السبت، 15 فبراير 2014

طبيعة انتشار سرعة الضوء



 
الضوء
light


5-1          طبيعة الضوء    nature of light
منذ قديم الزمان كانت خواص الضوء مثاراً للدهشة والإثارة، وكانت طبيعة الضوء دائماَ موضوعاَ لتأملات عظيمة0 ففي عصر نيوتن كان كل علماء الفترة تقريباَ يقومون بأبحاث علمية في طبيعة الضوء0 وعلى الرغم من الاهتمام العظيم بالضوء ، إلا أن الطبيعة الداخلية للضوء ظلت محل جدل حتى مطلع القرن الحالي 0
وخلال عصر نيوتن ولسنوات خلت بعد ذلك كان هناك خلاف حول ما إذا كان شعاع الضوء هو تيار من الجسيمات أو هو موجات من نوع معين0 وقد كان نيوتن نفسه من أعظم مؤيدي النظرية الجسيمية للضوء ( وهي أن الضوء  عبارة عن جسيمات تنطلق من المصدر الضوئي)0
وفي عام 1670م استطاع كريستيان هيجنز وهو احد معاصري نيوتن أن يفسر كثير من خواص الضوء باعتباره موجيا في طبيعته ( أي أن الضوء ينطلق من مصدره على شكل موجات) ، وقد كان لكلتا هاتين الفكرتين ( الجسيمية والموجية) حول طبيعة الضوء مؤيدها0
ولقد ظل الأمر كذلك حتى عام 1803م حين قدم توماس يونج ( وبعدها بقليل أوجستين فرنك ) برهاناَ يوضح أن الأشعة الضوئية تستطيع التداخل مع بعضها البعض مثل الأمواج الصوتية وبهذا أصبحت النظرية الموجية مقبولة عالميا0 وتتابعت الدراسات على طبيعة الضوء ولكنه لم يفهم ابتعاث الضوء بشكل نهائي إلا حوالي عام 1930 علاوة على ذلك أشار أينشتين عام 1905م انه توجد خاصية واحدة على الأقل للضوء وهي التأثير الكهروضوئي، وقد تم تفسيرها باعتبار الضوء مكوناَ من جسيمات تحمل طاقة معينة ( أو كمات من الطاقة)0
وقد تم التوسع في هذا المفهوم خلال السنوات التالية حتى أصبحنا اليوم نعتبر الضوء ذو طبيعة مزدوجة فهو جزئياَ يبدو كأمواج وجزئياَ كجسيمات0 فبعض الظواهر الطبيعية للضوء قد أمكن تفسيرها بالمفهوم الجسيمي للضوء ( النظرية الجسيمية)، وذلك مثل ظاهرة الانعكاس والانكسار0 في حين أن بعض الظواهر الأخرى مثل التداخل والحيود لا يمكن تفسيرها إلا عن طريق المفهوم الموجي للضوء ( النظرية الموجية)0

5-2          انتشار الضوء Propagation of light     
ينتشر الضوء من مصادره في جميع الاتجاهات في خطوط مستقيمة، ويدل على ذلك تكون الظلال وأشباه الظلال وغيرها من الظواهر المعروفة المرتبطة بانتشار الضوء في خطوط مستقيمة.


5-3          سرعة الضوء     Velocity of light
لقد أجريت تجارب عديدة لقياس سرعة الضوء في الفراغ وفي الأوساط الأخرى مثل الماء والزجاج وغيرها، وقد وجد أن سرعة الضوء في الفراغ تكون أكبر من سرعته في الأوساط الأخرى، وتكون سرعته في الوسط الأقل كثافة اكبر منها في الوسط الأكبر كثافة، فسرعته في الماء مثلا اكبر من سرعته في الزجاج0 علاوة على ذلك فإن سرعة الضوء خلال المواد تعتمد على الطول الموجي للضوء0 وقد وجد بالتجربة أن سرعة الضوء في الفراغ c=2.998x108 m/s حيث c ترمز إلى سرعة الضوء في الفراغ0

5-4          معامل الانكسار Refractive index  
(5-1)
 
Zone de Texte:  تسمى النسبة بين سرعة الضوء في الفراغ وسرعته في وسط بمعامل الانكسار او معامل انكسار الوسط ، ويرمز له بالرمز n

