تقرير عن انكسار الضوء للصف الثاني عشر 2024.

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.

معامل الانكسار للوسط Index of refraction
يعرف معامل انكسار الوسط على انه يساوي سرعة الضوء في الهواء على سرعة الضوء في الوسط ويرمز له بالرمز n. وتكون n دائماً أكبر من او يساوي الواحد الصحيح لان سرعة الضوء في الهواء اكبر مايمكن.
فإذا زمزنا إلى سرعة الضوء في الهواء بالرمز c ورمزنا لسرعة الضوء في الوسط بالرمز v فإن معامل الانكسار يعطى بالمعادلة التالية:

بعض قيم معامل الانكسار هي
Vacuum n=1, Air n=1.0003, Water n=1.33, Glass n=1.46, 1.52, 1.58, Diamond n=2.42

Solution

قانون سنيل للانكسار Snell’s law for refraction
عندما ينتقل الضوء من وسط إلى وسط آخر فإن جزء من الضوء ينكس عند الحد الفاصل بين الوسطين، بينما ينفذ الجزء الباقي داخل الوسط وينكسر بزاوية اقل من زاوية السقوط هذا اذا كان الضوء ساقط من وسط اقل كثافة ضوئي n1 على وسط اكبر كثافة ضوئية n2 أي أن n2>n1 كما في الشكل (a)، بينما تكون زاوية الانكسار اكبر من زاوية السقوط اذا حدث وان سقط الضوء من وسط ضوئي اكبر كثافة ضوئية الى وسط اقل كثافة ضوئية كما في الشكل (b)

(b) زاوية الانكسار اكبر من زاوية السقوط(a) زاوية الانكسار اصغر من زاوية السقوط

العلاقة بين زاوية السقوط وزاوية الانكسار اوضحها العالم Snell في قانون الانكسار وهو

يتضح من المعادلة السابقة انه عندما تكون n2>n1 فإن q2<q1، أما إذا كانت n1>n2 فإن q1<q2 كما هو موضح في الشكل اعلاه.

Light strikes a flat piece of glass at an incident angle 60o, as shown in the figure. If the index of refraction of the glass is 1.5, (a) what is the angle of refraction qA in the glass; (b) what is the angle qB at which the ray emerge from the glass?

(a) Using Snell’s law

(b) Using Snell’s law,

لاحظ ان زاوية خروج الضوء من الزجاج تساوي زاوية سقوط الضوء على الزجاج

A swimmer has dropped her goggles in the shallow end of a pool, marked as 1m deep. But the goggles don’t look that deep. Why? How deep do the goggles appear to be when you look straight down into the water?

بالرغم من ان عمق الماء 1 متر الا ان العدسات ستظهر على مسافة اقل للشخص الناظر من خارج الماء لان الضوء المنعكس عن النظارات عند وصوله للحد الفاصل مع الهواء ينعكس مبتعدا عن العمود المقام على السطح وتكون زاوية الانكسار اكبر من زاوية السقوط كما في الشكل اعلاه وتظهر النظارات عند مد الاشعة المنكسرة على استقامتها ونقطة تلاقي الاشعة المنكسرة هي العمق الذي ستظهر فيه النظارات والذي سيكون اقل من العمق الحقيقي وهو 1 متر.

لايجاد العمق الظاهري للنظارات نستخدم قانون Snell علما بأن n1=1 و n2=1.33

نحتاج إلى الاستفادة من التقريب الذي يمكن استخدامه عندما تكون الزاوية صغيرة فيكون

وعليه يصبح قانون Snell

من الشكل اعلاه ايضا يمكن استخدام المثلث القائم الزاوية لحساب قيمة زاوية السقوط وزاوية الانكسار.

