيمًا موازيًا للمحور، ثم ترسم الشعاع الثاني من رأس السهم مرورًا بالبؤرة. بعد ذلك تمد الشعاعين المنعكسين للخلف حتى يتقاطعا في نقطة تُمثل رأس الصورة.

الوحدة الثالثة عشرة: انكسار الضوء – Refraction of Light

١-١٣ انكسار الضوء

إذا نظرت إلى قاع حوض سباحة، ترى تموجات وظلًّا. ويعود ذلك إلى سطح الماء الذي يتسبب في انحراف اتجاه أشعة الضوء. فالأجزاء المظلمة في قاع البركة هي نتاج انحراف أشعة الشمس عند اختراقها لسطح الماء. ويمكنك التحقق من ذلك باستخدام صندوق أشعة ضوئية وكتلة مستطيلة من الزجاج أو البرسبيكس.

يحدث الانكسار (Refraction) عندما ينتقل شعاع ضوئي من وسط مادي إلى آخر بالانكسار. أي أن الضوء عند انتقاله من وسط مادي إلى وسط مادي آخر يُغيّر اتجاهه. ومن الأمثلة على انكسار الضوء: الألماس، والطريقة التي تُنتج العدسة في عينك صورة من حولك، وتلألؤ النجوم في السماء ليلًا.

هناك قواعد تحكم انكسار الضوء: ينحرف الشعاع نحو العمودي عند دخوله من الهواء إلى الزجاج، وينحرف الشعاع بعيدًا عن العمودي عندما يخرج من الزجاج إلى الهواء. أما إذا سقط شعاع ضوئي عموديًا على السطح (أي بزاوية سقوط مقدارها 0°)، فإنه يعبر مباشرًا في الاتجاه نفسه دون أي انكسار.

معامل الانكسار وقانون سنل

سرعة الضوء (Speed of light) في الفراغ تساوي نحو 3×10⁸ م/ث. وكلما انتقل الضوء من وسط مادي إلى آخر يتغير معدل سرعته. ويُقاس مقدار الانخفاض في سرعة الضوء في وسط ما بمعامل انكساره (Refractive index) الذي يُعطى بالعلاقة:

n = سرعة الضوء في الفراغ ÷ سرعة الضوء في الوسط المادي

فإذا قلّت سرعة الضوء إلى النصف عند دخوله وسطًا ما يكون معامل انكسار الوسط المادي هو 2. يبلغ معامل انكسار الماء 1.33، وهذا يعني أن الضوء ينتقل 1.33 مرة أسرع في الفراغ مقارنة بسرعته في الماء.

وضع العالم سنل قانونًا يربط زاوية الانكسار (r) بزاوية السقوط (i) وهو قانون سنل (Snell’s law)، ويُكتب الاشتقاق العام من هذا القانون على الشكل الآتي: n = sin i ÷ sin r. ويمكن استخدام هذه المعادلة لإيجاد الزاوية التي ينكسر فيها الشعاع الضوئي، أو لإيجاد قيمة معامل الانكسار لمادة ما.

الانعكاس الداخلي الكلي

عند النظر من داخل الزجاج إلى الخارج عبر السطح، رأينا أنه إذا كانت زاوية السقوط أصغر من الزاوية الحرجة فإن معظم الضوء يخرج من الكتلة وهناك شعاع منعكس داخل الكتلة. وإذا ازداد انكسار الكتلة بداخلها الضوء يزداد مقدار التغيير عند العمودي.

عند زاوية معيّنة (الزاوية الحرجة)، يحدث انعكاس داخلي كلي (Total internal reflection). فيعني هذا: الانعكاس لأن الشعاع ينعكس كليًا، والداخلي لأنه يحدث داخل الزجاج، والكليّ لأن 100% من الضوء ينعكس. الزاوية الحرجة (Critical angle) هي زاوية السقوط التي ينكسر عندها الشعاع بزاوية مقدارها 90 درجة.

يعتمد مقدار الزاوية الحرجة على مادة الوسط. في الزجاج يكون الزاوية الحرجة نحو 42 درجة، وفي الماء 49 درجة، أما في الألماس فتبلغ الزاوية الحرجة نحو 25 درجة فقط، وهذا يعني أن الضوء الساقط عليه يُعكس داخليًا بشكل كلّي مما يُفسر لماعان الألماس وبريقه الخاص.

الألياف البصرية

الألياف البصرية (Optical fibers) هي مادة متّخذة شكل نبضات من ضوء الليزر. تعمل هذه الألياف عبر الانعكاس الداخلي الكلي في داخلها بحيث لا يتسرب جزء من الضوء إلى الخارج. فالضوء يدخل من أحد الطرفين ويتنقل عبر الألياف بفضل الانعكاس الداخلي الكلي متقافزًا من جدار إلى آخر دون أن يفقد شيئًا من شدته ليصل إلى الطرف الآخر وينقل المعلومات.

تُستخدم الألياف البصرية في تكنولوجيا الاتصالات كالإنترنت والهاتف وغيرها. فكل ليف منها قادر على حمل آلاف المكالمات الهاتفية في وقت واحد. وتُستخدم الألياف البصرية أيضًا في الطب عبر جهاز المنظار الداخلي الذي يستخدمه الأطباء لرؤية ما في داخل جسم المريض، وقد يكون المنظار مزوّدًا بمقصّ صغير أو أداة قصّ لإجراء عمليات جراحية صغيرة دون الحاجة إلى عمليات جراحية كبيرة.