حيث v  هي سرعة الضوء في الوسط.
 يلاحظ من هذا القانون أن معامل الانكسار ليس له وحدة وذلك لأنه عبارة عن حاصل قسمة سرعتين0
الجدول (5-1) يبين معامل الانكسار في المواد المختلفة للضوء الأصفر الذي ينبعث من مصباح بخار الصوديوم وطوله الموجي0ِA5890ِ= l 
حيث ( لامدا Lambda ) هي الطول الموجي ووحدتها وحدة طول0
1 Ao =10-10 m = 10-8cm=10‑1nm

جدول (5-1)  معاملات الانكسار لبعض المواد
المادة
المادة

الهواء*
الماء
اياثنول
اسيتون
كوارتز منصهر
 بنزين
زجاج تاجي
1.003
1.33
1.36
1.36
1.46
1.5
1.52
كلوريد الصوديوم
بوليستيرين
ثاني كبريتيد الكربون
زجاج ظراني
أيوديد الميثيلين
ماس
1.53
1.59
1.63
1.66
1.74
2.42

* عند الضغط ودرجة الحرارة المعياريين
مثال (5-1)
احسب سرعة الضوء في ثاني كبريتيد الكربون إذا علم أن معامل انكساره 1.63 
بفرض أن سرعة الضوء في الفراغ تساوي 3×108m/s .
الحل:
                                                                                    



5-5          انعكاس الضوء Reflection of light  
 لقد كان سائداَ في القديم أن رؤية العين للأشياء تفسر بان الأشعة الضوئية تسقط من العين على الجسم وبالتالي يمكن رؤيته، ولكن عند وضع هذا الجسم في مكان مظلم وجد أن الرؤيا ستنعدم كليا0 إن دل ذلك على شئ فانه يدل على أنه لا توجد أشعة صادرة من العين لتسقط على الأجسام ولكن فسرت الرؤيا كالتالي:
تسقط الأشعة الضوئية من المصدر الضوئي على الأجسام ثم ترتد عنها إلى العين وبالتالي تتمكن العين من رؤية تلك الأجسام0
ظاهرة ارتداد الأشعة عن الأجسام تسمى بظاهرة انعكاس الضوء0
الشكل (5-1) يوضح ظاهرة الانعكاس على سطح مرآة مستوية حيث أن:
AB  يمثل الشعاع الساقط
 BC  يمثل الشعاع المنعكس
 DB يمثل العمود المقام على السطح العاكس
qi زاوية السقوط
qr  زاوية الانعكاس

زاوية السقوط (  qi ) 
هي الزاوية المحصورة بين الشعاع الساقط والعمود المقام على السطح العاكس0
زاوية الانعكاس (  qr  )
هي الزاوية المحصورة بين الشعاع المنعكس والعمود المقام على السطح العاكس0
لقد بينت التجارب أنه عندما ينعكس شعاع ضوئي عند سطح مستو فانه يمكن وصف طبيعة الضوء المنعكس في صورة قانون مكون من جزأين ويسمى بقانون الانعكاس0

قانون الانعكاسLaw of reflection 
ينص على أنه إذا سقط شعاع ضوئي على سطح عاكس فان:
1- زاوية السقوط تساوي زاوية الانعكاس0
2-الشعاع الساقط والشعاع المنعكس والعمود المقام على السطح العاكس تقع جميعها في مستوى واحد0

5-6          انكسار الضوءRefraction of light 
عندما يسقط شعاع ضوئي على سطح أملس لمادة شفافة كالماء أو الزجاج فإنه سوف ينعكس جزء منه تبعا لقانون الانعكاس وينكسر الجزء الباقي خلال الوسط مغيرا اتجاهه كما بالشكل (5-2).
ما هو سبب انكسار الضوء؟
ينتج انكسار الضوء في الوسط الثاني بسبب التغير في سرعة الضوء إثر دخوله في هذا الوسط. (أي بسبب اختلاف كثافة الوسطين)، فإذا كانت سرعة الضوء في الوسط الثاني أقل من سرعته في الوسط الأول (أي أن الوسط الثاني أكبر كثافة من الوسط الأول) فإن الضوء سينكسر مقتربا من العمود المقام. ويمكن تلخيص ذلك كما يلي:-
- إذا سقط الضوء من وسط أقل كثافة إلى وسط أكبر كثافة فإنه سينكسر مقتربا من العمود المقام.
- وإذا سقط الضوء من وسط أكبر كثافة إلى وسط أقل كثافة فإنه سينكسر مبتعدا عن العمود المقام.
- الزاويةq2 تعرف بزاوية الانكسار.