بالتعويض في قانون sneel بعد التقريب نحصل على

اي تظهر النظارات على عمق يساوي 0.75m بينما في الحقيقة تكون النظارات على عمق 1m.
ظاهرة الانعكاس الكلي Total internal reflection
عندما ينفذ الضوء من مادة إلى مادة اخرى ذات معامل انكسار اقل مثل نفاذ الضوء من الماء إلى الهواء او من الزجاج الى الهواء، فإن الضوء سينكسر مبتعداً عن العمود المقام على السطح الفاصل بين المادتين عند النقطة J في الشكل الموضح ادناه. وعند زاوية سقوط معينة تسمى الزاوية الحرجة critical angle ويرمز لها بالرمز qc تكون زاوية الانكسار 90 درجة اي تنفذ الضوء على مساواة السطح الفاصل كما في الشكل الموضح أدناه عند النقطة K.

يمكن حساب قيمة الزاوية الحرجة باستخدام قانون Snell

اذا كانت زاوية السقوط اكبر من الزاوية الحرجة كما هو موضح في الشكل اعلاه عند النقطة L تحدث ظاهرة الانعكاس الكلي total internal reflection ولا ينفذ اي ضوء من الوسط n1.

تابع الانعكاس الكلي الداخلي
 وبالتالي فانه من السهولة توقع ما يمكن حدوثه إذا زيدت زاوية سقوط الشعاع بالوسط عن مقدار الزاوية الحرجة ! لا بد أنّ الشعاع سينعكس كله عند السطح ويحبس داخل الزجاج فيما يعرف بظاهرة الانعكاس الكلى الداخلي .
 ومن الملاحظ أن حدوث هذه الظاهرة يتطلب بالضرورة سقوط الشعاع على سطح سرعته خارجه اكبر من سرعته داخله أي أن ينتقل من مادة كثيفة ضوئيا ( ذات معامل انكسار اكبر) إلى مادة اقل كثافة ضوئية , وبزاوية سقوط اكبر من الزاوية الحرجة .

تطبيقات على ظاهرة الانعكاس الكلي الداخلي
 1- السراب

 2- قوس قزح

 3-الالياف الضوئية

السراب

 السراب :- هو عبارة عن ظاهرة طبيعية تحدث بسبب الاختلاف في كثافة طبقات الهواء القريبة من سطح الارض وحدوث الانعكاس الكلي الداخلي في إحداها عندما تزيد زاوية سقوط الاشعة فيها عن الزاوية الحرجة.
 وتفسيرا لما يشاهده المسافر في الصحراء وفي المناطق القطبية أثناء النها رمن صور مقلوبة للأشياء كالاشجار والحيوانات فإن ذلك مرده الى وجود ظاهرة السراب .

 وقد ورد ذكر السراب في القران الكريم في سورة النور في قوله تعالى (( والذين كفروا أعمالهم كسراب بقيعة.(1) يحسبه الظمآن ماء حتى إذا جاءه لم يجد شيئا ووجد الله عنده فوفاه حسابه والله سريع الحساب)) . بقيعة:-المكان الخالي الفسيح )

 أنواع السراب:-
 1- سراب صحراوي .
 2- سراب قطبي .

السراب الصحراوي

 كيف يحدث السراب الصحراوي؟
 عندما تكون الشمس ساطعة ترتفع درجة حرارة سطح الارض فتسخن طبقة الهواء التي فوقها فتكون درجة حرارة الهواء في الطبقة التي تليها أقل سخونة وهكذا تنتقل الاشعة الصادرة عن الاجسام على سطح الارض من منطقة هواء بارد نسبيا الى أخرى أسخن فتنكسر الاشعة عند السطح الفاصل بينهما مبتعدة عن العمود المقام على السطح الفاصل من نقطة السقوط وتستمر كذلك الى أن تصل زاوية السقوط الى زاوية أكبر من الزاوية الحرجة فتنعكس انعكاس كلي داخلى ونتيجة لذلك يسير الضوء الى عين الناظر عبر المسار المبين في الشكل المجاور على أنه خيال مقلوب .

