الدرس الخامس(طبيعة الموجات الضوئية)

دور بعض العلماء فى مجال الضوء

الحسن بن الهيثم "965 م – 1039 م" :


يعد "ابن الهيثم" من عباقرة العرب الذين ظهروا فى القرن العاشر للميلاد فى البصرة، ومن الذين نزلوا مصر واستوطنوها

"يعتبر "الحسن بن الهيثم" منشئ علم الضوء بلا منازع وأن أثره فى علم الضوء لا يقل عن أثر "نيوتن" فى علم الميكانيكا"

كتابه "المناظر" مرجعا فريدا لقرون عديدة وتميزت دراساته بالتجربة ودقة الملاحظة

"تحقق ابن الهيثم من أن الضوء ينشأ من المرئيات ليسقط على العين وتتم الرؤية، ولا ينبعث من العين كما ظن أسلافه من القدماء"

"كما أنه وضع القوانين الأساسية لانعكاس الضوء وانكساره وفسر الرؤية المزدوجة والسراب"

من أهم إنجازاته اكتشاف الخزانة ذات الثقب التى كانت مقدمة للكاميرا

"من الظواهر التى عللها ابن هيثم تعليلا صحيحا، الهالة التى ترى حول الشمس (أو القمر) وقال:
"ينتج ذلك عن الانكسار حينما تكون فى الهواء بلورات صغيرة من الثلج أو الجليد، فالضوء الذى يمر فى هذه البلورات ينكسر وينحرف بزاوية محددة، وحينئذ يصل الضوء إلى عين الرائى كأنه صادر من نقطة حول القمر أو الشمس، فتظهر الأشعة فى دائرة حول أى منهما، وتبدو الهالة"

وقد ثبت أن "كبلر" أخذ معلوماته فى الضوء, ولاسيما فيما يتعلق بانكسار الضوء، من كتب ابن الهيثم، وقد اعترف العالم الفرنسى الشهير "فياردو" بهذا

أبى الريحان البيروني (توفى عام 1048 م):

"كان للعالم العربى "أبى الريحان البيروني" أبحاث فى سرعة الضوء فقال: "إن سرعة الضوء
إذا قيست بسرعة الصوت كانت عظيمة جدا"

كما فسر ظواهر الشفق وكسوف الشمس

إسحق نيوتن (1642 م – 1727 م):

يعتبر "إسحق نيوتن" أول من اهتدى إلى أن الضوء مكون من ألوان الطيف

كما أنه درس قوانين انعكاس الضوء وانكساره

"صنع أول تلسكوب عاكس فى عام 1668 م وهو نفس التلسكوب المتطور الذى يستخدم فى المراصد الفلكية اليوم."

ماكس بلانك:

"أثبت الألمانى "ماكس بلانك" فى ديسمبر عام 1900 م أن طاقة الموجات الضوئية مكونه
من كميات الطاقة (ومفردها كمة) وأن طاقة كمة الضوء تتوقف على تردده"

طاقة كمة الضوء
طاقة كمة الضوء = مقدار ثابت "ثابت بلانك" * تردد موجة الضوء


طبيعة موجات الضوء

الضوء هو أحد أشكال الطاقة، وهو يمتاز عن أنواع الطاقة الأخرى بقدرته على إثارة حاسة الإبصار فى العين السليمة عندما يصل إليها
الضوء عبارة عن موجات كهرومغناطيسية يمكنها الانتقال فى الفراغ

"المسافة التى يقطعها الضوء فى الثانية الواحدة تعرف باسم سرعة الضوء وتساوى 300 ألف كيلومتر كل ثانية (3 * 10 م/ث) "

"طاقة موجات الضوء تتوقف على تردد هذه الموجات، فكلما زاد تردد موجة الضوء، زادت طاقتها (طاقة موجة الضوء = مقدار ثابت * تردد الموجة)"

"والضوء الأبيض عبارة عن خليط من ألوان الطيف السبعة المعروفة، وهى:
الأحمر- البرتقالى – الأصفر – الأخضر – الأزرق – النيلى – البنفسجي"
أقل ألوان الطيف ترددا الضوء الأحمر، وأعلاها ترددا الضوء البنفسجي
تعتبر الشمس أكبر مصدر للطاقة الضوئية التى تصل إلى سطح الأرض
كما تعتبر أساس المصادر الضوئية الأخرى والتى تعتمد فى طاقتها – بشكل أو بآخر – على الطاقة الشمسية


يفية انتقال الضوء
لتعرف كيف ينتقل الضوء قم بإجراء النشاط التالى:

احضر مصدرا ضوئيا وضع أمامه حائلا به ثقب
ماذا تشاهد؟
تشاهد نفاذ الضوء من خلال الثقب
انثر دقائق من مسحوق الطباشير فى طريق الضوء
ماذا تشاهد؟
ترى أن مسار الأشعة مستقيما
ضع حائلا آخر به ثقب فى طريق الحزمة الضوئية، بحيث يكون الثقبان فى الحائلين على استقامة واحدة
ماذا تشاهد؟
تشاهد نفاذ الضوء من خلال الثقبين
ضع عدة ثقوب أضيق فى مسار الضوء
ماذا تشاهد؟
تشاهد نفاذ حزمة ضوئية أقل سمكا من تلك الثقوب
من هذا النشاط يتضح ما يلي:

الضوء يسير فى خطوط مستقيمة (فى الوسط المتجانس) على هيئة حزم ضوئية يمكن التحكم فى سمكها

لا يمكن الحصول على شعاع ضوئى واحد عمليا ولكننا نتكلم عن الشعاع الضوئى من الناحية النظرية فقط

يمثل الشعاع الضوئى بخط مستقيم عليه سهم يحدد اتجاه انتشار الضوء

أنواع الأشعة الضوئية:


أشعة متوازية:
مثل أشعة الشمس نظرا لبعدها الكبير عن الأرض



أشعة متفرقة:
مثل الأشعة الصادرة من مصدر ضوئى قريب (المصباح الكهربى)


أشعة متجمعة:
مثل الأشعة الخارجة من عدسة محدبة موضوعة فى طريق أشعة الشمس

انعكاس الضوء

يلعب انعكاس الضوء دورا هاما فى رؤية الأجسام غير المضيئة وفى تكوين الصور على المرايا. ولدراسة انعكاس الضوء يتحتم علينا معرفة بعض المفاهيم الأساسية المستخدمة فى هذه الدراسة

السطح العاكس:
سطح مصقول أو نصف مصقول يكون مستويا أو محدبا أو مقعرا

الشعاع الساقط:
حزمة ضوئية ضيقة تمثل بخط مستقيم، يسقط اتجاهه على السطح العاكس، ويلامسه عند نقطة تسمى بنقطة السقوط

الشعاع المنعكس:
حزمة ضوئية ضيقة تمثل بخط مستقيم ارتد عن السطح العاكس

زاوية السقوط:
الزاوية المحصورة بين مسار الشعاع الساقط والعمود المقام على السطح العاكس عند نقطة السقوط

زاوية الانعكاس:

عندما ينعكس الضوء على سطح فإن انعكاسه يخضع لقانونين مهمين

للتحقق منهما قم بإجراء النشاط التالى:


هيئ جهاز إسقاط ضوء، ومرآة مستوية ومنقلة من البلاستيك مثبتة على ورقة بيضاء بحيث يكون مستوى المرآة عموديا على مستوى كل من المنقلة والورقة
اسقط شعاعا ضوئيا من جهاز الإسقاط على سطح المرآة
عين زاوية السقوط وزاوية الانعكاس
ماذا تلاحظ ؟
زاوية السقوط تساوى زاوية الانعكاس
غير زاوية السقوط عدة مرات وفى كل مرة عين زاوية السقوط وزاوية الانعكاس المقابلة
ماذا تلاحظ ؟
زاوية السقوط دائما تساوى زاوية الانعكاس
اجعل مستوى المرآة يميل على مستوى الورقة
ماذا تلاحظ ؟
الشعاع الساقط والشعاع المنعكس لا يقعان على الورقة البيضاء إلا عندما يكون السطح العاكس عموديا على الورقة
من هذا النشاط يتضح ما يلي:

عندما تقابل أمواج الصوت سطحا عاكسا فإنها ترتد إلى نفس الوسط وتعرف هذه الظاهرة بانعكاس الضوء

تخضع أمواج الضوء فى انعكاسها لقانونين يعرفان بـ"قانونى الانعكاس"

الانعكاس
زاوية السقوط = زاوية الانعكاس

الشعاع الضوئى الساقط، والشعاع الضوئى المنعكس، والعمود المقام من نقطة السقوط على السطح العاكس، تقع جميعها فى مستوى أفقى واحد، عمودى على السطح العاكس


ماذا يحدث للشعاع الضوئى الذى يسقط عموديا على السطح العاكس ؟

الشعاع الضوئى الذى يسقط عموديا على السطح العاكس ينعكس على نفسه لأن :
زاوية السقوط = زاوية الانعكاس = صفر


انكسار الضوء
لتعرف مفهوم انكسار الضوء قم بإجراء الأنشطة التالية:

ضع ملعقة فى كوب مملوء بالماء وانظر إليها من زوايا مختلفة عند السطح

ماذا تلاحظ؟

تبدو الملعقة ليست على استقامة واحدة
إذا كانت الملعقة فى وضع رأسى عموديا على سطح الماء فإنها تبدو على استقامتها
ضع قطعة من النقود فى كوب مملوء ماء وانظر إليها من زوايا مختلفة عند السطح

ماذا تلاحظ؟

تبدو قطعة النقود فى مكان أعلى من وضعها الحقيقى فى الكوب
ضع متوازى مستطيلات زجاجيا على سطور صفحة من كتاب وانظر إلى السطور

ماذا تلاحظ؟

تبدو سطور الصفحة فى مكان أعلى من وضعها الحقيقى



من هذا النشاط يتضح ما يلي:

إذا وضع جسم فى وسط شفاف مخالف للوسط الشفاف الذى توجد فيه العين فإن الجسم يبدو للعين فى موضع غير موضعه الحقيقي، يعرف بـ"الموضع الظاهرى"
فمثلا: القطعة المعدنية الموضوعة فى الكوب المملوء بالماء تبدو أعلى من الوضع الحقيقى
أى أن القطعة المعدنية تبدو على عمق ظاهرى أقل من العمق الحقيقى لها
يرجع ذلك إلى انكسار الضوء نتيجة انتقاله من وسط شفاف أكبر كثافة (كالماء) إلى وسط آخر شفاف أقل كثافة (كالهواء)

انكسار الضوء
هو تغيير مسار الضوء نتيجة انتقاله من وسط شفاف إلى وسط آخر شفاف مخالف له فى الكثافة الضوئية


"بقياس كل من العمق الحقيقى والعمق الظاهرى وإيجاد خارج القسمة:
خارج القسمة = العمق الحقيقى / العمق الظاهرى"
خارج القسمة هذا يكون له دلالة خاصة بالوسط (الماء) تعرف بمعامل الانكسار المطلق لهذا الوسط

معامل الانكسار المطلق لوسط
معامل الانكسار المطلق = العمق الحقيقى / العمق الظاهرى


النسبة بين سرعة الضوء فى الهواء (ع0) وسرعة الضوء فى أى وسط شفاف (ع) تعرف بمعامل الانكسار لمادة الوسط

معامل الانكسار لمادة الوسط
معامل الانكسار لمادة الوسط =
سرعة الضوء فى الهواء (ع0) / سرعة الضوء فى هذا الوسط (ع)


علل : معامل الانكسار لمادة الوسط تكون دائما أكبر من الواحد الصحيح

معامل الانكسار لمادة الوسط تكون دائما أكبر من الواحد الصحيح لأن سرعة الضوء فى الهواء تكون دائما أكبر من سرعته فى أى وسط شفاف آخر


انكسار الضوء فى المنشور الثلاثى
لتعرف كيف ينكسر الضوء فى المنشور الثلاثى قم بإجراء النشاط التالى:


ضع منشورا ثلاثيا من الزجاج على إحدى قاعدتيه المثلثتين على ورقة بيضاء
حدد موضعه على الورقة بالقلم الرصاص ( ل م ن )
ارفع المنشور وارسم خطا مائلا (أ ب) يمثل الشعاع الساقط يقابل وجه المنشور (ل م) فى (ب)
أقم من (ب) عمودا على الوجه (ل م)
ضع المنشور مكانه على الورقة وانظر من الوجه المقابل (ل ن)
ماذا تلاحظ ؟
أحدث المنشور الثلاثى انحرافا للشعاع الخارج عن اتجاه الشعاع الساقط
ضع مسطرتك بحيث تكون حافتها على استقامة صورة الخط (أ ب) وارسم خطأ بالقلم الرصاص يحدد الشعاع الخارج
ارفع المنشور ومد الخط الذى رسمته ليقابل وجه المنشور (ل ن) فى (ج)
يكون المستقيم (ج د) ممثلا للشعاع الخارج
أكمل امتداد الشعاع الخارج
أقم من (ج) عمودا على الوجه (ل ن)
صل (ب ج) فيمثل الشعاع المنكسر داخل المنشور
مد الشعاع الساقط على استقامته إلى نقطة (هـ)
مد الشعاع الخارج على استقامته حتى يقابل امتداد الشعاع الساقط فى نقط (و)
ماذا تعنى الزاوية ج و هـ ؟
الزاوية ج و هـ هى انحراف الشعاع الخارج عن اتجاه الشعاع الساقط وتعرف بـ "زاوية الانحراف"
من هذا النشاط يتضح ما يلي:
زاوية الانحراف فى المنشور الثلاثى هى الزاوية المحصورة بين امتداد الشعاع الساقط وامتداد الشعاع الخارج