دروس الضوء 2024.

معامل الانكسار النسبي بين وسطين

[/INDENT][/INDENT]

ملاحظات هامة
إذا سقط شعاع عموديا على السطح الفاصل تكون زاوية السقوط صفرا وبالتالي تصبح زاوية الانكسار صفرا فينفذ الشعاع في الوسط الثاني على استقامته دون أن يعاني انكسارا
كيفية عمل البرنامج
يمكن تغيير زاوية السقوط بتحريك المنزلقة على شريط التمرير الخاص بزاوية السقوط
يمكن تغيير الطول الموجي بتحريك المنزلقة على شريط التمرير الخاص بالطول الموجي

انكسار الضوء (بالإنجليزية : Refraction) "الموجات" هو ظاهرة فيزيائية عبرت الفيزياء الكلاسكية بأنها ، تغير في الموجات و نظام الحركة التي تحدثها الموجات في الوسط المادى وجزيئات هذا الوسط فتحدت حركة ذات نظام معين تنتق عبرها الطاقة وعندما تنتقل إلى وسط آخر مختلف في الكثافة فتغير الاتجاه بسبب تغير سرعتها وتتغير سرعة موجتها بسب تقيد حركة الموجات في الوسط الأكبر كثافة فتبطء سرعتها وزيادة الحرية في الانتقال عبر الوسط الأقل . وهي يحصل عند انتقال الموجة من وسط ذي معامل انكسار ما إلى وسط ذي معامل انكسار مختلف . ويحصل الانكسار عند الحد بين الوسطين . وعند الانكسار يتغير الطول الموجي ولكن التردد يبقى ثابتا . ومن الامثلة على الانكسار الموجي تغير اتجاه الضوء عند مروره عبر قطعة زجاجية .
يوجد علاقة بين الضوء الساقط والضوء المنكسر وهي حسب قانون سنيل.
انكسار الضوء هو أحد الظواهر التي يتعرض له الضوء لهذه الظاهرة توجد أهمية كبيرة لفهمنا الطبيعة التي تصادفنا كما أن لها استخدامات تقنية باجهزة عملية عديدة.
انكسارالضوء: هو عبارة عن انحراف الضوء عن مساره عند انتقاله من وسط شفاف إلى وسط شفاف آخر فبدل أن يستمر في الحركة على نفس الخط المستقيم الذي كان يستمر فيه ينحرف عن مساره بنقطه انتقاله بين الوسطين. ان العلاقة بين الضوء الساقط والضوء المنحرف هي حسب قانون سنيل . معامل الانكسار n :هو النسبة بين سرعة الضوء في الفراغ وبين سرعته في المادة.
c = سرعة الضوء في الفراغ (الهواء)
v = سرعه الضوء في المادة
n لا يوجد له وحدات
n = v/c

• انكسار الضوء: هو تغير اتجاه الشعاع الضوئي عندما يجتاز السطح الفاصل بين وسطين شفافين مختلفين.

• الكثافة الضوئية لوسط ما: هو المقدار الذي يميز اعتماد سرعة انتشار الضوء على نوع الوسط وتقاس بالقيمة العددية لمعامل الانكسار المطلق للوسط أو هي قدرة الوسط على كسر الأشعة الضوئية عند نفاذها فيه.
• السطح الفاصل: هو السطح الذي يفصل بين وسطين شفافين مختلفين في الكثافة الضوئية.
• الشعاع الضوئي الساقط: هو الشعاع المتجه إلى السطح الفاصل ويقابله في نقطة السقوط.
• زاوية السقوط: هي الزاوية المحصورة بين الشعاع الضوئي الساقط والعمود المقام من نقطة السقوط على السطح الفاصل.
• الشعاع الضوئي المنكسر: هو المسار الجديد للشعاع الضوئي في الوسط الثاني بعد نفاذه من السطح الفاصل.
• زاوية الانكسار: هي الزاوية المحصورة بين الشعاع الضوئي المنكسر والعمود المقام من نقطة السقوط على السطح الفاصل.
• قانون الانكسار الأول: نسبة جيب زاوية السقوط إلى جيب زاوية الانكسار لوسطين معينين هي مقدار ثابت يعرف بمعامل الانكسار النسبي بين الوسطين.
• قانون الانكسار الثاني: يقع الشعاع الساقط والشعاع المنكسر في مستوى واحد مع العمود المقام من نقطة سقوط الشعاع على السطح الفاصل بين الوسطين.
• عامل 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
• 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. انكسار موجات الضوء في الماء. المستطيل الغامق يمثل الوضع الحقيقي لقلم رصاص بوعاء مائي . المستطيل الفاتح يمثل الصورة المرئية نتيجة للأنكسار. ضع في العتبار أن علامة(X) تظهر كما هي علامة (Y),وهو وضع سطحي نسبيا بالنسبة ل(X).