السراب القطبي

 كيف يحدث السراب القطبي؟
 يحدث السراب القطبي نتيجة اختلاف كثافة طبقات الهواء القريبة من الارض حيث تكون الطبقات القريب من الارض عاليه البرودة والاعلى منها تتميز أنها اقل برودة في هذه الحالة تنتقل الأشعة الصادرة عن الاجسام على سطح الارض من منطقه هواء بارد جدا الى منطقه هواء اقل برودة فتنكسر الأشعة عند السطح الفاصل مبتعدة عن العمود المقام عليه وتستمر كذلك الى ان تصل الى زاوية سقوط اكبر من الزاوية الحرجة وعندها يرى الناظر امتداد االاشعه المنعكسة ليشاهد خيالا مقلوبا .

 من الملاحظ انه في الشتاء بعد سقوط المطر وظهور اشعه الشمس مباشرة تكون قوس قزح في الافق وعند الكتابة بقلم حبر جاف وسقوط اشعه الشمس عليه فانك تلاحظ ظهور الوان الى جانب القلم , فما تفسير هذه الظواهر ؟ فما هو قوس قزح؟ وما شروط تكونه ؟ .

 قوس قزح:ظاهره طبيعية تحدث في الافق المقابل للشمس في الشتاء وتحدث بفعل تحلل ضوء الشمس في قطرات الماء وحدوث انعكاسات كليه داخليه فيها .
 وهو من الظواهر الطبيعية الاخرى التي يمكن تفسيرها ايضا بواسطة الانعكاس الكلي الداخلي .
 ما شروط حدوث ظاهره قوس قزح؟
 1- وجود اشعه الشمس .
 2- وجود قطرات الماء التي يحدث فيها الانعكاس .
ما هي الالياف الضوئية؟

 كلما تحدث الناس عن أنظمة التلفون أو التلفزيون التي تعمل بالكوابل أو شبكات الانترنت اقترن الحديث دوما بذكر الألياف الضوئية فما هي الألياف الضوئية؟
 الألياف الضوئية: هي عبارة عن جدائل طويلة من زجاج على درجة عالية من النقاء يصل رفعها إلى حد أن تماثل شعرة الإنسان. تصطف هذه الجدائل معا في حزمة تسمى الحبل الضوئي (optical cable).
مميزات الألياف الضوئية

 لقد أحدثت الألياف الضوئية ثورة في عالم الاتصالات لتميزها على أسلاك التوصيل العادية فهي
 1-أكثر قدرة على حمل المعلومات لان الألياف الضوئية ارفع من الأسلاك العادية فانه يمكن وضع عدد كبير منها داخل الحزمة الواحدة مما يزيد عدد خطوط الهاتف أو عدد قنوات البث التلفزيوني في حبل واحد. يكفي أن تعرف إن عرض النطاق للألياف الضوئية يصل إلى 50THZ في حين إن اكبر عرض نطاق يحتاجه البث التلفزيوني لا يتجاوز 6MHz .
 2-اقل حجما حيث أن نصف قطرها اقل من نصف قطر الأسلاك النحاسية التقليدية فمثلا يمكن استبدال سلك نحاسي قطره 7.62سم بآخر من الألياف الضوئية قطره لا يتجاوز0.635سم و هذا يمثل أهمية خاصة عند مد الأسلاك تحت الأرض.

مكونات الالياف الضوئية

• Core و هو قلب من الزجاج الفائق النقاء يمثل المسار الذي ينتقل من خلاله الضوء
• cladding و هو المادة الخارجية التي تحيط بالقلب الزجاجي و هي مصنوعة من زجاج يختلف معامل انكساره عن معامل انكسار الزجاج الذي يصنع منه القلب و يعكس الضوء باستمرار ليظل في داخل القلب الزجاجي.
• Buffer coating و هو غلاف بلاستيكي يحمي القلب من الضرر.

 مئات أو ربما الآلاف من هذه الألياف الضوئية تصطف معا في
حزمة لتكون الحبل الضوئي الذي يحمى بغطاء خارجي يسمى
جاكيت.