زاوية الانكسارِAngle of refraction  
هي الزاوية المحصورة بين الشعاع المنكسر والعمود المقام على السطح الفاصل بين الوسطين. لقد بينت التجارب أنه عندما ينكسر شعاع ضوئي عند سطح فاصل بين وسطين فإنه يمكن وصف طبيعة الضوء المنكسر في صورة قانون مكون من جزأين ويسمى بقانون الانكسار أو(قانون سنل)0

قانون الانكسار (قانون ســـــــــنل)
ينص قانون الانكسار على أنه إذا سقط شعاع ضوئي على سطح فاصل بين وسطين مختلفين فإن:
1- النسبة بين جيبي زاوية السقوط في الوسط الأول وزاوية الانكسار في الوسط الثاني تساوي معكوس النسبة بين  معاملي انكسار الوسطين على الترتيب.
Zone de Texte:
(5-2)
 
 أو إن             
                                        

وهو ما يعرف بقانون سنل .
حالة خاصة:
إذا سقط الضوء من الهواء (n1=1) إلى وسط معامل انكساره  (n2=n)فإن:
(5-3)
 
Zone de Texte:                                                


2- الشعاع الساقط والشعاع المنكسر والعمود المقام على السطح الفاصل تقع جميعها في مستوى واحد.

مثال (5-2)
سقط ضوء في الهواء بزاوية 45 درجة على سطح لوح من الزجاج معامل انكساره 1.52   
 أ- احسب زاوية انكسار الضوء نتيجة لانكساره عند السطح العلوي.
ب- هل ينكسر الشعاع مقتربا أم مبتعدا عن العمود المقام؟
ج- احسب الزاوية التي ينعطفها (ينحرفها) الضوء.
الحل:
أ-                                      
ب- بما أن فإن الشعاع سوف ينكسر مقترباَ من العمود المقام، وهذا صحيح لان الشعاع سقط من وسط أقل كثافة (الهواء) إلى وسط أكبر كثافة (الزجاج)0

ج- واضح من الشكل أن زاوية الانعطاف (الانحراف) هي
                     
الزاوية φ تلفظ (فاي Phi)

مثال (5-3)
سقط شعاع ضوئي من الماء (n1=1.33) بزاوية (θ1=600) على سطح لوح من الزجاج (n2=1.52)
جد:
أ- اتجاه الشعاع المنعكس (    (qr = ? 
ب- اتجاه الشعاع المنكسر ((q2= ?  
الحل:
                                                        

نلاحظ أن الشعاع المنكسر اقترب من العمود المقام وذلك لأن كثافة الزجاج أكبر من كثافة الماء، أي لأن الضوء انتقل من وسط أقل كثافة إلى وسط أكبر كثافة.                    

5-7          الانعكاس الداخلي الكلي     Total internal reflection                                                   
عندما ينتقل الضوء من وسط أكبر كثافة إلى وسط أقل كثافة تكون زاوية الانكسار دائما أكبر من زاوية السقوط ، بمعنى أن الشعاع ينكسر مبتعدا عن العمود المقام . وكلما زادت زاوية السقوط سوف تزداد زاوية الانكسار كما هو  موضح بالشكل (5-3) ، وأكبر زاوية انكسار ممكنة في الوسط الأقل كثافة هي 90 درجة0
زاوية السقوط ( في الوسط الأكبر كثافة ) المناظرة لأكبر زاوية انكسار ممكنة ( 90 درجة ) تسمى بالزاوية الحرجة (critical angle). وإذا زادت زاوية السقوط عن الزاوية الحرجة فإن الشعاع سوف ينعكس كليا في داخل الوسط نفسه الذي سقط منه الشعاع ، وهذا ما يعرف بالانعكاس الداخلي الكلي.


 







ويمكن حساب الزاوية الحرجة(Cθ) بوضع  90o =q2 في قانون سنل:

 
(5-4)
 
                                                                                               

فعلى سبيل المثال إذا سقط الضوء من داخل مياه البحر (n1=1.33) إلى الهواء الخارجي (n2=1) فإن :

Sinθc=1÷1.33=0.75188
\θc=sin-1(0.75188)=48.70

ليست هناك تعليقات:

إرسال تعليق