معلومات عن انكسار الضوء

مفهوم انكسار الضوء

كيف تتغير سرعة الضوء؟

ظاهرة انكسار الضوء (بالإنجليزية: Light refraction)، يقصد بها انحراف الضوء عن مساره عند مروره عبر وسطين مختلفين فتكون سرعته في الوسط الأول مختلفة عن سرعته في الوسط الثاني، وينتج عن ذلك ظهوره للرائي وكأنه مكسور، وينحرف الضوء باتجاه الخط العمودي على الخط الذي يفصل بين الوسطين المختلفين عندما يكون الوسط الأول سرعته فيه أعلى، وينحرف مبتعدًا عن الخط العمودي في حال كان انتقاله من وسط سرعته فيه قليلة إلى وسط سرعته فيه أعلى.[١]

يظهر انكسار الضوء في الماء عند وضع عصا مثلًا بشكل مائل فتظهر وكأنها مكسورة، حيث يعتمد على كثافة المادة التي يعبر الضوء من خلالها فكلما زادت الكثافة قلّت سرعة الضوء والعكس،[٢] ويظهر انعكاس الضوء في الماء أيضًا حيث تنعكس موجات الضوء الساقطة على سطح الماء.[٣]

انكسار الضوء هو انحرافه وميلانه عن مساره عند عبوره بين وسطين مختلفين في الكثافة، ولولا الانكسار لما استطعنا الرؤية باستخدام العين، إذ أن العين تعتمد على هذه الظاهرة.[١]

التفسير العلمي لحدوث انكسار الضوء

لماذا ينكسر الضوء عند انتقاله بين الأوساط المختلفة؟

يمكن تفسير انكسار الضوء اعتمادًا على الأوساط التي يمر من خلالها، إذ إن عبور الضوء بين وسطين مختلفين يؤدي إلى اختلاف سرعته، مما يؤثر على طوله الموجي، ويتغير اتجاه الموجة بحيث تنحرف عن مسارها الذي كانت تسلكه بادئ الأمر، وتتأثر أولًا الموجة القريبة من الحد الفاصل بين السطحين وتتبعها باقي الموجات تِباعًا فموجات الضوء تسير بشكل متوازٍ، مما يعني أن جميعها ستتأثر سرعتها وأطوالها الموجية واتجاههاتها.[٤]

فمثلًا لوحظ أنّ الشعاع عندما ينتقل من الهواء ليعبر الزجاج فإنه يخسر من سرعته مقدار الربع (25%)، فتصبح سرعته (75%) من سرعته في الهواء.[٤]

الأوساط تتفاوت في سرعة الضوء خلالها، مما يؤدي إلى حدوث تغييرات على الموجة المارّة بين وسطين مختلفين فيختلف طولها الموجي واتجاهها.

زاوية السقوط وزاوية انكسار الضوء

ما الفرق بين زاوية سقوط الشعاع وزاوية الانكسار؟

الشعاع الساقط (بالإنجليزية: Incident ray) هو الشعاع الذي يتحرك باتجاه السطح ويصطدم به.[٥]

زاوية السقوط (بالإنجليزية: Angle of incidence) هي الزاوية المحصورة بين الشعاع الساقط والعمودي على السطح عند نقطة السقوط (وهنا نقطة السقوط تكون على الحد الفاصل بين الوسطين).[٥]

زاوية الانكسار (بالإنجليزية: Angle of refraction) هي الزاوية المحصورة بين الشعاع المنكسر والعمودي على السطح عند نقطة الانكسار (وتكون على الحدّ الفاصل بين الوسطين).[٦]

زاوية السقوط هي الزاوية المحصورة بين الشعاع الساقط والعمودي على السطح بينما زاوية الانكسار هي المحصورة بين الشعاع المنكسر والعمودي على السطح.

مفهوم معامل انكسار الضوء

ماذا يعني معامل الانكسار وكيف يمكن إيجاد قيمته؟

معامل الانكسار (بالإنجليزية: Refractive index)، هي قيمة تستخدم لحساب مقدار انحناء الضوء عند انتقاله بين وسطين مختلفين، و يمكن حسابه من خلال إيجاد النسبة بين جيب زاوية السقوط وجيب زاوية الانكسار، وبالرموز:[٧]

n = sin(i) / sin(r)

حيث :

n : معامل الانكسار.

i: زاوية السقوط.

r: زاوية الانكسار.

أو يمكن حسابه بطريق أخرى من خلال القانون الآتي: [٧]

n= c/v

حيث:

n: معامل الانكسار

c: سرعة الضوء في الفراغ

v: سرعة الضوء في المادة المطلوبة

ومعامل الانكسار (n) للهواء تقريبًا = 1 وفي الماء 4/3، أما في الكحول فهو 1.362 وهذه القيم قريبيّة مع إهمال تأثير الطول الموجي على معامل الانكسار.[١]

يشير معامل انكسار الضوء إلى مقدار انكسار الضوء وكلما زادت قيمته يعني أن الضوء انكسر بشكل أكبر.

