الانعكاس الكلي الداخلي والألياف الضوئية
يقيس الزاوية الحرجة لانتقال الضوء من الماء ومن الزجاج إلى الهواء، ويفسّر الانعكاس الكلي الداخلي الذي تقوم عليه الألياف الضوئية والمنظار الطبي.
المحاكاة التفاعلية
محاكاة تفاعلية: إنحناء مسار الضوء — من PhET
لا تُحمَّل المحاكاة إلا بطلبك. اضغط لبدء التشغيل — قد تستغرق لحظات على الاتصال البطيء.
في كتابك
- نشاط (١٣-١): الألياف الضوئيّة — الجزء الثاني، ص ٩٤
خطوات التجربة
افتح شاشة «مقدمة»، واختر للوسط العلوي «الماء» وللوسط السفلي «الهواء».
فعّل «العمودي» و«الزوايا»، ثم شغّل الليزر من الزر الموجود عليه.
اسحب الليزر ليسقط بزاوية صغيرة (نحو 20°)، ولاحظ الشعاع المنكسر في الهواء والشعاع المنعكس الضعيف في الماء، وسجّل زاويتي السقوط والانكسار.
زد زاوية السقوط تدريجيًا بخطوات 5° وسجّل زاوية الانكسار في جدول، ولاحظ ابتعاد المنكسر عن العمود وازدياد شدة المنعكس.
استمر حتى يصير الشعاع المنكسر مماسًّا للسطح ثم يختفي، وسجّل زاوية السقوط عندئذ على أنها الزاوية الحرجة.
زد زاوية السقوط أكثر من الزاوية الحرجة، ولاحظ أن الضوء كله ينعكس داخل الماء.
غيّر الوسط العلوي إلى «الزجاج» وكرّر لتجد الزاوية الحرجة للزجاج وقارنها بالماء.
الفكرة العلمية
عندما ينتقل الضوء من وسط معامل انكساره أكبر إلى وسط معامل انكساره أقل ينكسر مبتعدًا عن العمود وفق قانون سنل: n1 sinθ1 = n2 sinθ2. وبزيادة زاوية السقوط تزداد زاوية الانكسار حتى تبلغ 90°، وزاوية السقوط عندئذ هي الزاوية الحرجة θc حيث sinθc = n2 / n1. فإذا زادت زاوية السقوط على الزاوية الحرجة لم ينكسر الضوء وانعكس كله داخل الوسط الأول، وهذا هو الانعكاس الكلي الداخلي. فللماء (n = 1.33) تكون الزاوية الحرجة مع الهواء نحو 49°، وللزجاج (n = 1.5) نحو 42°. وعلى هذه الظاهرة تقوم الألياف الضوئية في المنظار الطبي: يسقط الضوء على جدار الليف بزاوية أكبر من الحرجة فينعكس مرة بعد مرة ويسير داخله وإن انحنى. والمحاكاة تعرض سطحًا مستويًا واحدًا بين وسطين، لا ليفًا ولا تيار ماء منحنيًا كما في النشاط.
قوّم نفسك
جرّب المحاكاة أولًا ثم أجب. لا درجات ولا تسجيل — الإجابات لك وحدك، وتختفي بإغلاق الصفحة.
أي الحالات يمكن أن يحدث فيها انعكاس كلي داخلي؟
- انتقال الضوء من الهواء إلى الماء
- انتقال الضوء بين وسطين لهما معامل الانكسار نفسه
- انتقال الضوء من الماء إلى الهواء
- انتقال الضوء من الهواء إلى الزجاج
اعرض الإجابة
ج) انتقال الضوء من الماء إلى الهواء
يشترط الانعكاس الكلي أن ينتقل الضوء من وسط معامل انكساره أكبر إلى وسط أقل، فينكسر مبتعدًا عن العمود حتى تبلغ زاوية الانكسار 90°. أما من الهواء إلى الماء فينكسر الضوء مقتربًا من العمود ولا تبلغ زاوية انكساره 90° أبدًا، ولذلك جعلنا الماء في الأعلى.
معامل انكسار الماء 1.33. كم الزاوية الحرجة لانتقال الضوء من الماء إلى الهواء تقريبًا؟
- 33°
- 49°
- 90°
- 53°
اعرض الإجابة
ب) 49°
sinθc = n2 / n1 = 1 / 1.33 = 0.75، فتكون θc ≈ 49°، وهي ما تقيسه في المحاكاة. والإجابة 90° هي زاوية الانكسار عند الزاوية الحرجة لا الزاوية الحرجة نفسها، والخلط بينهما شائع.
كانت الزاوية الحرجة للزجاج أصغر منها للماء. ماذا يعني ذلك؟
- يحدث الانعكاس الكلي في الزجاج عند زوايا سقوط أصغر
- الزجاج يمتص الضوء أكثر
- معامل انكسار الزجاج أصغر من الماء
- لا يحدث الانعكاس الكلي في الزجاج
اعرض الإجابة
أ) يحدث الانعكاس الكلي في الزجاج عند زوايا سقوط أصغر
كلما زاد معامل انكسار الوسط صغرت زاويته الحرجة، فيحبس الضوء عند مدى أوسع من زوايا السقوط. ولهذا تُصنع الألياف الضوئية من زجاج عالي النقاء. ومن يظن أن معامل انكسار الزجاج أصغر يعكس العلاقة sinθc = n2 / n1.
في النشاط يسير ضوء الليزر داخل تيار الماء المنحني الخارج من العبوة ولا يخرج منه. فسّر ذلك.
اعرض الإجابة
الضوء داخل تيار الماء يسقط على السطح الفاصل بين الماء والهواء بزاوية أكبر من الزاوية الحرجة (نحو 49°)، فينعكس كليًا بدل أن ينكسر إلى الهواء. ويتكرر الانعكاس مرة بعد مرة على امتداد التيار فيتبع الضوء انحناءه، كما يحدث في الليف الضوئي.
لماذا يستطيع الطبيب بالمنظار الطبي أن يرى داخل المعدة رغم أن أنبوب المنظار منحنٍ؟
اعرض الإجابة
لأن المنظار يحوي حزمة من الألياف الضوئية، يسير فيها الضوء بالانعكاس الكلي الداخلي على جدرانها الداخلية. فينقل الضوء إلى داخل المعدة وينقل الصورة إلى الخارج دون أن يتسرّب، ما دامت زاوية سقوطه على الجدار أكبر من الزاوية الحرجة حتى عند انحناء الأنبوب.