  
  تظهر الشفاطة وكأنها منكسرة, نتيجة لإنكسار الضوء كما يظهر في الهواء.

  انكسار الضوء (بالإنجليزية : Refraction) "الموجات" هو ظاهرة فيزيائية عبرت

الشكل 1

الناظم وهو عمودي على المماس ض ض’.
نانا’
الشعاع الوارد ( الساقط عند هـ ) .
وهـ
الشعاع المنكسر ( البارز من هـ) .
هـ ك
زاوية الورود .
د
زاوية الانكسار .
ر

يمكن تحقيق هذه التجربة بتمرير حزمة ضوئية من الوسط (الهواء ) إلى الوسط (ماء ) أو (الزجاج ) ، إذا لون الماء بالفلوروسين فإنه يتألق عند مرور الضوء .
ملاحظة 1 :

في حالة ما إذا مرت الحزمة من وسط أكثر كثافة إلى وسط أقل كثافة تكون زاوية الانكسار أكبر من زاوية الورود (الشكل2 ) .
وتكون : ف = ر – د
ملاحظة 2 :

الشكل 2

ترافق ظاهرة الانكسار ظاهرة الانعكاس ولو بنسبة قليلة .
ملاحظة 3 :

2 -قانونا الانكسار :

أ – القانون الأول : يقع الشعاع الضوئي الوارد (وهـ) و الشعاع الضوئي المنكسر (هـ ك) في نفس المستوي (¶).
ب – القانون الثاني : إذا انتقل شعاع ضوئي من وسط نسيق شفاف و متجانس إلى وسط آخر نسيق شفـاف ومتجانس فإن :

ن1 جب د = ن2 جب ر (الشكل 1)

ن2 جب د = ن1 جب ر (الشكل 2)

إذا كانت زاويتا الورود و الانكسار صغيرتين فإن :

ن1´ د = ن2´ ر (الشكل 1)

ن2´ د = ن1´ ر (الشكل 2)
ملاحظة :

قرينة انكسار الهواء ن1= 1.0 و قرينة انكسار الزجاج ن2= 1.5 ، زاوية الورود 60 ° من الوسط الأول (الهواء) إلى الوسط الثاني (الزجاج) (الشكل3 ).
– أحسب زاويتي الانكسار الأول و الانكسار الثاني على الترتيب (&thorn و (&szlig
تطبيق :

عندما ننظر عبر الزجاج فإن :
– الشعاع الضوئي الوارد (وهـ ) و الشعاع الضوئي البارز من الزجاج هـَ ك’ ، يكون بينهما بعدا

و : زاوية الورود ، ر :زاوية الانكسار في الزجاج، ث : ثخن الصفيحة الزجاجية
*تشكل الصفيحة متوازية الوجهين لجسم حقيقي خيالا وهميا يساوي الجسم و أقرب منه إلى الصفيحة و يبعد الخيال عن الجسم عموديا على الصفيحة بمقدار :

ل = ث(1 – 1/ن ) حيث (ن) قرينة انكسار الزجاج
*

إذا كان سمك زجاجة متوازية الوجهين 5ملم و ن= 1.5 أحسب البعد بين الشعاع الوارد و الشعاع البارز في الحالتين:
تطبيق :

زاوية الورود د=0
/أزاوية الورود د=30°
/بو ذلك عندما ننظر عبر هذا الزجاج .

قانونا الانكسار ليسا صالحين بدقة إلا إذا كان الضوء وحيد اللون لأن قرينة انكسار الضوء تختلف باختلاف سرعة الضوء في الوسط ، سرعة الضوء الأحمر تختلف عن سرعة الضوء الأزرق:

* ملاحظة :

يمكن التحقق تجريبيا من قانوني الانكسار و ذلك باستعمال ضوء الأحمر لمصباح ليزر التجاري.
*

3 -الانكسار الحدي و الانعكاس الكلي:

عندما ينتقل شعاع ضوئي من وسط أقل كسرا للضوء إلى وسط أكثر كسرا للضوء فإنه ينحرف مقتربا من الناظم الشكل (1) .
* /أ عندما ينتقل شعاع ضوئي من وسط أكثر كسرا للضوء إلى وسط أقل كسرا للضوء فإنه ينحرف مبتعدا عن الناظم الشكل (2) .
*
من الشكل (2) : عندما تتغير الزاوية (ر) من 0 إلى 90 ° فإن الزاوية (د) تتغير من 0 إلى زاوية ح تسمى الزاوية الحدية :
ن2 جب ح = ن1 جب ر
عندما نغير إحدى الزاويتين فإن زاوية الورود د تنتهي إلى 90 ° قبل ر و منه :
(الشكل 1)
جب ح = ن1 / ن2 تسمى ح الزاوية الحدية وتتعلق بـ: ن1 و ن2
إذا كانت ن1 للهواء و ن2 =1.5 للزجاج فإن : جب ح = 1/ن2 = 0.667 ح=42°
بعض الزوايا الحدية للانكسار :
الماء : ن = 1.33 ؛ ح =49 °
الماس : ن =2.4 ؛ ح = 25 °

عندما ينتقل شعاع ضوئي من وسط أكثر كسرا إلى وسط أقل كسرا للضوء فإنه ينكسر مبتعدا عن الناظم الشكل (2) .
* /ب
إن تغير لإحدى الزاويتين تجعل زاوية الانكسار ر تصل إلى الزاوية 90 ° أولا :
ن2 جب د = ن1 جب ر
يحدث داخل الوسط (2) انعكاس كلي (الشكل 4 ).

إذا سقط شعاع ضوئي داخل الماء بزاوية ورود 49 ° فأكثر فإنه ينعكس كلية ولا يخرج من الماء الهواء.
مثال :

إذا كانت زاوية الورود صفر كانت زاوية الانكسار صفر كذلك
حالة خاصة :

في وعاء من زجاج يحتوي على ماء ملون بالفلورسين فإن حزمة ضوئية (ش و) تنعكس على مرآة داخل الماء (يمكن تدويرها ).
تجربة فرينل :

فإذا كانت زاوية الورود أصغر من الزاوية الحدية برز الشعاع الضوئي المنعكس على المرآة من الماء و يحدث انعكاس جزئي في الماء عند الحد الفاصل بين الماء و الهواء .
*أما إذا كانت زاوية الورود أكبر من الزاوية الحدية شاهدنا انعكاسا كليا داخل الماء بعد الانعكاس على المرآة الشكل (5) .
*

موشور متساوي الساقين قائم ، فإذا كانت زاوية الورود أكبر من الزاوية الحدية للزجاج 42 ° حدث انعكاس كلي (الشكل 6 ).
موشور كلي الانعكاس :

*

يتم نقل الضوء بالاعتماد على ظاهرة الانعكاس الكلي ( النافورة الضوئية ،جهاز الفيبروسكوب…) (الشكل 7).
نقل الضوء :

*

4 -الكاسر المستوي:

نضع داخل وعاء قطعة نقدية حيث لا يمكن رؤيتها ، ثم نملأ الوعاء فترى بالعين (الشكل 8 ).
تجربة:

*

الخيال المعطى بواسطة كاسر مستوي في حالة جسم واقع في وسط أشد كسرا :

¤
تقع عين المراقب في الهواء و تنظر إلى قطعة النقود في قعر حوض يحتوي ماءا تشكل (ص1) جسما نقطيا حقيقيا يرسل هذا الجسم النقطي الحقيقي حزمة ضوئية متباعدة واردة على كاسر المستوي ، تستقبل العين الحزمة الضوئية المتباعدة المنكسرة ذات القمة (ض2) التي تشكل الخيال الوهمي الذي تشاهده العين .
الجسم الحقيقي :
*نفترض شعاعين ضوئيين من هذه الحزمة الضوئية الواردة هما : (ض1هـ) العمودي على الكاسر المستوي .(ض1و) ذو زاوية ورود (د) صغيرة ، يوافق هذان الشعاعان المنكسران (هـ ك) العمودي الكاسر، وك2 ذو زاوية الانكسار (ر) صغيرة وهي أكبر من (د). لذا فإن امتداد الشعاع (وك2) يقطع امتداد الشعاع (هـ ك1) في النقطة ض2 التي تقع في الماء بين النقطتين ض1،هـ (الشكل 9 ).

وعليه فإن المراقب يرى ض2 الذي هو خيال وهمي للجسم النقطي الحقيقي ض1 ، هذا الخيال الذي يقع في الماء و يكون أقرب إلى كاسر المستوي أكثر من قرب ض1 إليه ، لذا تبدو قطعة النقود للمراقب و كأنها تقع على عمق ظاهري هـ ض2 أصغر من العمق الحقيقي هـ ض1 .