قانون سنل وانكسار الضوء

على ماذا ينصّ قانون سنل وكيف يمكن صياغته بالرموز؟

قانون سنل (بالإنجليزية: Snell’s law)، اكتشف هذا القانون العالم ويلبرورد سنل في بدايات القرن السابع عشر وتحديدًا عام 1621م، وسمّي القانون بقانون سنل نسبة له، ويعبّر هذا القانون عن العلاقة التي تربط بين كل من: معاملات الانكسار للوسطين وزاوية السقوط والانكسار كالآتي: [٨]

نسبة معامل انكسار الوسط الأول إلى معامل انكسار الوسط الثاني تساوي نسبة جيب زاوية الانكسار إلى جيب زاوية السقوط.[٨]

وبالرموز: [٩]

ن1 \ ن2 = جا ز2 \ جا ز1

حيث :

ن1 :هو معامل الانكسار للوسط الأول.

ن2 :معامل الانكسار للوسط الثاني.

ز1 : زاوية السقوط المتكوّنة بين الشعاع الساقط والخط الوهمي العمودي على الفاصل بين الوسطين.

ز2 : زاوية الانكسار المتكوّنة بين الشعاع المنكسر في الوسط الثاني والخط العمودي على الفاصل بين الوسطين.

ويمكن التعبير عنه بالإنجليزية كالآتي:[٩]

<n1 /n2= sin α2/sin α1

حيث:

n1: هو معامل الانكسار للوسط الأول.

n2: معامل الانكسار للوسط الثاني.

α1: زاوية السقوط المتكوّنة بين الشعاع الساقط والخط الوهمي العمودي على الفاصل بين الوسطين.

α2: زاوية الانكسار المتكوّنة بين الشعاع المنكسر في الوسط الثاني والخط العمودي على الفاصل بين الوسطين.

والحالة التي لا يمكن أن يحدث فيها انكسار للضوء هي حالة سقوطه منطبقًا على الخط العمودي على الخط الفاصل بين الوسطين، فتكون زاوية السقوط تساوي 0 وبالتالي لا ينحرف أبدًا، ويبقى الضوء في الوسط الثاني في نفس مساره واتجاهه الذي كان يسير به في الوسط الأول.[١٠]

قانون سنل هو: n1/n2 = sin α2/sin α1

مجالات تطبيق قانون انكسار الضوء

هل لانكسار الضوء أهمية في حياتنا؟

انكسار الضوء يستخدم في تطبيقات عملية هامّة في حياتنا ومنها:

• النظر: عين الإنسان تمتلك خصائص العدسة المحدّبة وتشكّل الصور داخل العين يفسّر باستخدام ظاهرة الانكسار.[١١]
• التطبيقات المعتمدة على العدسات: مثل المجهر، المنظار والأجهزة الطبية.[١١]
• الظواهر الطبيعيّة: مثل ظاهرة قوس قزح والسراب يمكن تفسيرها باستخدام ظاهرة الانكسار.[١١]
• ضوء الشمس: وتوزعه على الأرض سببه حدوث انكسار الضوء في طبقات الغلاف الجويّ.[١١]
• صناعة الكاميرات.[١٢]

لانكسار الضوء تطبيقات هامة وعديدة في حياتنا مثل: المجهر والمنظار والكاميرات كما أنها تدخل في الظواهر الطبيعية كالسراب وقوس قزح وتساهم في توزّع ضوء الشمس على الأرض.

المراجع[+]

1. ^ أ ب ت “Refraction of Light”, hyperphysics.phy-astr.gsu. Retrieved 10-3-2021. Edited.
2. ↑ “Refraction and light bending”, khanacademy. Retrieved 10-3-2021. Edited.
3. ↑ “Light Reflection from Water Waves: Suitable Setup for a Polarimetric Investigation under Controlled Laboratory Conditions”, journals.ametsoc. Retrieved 10-3-2021. Edited.
4. ^ أ ب “The Refraction of Light”, asu. Retrieved 10-3-2021. Edited.
5. ^ أ ب “The Law of Reflection”، physicsclassroom. Retrieved 10-3-2021. Edited.
6. ↑ “The Angle of Refraction”, physicsclassroom. Retrieved 10-3-2021. Edited.
7. ^ أ ب “Refractive index”, britannica. Retrieved 10-3-2021. Edited.
8. ^ أ ب “Snell’s law”, britannica. Retrieved 10-3-2021. Edited.
9. ^ أ ب “Snell’s law”, britannica. Retrieved 10-3-2021. Edited.
10. ↑ “Snell’s Law”, physicsclassroom. Retrieved 10-3-2021. Edited.
11. ^ أ ب ت ث “Refraction”, toppr. Retrieved 10-3-2021. Edited.
12. ↑ “Physics of a Film Camera Lens”, ffden-2.phys.uaf. Retrieved 10-3-2021. Edited.