انكسار الضوء وقانونا الانكسار
يقيس الطالب زاويتي السقوط والانكسار عند انتقال الضوء بين وسطين، ويستنتج ثبات النسبة بين جيبيهما (قانون سنل).
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 (١): انتقال الضوء في الأوساط الشفّافة — الجزء الثاني، ص ٧٢
- نشاط (٢): قانونا انكسار الضوء — الجزء الثاني، ص ٧٤
خطوات التجربة
افتح شاشة «مقدمة»، واجعل الوسط العلوي «الهواء» والوسط السفلي «الماء»، ثم شغّل الليزر بزره الأحمر ولاحظ الخط «العمودي» عند نقطة السقوط.
اسحب الليزر ليسقط الشعاع مائلًا على سطح الماء، ولاحظ هل يقترب الشعاع المنكسر من العمود أم يبتعد عنه.
أخرج «المنقلة» من صندوق الأدوات وضع مركزها عند نقطة السقوط. اجعل زاوية السقوط هـ = ٣٠° وقِس زاوية الانكسار هـَ.
انقل جدول الكتاب (هـ، هـَ، جا هـ، جا هـَ). كرّر القياس عند ٤٠° و٥٠°، واحسب جا هـ ÷ جا هـَ في كل مرة.
غيّر الوسط السفلي إلى «الزجاج»، وأعد القياس عند هـ = ٣٠°، وقارن زاوية الانكسار بالماء.
اجعل الشعاع يسقط عموديًا على السطح، ولاحظ هل يتغير اتجاهه.
اجعل الوسط العلوي «الماء» والسفلي «الهواء»، وأرسل الشعاع مائلًا، ولاحظ هل يقترب من العمود أم يبتعد عنه.
الفكرة العلمية
ينكسر الضوء، أي ينحرف عن مساره، عند انتقاله مائلًا بين وسطين شفافين مختلفين في الكثافة الضوئية، لأن سرعته تتغير. فإذا انتقل إلى وسط أكبر كثافة ضوئية انكسر مقتربًا من العمود المقام، وإذا انتقل إلى وسط أقل كثافة ضوئية انكسر مبتعدًا عنه. أما الشعاع الساقط عموديًا فلا يتغير اتجاهه وإن تغيرت سرعته. وينص قانونا الانكسار على أن الشعاع الساقط والشعاع المنكسر والعمود المقام تقع في مستوى واحد، وأن النسبة بين جيب زاوية السقوط وجيب زاوية الانكسار ثابتة لأي وسطين: م١ جا هـ = م٢ جا هـَ (قانون سنل). وإذا كان الوسط الأول الهواء فإن معامل انكسار المادة م = جا هـ ÷ جا هـَ، وهو أيضًا سرعة الضوء في الفراغ مقسومة على سرعته في المادة. ومعامل انكسار الزجاج في المحاكاة ١٫٥٠، وفي جدول الكتاب ١٫٥٢، فقد تختلف نتيجتك قليلًا عن الكتاب.
قوّم نفسك
جرّب المحاكاة أولًا ثم أجب. لا درجات ولا تسجيل — الإجابات لك وحدك، وتختفي بإغلاق الصفحة.
انتقل شعاع ضوئي مائلًا من الهواء إلى الماء. ماذا حدث له؟
- انكسر مبتعدًا عن العمود المقام
- انكسر مقتربًا من العمود المقام
- استمر في مساره دون انكسار
- انعكس كله عن سطح الماء
اعرض الإجابة
ب) انكسر مقتربًا من العمود المقام
الماء أكبر كثافة ضوئية من الهواء، فتقل سرعة الضوء فيه ويقترب الشعاع من العمود. والابتعاد عن العمود يحدث في الاتجاه المعاكس، من الماء إلى الهواء، كما رأيت في الخطوة الأخيرة.
في المحاكاة سقط شعاع من الهواء على الزجاج بزاوية ٣٠°، فانكسر بزاوية ١٩٫٥° تقريبًا. كم معامل انكسار الزجاج؟ (جا ٣٠° = ٠٫٥، جا ١٩٫٥° ≈ ٠٫٣٣٤)
- ٠٫٦٧
- ١٫٥٤
- ١٫٣٣
- ١٫٥٠
اعرض الإجابة
د) ١٫٥٠
م = جا هـ ÷ جا هـَ = ٠٫٥ ÷ ٠٫٣٣٤ ≈ ١٫٥٠. ومن أجاب ١٫٥٤ قسم الزاويتين نفسيهما (٣٠ ÷ ١٩٫٥) بدل جيبيهما، ومن أجاب ٠٫٦٧ قلب الكسر، و١٫٣٣ معامل انكسار الماء لا الزجاج.
أسقطت الشعاع من الهواء بزاوية السقوط نفسها على الماء ثم على الزجاج. في أي وسط كانت زاوية الانكسار أصغر؟
- الزجاج
- الماء
- كانت متساوية في الوسطين
- لا يمكن المقارنة لأن الوسطين شفافان
اعرض الإجابة
أ) الزجاج
الزجاج أكبر كثافة ضوئية من الماء، فيقترب الشعاع فيه من العمود أكثر، فتصغر زاوية الانكسار: نحو ١٩٫٥° في الزجاج مقابل نحو ٢٢° في الماء عند ٣٠°. ويظن بعض الطلبة أن الانحراف الأكبر يعني زاوية انكسار أكبر، والعكس هو الصحيح.
أسقطت الشعاع عموديًا على سطح الماء فلم يتغير اتجاهه. هل يعني ذلك أن سرعته لم تتغير؟ فسّر.
اعرض الإجابة
لا. سرعة الضوء تقل في الماء دائمًا لأنه أكبر كثافة ضوئية من الهواء. لكن الشعاع العمودي يصل إلى السطح كله في اللحظة نفسها، فلا يتغير اتجاهه. فالانكسار تغيّر في الاتجاه، وهو لا يحدث إلا عند السقوط المائل.
يبدو القلم الموضوع في كأس ماء مكسورًا عند سطح الماء. فسّر ذلك بما رأيته في المحاكاة.
اعرض الإجابة
الأشعة الخارجة من الجزء المغمور من القلم تنتقل من الماء إلى الهواء، فتنكسر مبتعدة عن العمود. والعين تتتبع الضوء الواصل إليها في خط مستقيم، فترى الجزء المغمور في موضع أعلى من موضعه الحقيقي، فيبدو القلم منكسرًا عند السطح.