لتعيين العمق الظاهري هـ ض2:
لدينا من الشكل : ظل د = وهـ / هـ ض1 ؛ ظل ر = وهـ/ هـ ض2

إذا كانت زاوية الورود كبيرة فإن الخيال الوهمي للجسم الحقيقي لا يبدو واضحا .
ملاحظة :

ومنه يكون :
ظل د/ ظل ر = هـ ض2/هـ ض1 .
وحيث أن الزاويتين د ، ر صغيرتان فإن :
جب د/جب ر ظل د/ ظل ر=هـ ض2/هـ ض1
لدينا من القانون الثاني للانكسار :
جب د/جب ر= ن2/ن1
حيث ن2،ن1 قرينتا انكسار الوسطين الأول و الثاني على الترتيب .
ومنه : هـ ض2/هـ ض1= ن2/ن1
إذن : هـ ض2= (ن2/ن1) هـ ض1
حيث أن ن1 > ن2 فالعلاقة تؤكد بأن :
هـ ض2 < هـ ض1
في الحالة التي يكون فيها الوسط الثاني عبارة عن الهواء (ن2=1) كما هو الحال في مثالنا هذا يكون:
هـ ض2= (1/ن1) هـ ض1
يعطي الكاسر المستوي لجسم حقيقي ، يقع في وسط أشد كسرا، خيالا وهميا واقعا في الوسط، وموجودا على مسافة أقرب من الجسم الحقيقي بالنسبة للكاسر المستوي، تعطى هذه المسافة بالعلاقة : ل2 = ن2/ن1 ل1
ل1 بعد الجسم الحقيقي عن الكاسر المستوي
حيث
ن1 قرينة انكسار الوسط الذي يوجد به الضوء الوارد
ن2 قرينة انكسار الوسط الذي يوجد به الضوء المنكسر

نحصل على نفس النتائج في الحالة التي يكون فيها الجسم الحقيقي غير نقطي .
ملاحظة :

بتطبيق مبدأ الرجوع العكسي للضوء على الحالة السابقة ( شكل 12 ) نستخلص ما يلي:
الجسم الوهمي :
*يعطي الكاسر المستوي لجسم وهمي ، يقع في وسط أشد كسرا ، خيالا حقيقيا واقعا في نفس الوسط وموجودا على مسافة أبعد من الجسم الوهمي بالنسبة للكاسر المستوي (الشكل 10).
تعطى هذه المسافة بالعلاقة:
ل2 = ن2/ن1 ل1
ل1 بعد الجسم الوهمي عن الكاسر المستوي
حيث
ن1 قرينة انكسار الوسط الذي يوجد به الضوء الوارد
ن2 قرينة انكسار الوسط الذي يوجد به الضوء المنكسر

عندما يكون الوسط ( 1 ) عبارة عن الهواء ( ن1 =1 ) يكون: ل2 = ن2 . ل1
ملاحظة :

الخيال المعطى بواسطة كاسر مستوي في حالة جسم واقع في وسط أقل كسرا:

¤
يمكن باتباع نفس طريقة الدراسة السابقة ، الحصول على النتائج التالية:
يعطي الكاسر المستوي لجسم حقيقي يقع في وسط أقل كسرا ، خيالا وهميا واقعا في نفس الوسط ، وموجودا على مسافة أبعد من الجسم الحقيقي بالنسبة للكاسر المستوي .
الجسم الحقيقي :
*تعطى هذه المسافة بالعلاقة :
ل2 = ن2/ن1 . ل1

يعطى الكاسر المستوي لجسم وهمي ، يقع في وسط أقل كسرا، خيالا حقيقيا واقعا في نفس الوسط ، وموجودا على مسافة أقرب من الجسم الوهمي بالنسبة للكاسر المستوي.
الجسم الوهمي :
*تعطى هذه المسافة بالعلاقة:
ل2 = ن2/ن1 ل1
حيث ل2 ، ل1 ، ن2 ، ن1 لها نفس المدلولات المشار إليها سابقا.

يظهر السراب في الصحراء من جراء الحرارة و الرطوبة ، عندما تكون درجة الحرارة في الأسفل ساخنة و في الأعلى باردة نسبيا بالتدرج فتتغير قرينة انكسار الضوء وفق مختلف طبقات الهواء ، تخضع الأشعة الضوئية الآتية من سحابة في الجو إلى انكسارات متتالية متغيرة حتى تخضع إلى انعكاس كلي فيرى المشاهد خيال السحابة على الأرض (الشكل 11).
السراب :
*