آلية عمل الالياف الضوئية

 افترض انك تريد أن توصل ومضة ضوئية خلال مسار طويل مستقيم كل ما عليك هو أن توجه الضوء خلال هذا المسار و لان الضوء ينتقل في خطوط مستقيمة فانه سيصل للطرف الآخر بلا مشاكل. لكن ماذا لو كان المسار به انحناء؟ بسهولة يمكن أن تتغلب على ذلك بوضع مرآة عند الانحناء لتعكس الضوء إلى داخل المسار مرة أخرى . و بنفس الطريقة تحل المشكلة لو كان المسار كثير الانحناءات حيث تصف مرايا على طول المسار لتعكس الضوء باستمرار من جانب لأخر ليبقى في مساره. هذه بالضبط هي فكرة عمل الألياف الضوئية. حيث ينتقل الضوء بواسطة الانعكاس المستمر عن الجدار المحاذي للقلب الزجاجي(cladding) انعكاسا داخليا كليا. و لان هذا الجدار لا يمتص أي من الضوء الساقط عليه فان الإشارة الضوئية يمكن أن تسافر مسافات طويلة. و لكن يحدث أحيانا أن يفقد جزء من الضوء حيث تمتصه الشوائب الموجودة في القلب الزجاجي

الاخيلة (العدسات)
 في خاصية الانكسار السابقة التي تعرفنا عليها في جميع حالتها كان السطح الفاصل الذي تنكسر عنده الاشعة الضوئية مستويا وفي هذه الخاصية سنتابع موضوع الانكسار عندما يكون السطح الفاصل منحنيا غير مستوي كما سنناقش إحدى الادوات المهمة التي تعتمد مفهوم انكسار الضوء والتي كان لاختراعها الاثر الكبير في تقدم العلوم وبخاصة علم الفلك هذه الاداة هي العدسة .فما العدسات ؟ وما أنواعها وكيف تكسر الاشعة الضوئية ؟وما صفات الاخيلة التي تكونها ؟وما تطبيقاتها العملية في الحياة ؟هذه الاسئلة وغيرها ستتمكن من الاجابة عنها بعد دراستك لهذه الخاصية إن شاء الله .
العدسات مفهومها وأنواعها
 العدسة :-جسم شفاف محصور بين سطحين كرويين .
 أنواع العدسات :-
 1- عدسة محدبة (convex ( :- تكون ثخينة في الوسط ورقيقة في الاطراف . وإذا سقطت أشعة متوازية عليها فانها تجمعها في نقطة واحدة لذلك سميت عدسة لامة أو جامعة . وتكون العدسة المحدبة على ثلاث أشكال :-
 1- عدسة محدبة الوجهين .
 2- عدسة محدبة مستوية .
 3- عدسة محدبة مقعرة .
العدسات مفهومها وأنواعها
 2- العدسة المقعرة(:- (concaveتكون رقيقة في الوسط وسميكة من الاطراف وإذا سقطت عليها أشعة متوازية فانها تفرقها لذلك تسمى العدسة المفرقة وهي ثلاث أنواع حسب تحدب سطحها:-
 1- عدسة مقعرة
 2- عدسة مقعرة مستوية
المصطلحات المستعملة في دراسة العدسات
 1- مركز التكور :- مركز الكرة التي يكون سطح العدسة جزءا منها وللعدسة مركز تكور لكل سطح .
 2- المحور الرئيسي :- امتداد الخط الواصل بين مركزي تكور سطحي العدسة
 3- قطب العدسة :- نقطة تقاطع سطح العدسة مع محورها ولها قطب لكل سطح
 4- السطح الاساسي :- السطح الذي تتلاقى فيه امتدادات الاشعة الساقطة على العدسة مع امتدادت الاشعة النافذة منها .
 5- المركز البصري :- نقطة في العدسة على محورها الرئيسي لا يتغير اتجاه الشعاع المار فيه .
 6- البعد البؤري :- المسافة بين المركز البصري للعدسة وإحدى نقطتيها البؤرتين (البعد للعدسة المحدبة موجب وللمقعرة سالب ،بؤرة المحدبة حقيقة والمقعرة وهمية)
 3- عدسة مقعرة محدبة
المصطلحات المستعملة في دراسة العدسات
 7- النقطة البؤرية الاولى :-نقطة على محور العدسة الرئيسي تنكسر الاشعة الصادرة منها في العدسة وتخرج موازية لمحورها (المحدبة) أو تتلاقى فيها امتدادات الاشعة الساقطة على العدسة التي تنكسر ثم تخرج موازية لمحورها (المقعرة)
 8- النقطة البؤرية الثانية:- نقطة على محور العدسة تتجمع فيها الاشعة المتوازية والموازية لمحور العدسة بعد انكسارها عن العدسة (المحدبة) أو تنكسر الاشعة المتوازية عند سطحي العدسة وتبدو كأنها خارجة منها (المقعرة)
 9- الخيال الحقيقي :- الخيال الذي يتكون بسبب تلاقي الاشعة بعد انكسارها عند سطحي العدسة ويمكن جمعه على ستار .
 10-الخيال الوهمي:- هو الذي لا يتكون عند تلاقي امتداد الاشعة المنكسرة ولا يمكن جمعه على ستار .
المصطلحات المستخدمة في دراسة العدسات
 11-الجسم الحقيقي :- هو الجسم الذي تصدرعنه أشعة متفرقة قد يكون ماديا مثل الشمعة أو يكون خيالا حقيقيا تكونه عدسة محدبة ويقع أمام عدسة أخرى .
 12- الجسم الوهمي :- خيال وهمي تكونه عدسة ثم تسقط الاشعة (التي يتكون الخيال الوهمي عن التقاء امتدادها )على عدسة اخرى
عمل العدسة ( المنشور)
 يقوم المنشور على حرف الاشعة الضوئية وزاوية الانحراف الكلي تعتمد على زاوية رأسه ففي الشكل المجاور الشعاع (أ) سقط عموديا على جزء من المنشور يشبه متوازي المستطيلات
اذ لا ينحرف الشعاع عن مساره اما الشعاع
(ب)فقد سقط على جزء من منشور زاوية رأسه
صغيرة فتكون زاوية انحرافه صغيرة بينما الشعاع
(ج) سقط على جزء من منشور زاوية رأسه كبيرة
وبذلك تكون زاوية انحرافه أكبر وتتلاقى هذه
الاشعة في البؤرة والخلاصة يمكننا اعتبار العدسة مكونة من
مجموعة شرائح كل شريحة جزء من منشور ثم تكون زوايا رؤوس
المنشورات صغيرة في الوسط وتكبر حتى نصل الى الاطراف.
العدسة الرقيقة
 العدسة الرقيقة :-
 هي العدسة التي يكون سطحاها الكرويان قريبين من بعضهما الى درجة يمكن اعتبار المسافة بينهما (سمك العدسة) صغيرة بالنسبة لبعدها البؤري . لاحظ الشكل المجاور
صفات الأخلية المتكونة لجسم في العدسات
 يقصد بصفات الاخيلة المتكون لجسم بوساطة عدسة أن يكون : حقيقيا أم وهميا ؛مكبرا أم مصغرا ؛معتدلا أم مقلوبا
 ولتحديد ذلك يمكن استخدام إحدى الطريقتين الآتيتين:-

 في هذه الطريقة يكتفي بتحديد الخيال المتكون للجسم برسم شعاعين من الاشعة الثلاثة الآتية مع استخدام مقياس رسم مناسب
 1- شعاع مواز للمحور الرئيسي ينكسر في العدسة مارا بالبؤرة الثانية وذلك في العدسة المحدبة أو امتداد ليمر بالبؤرة الثانية وذلك في العدسة المقعرة .
 2- شعاع مار بالبؤرة الاولى ينكسر في العدسة ويخرج موازيا لمحورها وذلك في العدسة المحدبة أو امتداد الشعاع المار بالبؤرة ينكسر موازيا للمحور الرئيسي وذلك في العدسة المحدبة .

م/ن