انكسار الضوء

إلى فهرس موسوعة الضوء

مقدمة :

إذا سقط شعاع من الضوء على سطح يفصل بين وسطين شفافين أى يسمحان بمرور الضوء فيهما ، مثل الهـواء و الماء فإنه بصفة عامة ينقسم الضوء إلى جزئين ( كما فى شكل 26 ) . ينعكس جـزء من الضوء و يتبع فى ذلك قانوني الانعكاس ، أما الجزء الآخر فإنه يمر خلال الوسط الثاني ..

 و إذا كان الشعاع الساقط غير متعامد مع السطح الفاصل فإن الشعاع المار لن يكون على استقامة الشعاع الساقط و لكن يمر بزاوية مختلفة أى  ينحرف عن مساره و يقال أنه انكسر و تسمى الزاوية بين الشعاع الساقط و العمود المقام على السطح الفاصل عند نقطة السقوط بزاوية السقوط و الزاوية بين الشعاع المنكسر و نفس العمود بزاوية الانكســار. و تعتمد زاوية الانكسار على زاوية السقوط و على نوع الوسطين أو بالأحرى على معامل انكســار الوسطين.

                      


معــــامل الانكســــار:

من المعروف أن الضــوء يسير فى الفراغ بسرعة تعتبر قيمتها من الثوابت الكونيـة و تسـاوى 3 × 810 متر / ثانية  ( أى 300 ألف كيلومتر/ ثانية) . و الضـوء ينتقل أيضا فى مـواد كثـيرة و هى المواد الشفافة للضوء مثل الهـواء و الماء والزجاج . و ذرات هذه المـواد لها القدرة على امتصاص الضـوء وإعادة إبعــاثه و تشتيته و لذلك فإن الضـوء ينتقل فى المواد المختلفة بســرعات مختلفة أقل من سرعته فى الفضـاء . و تعتمد سرعة الضوء على نوع المادة . و لذلك فإنه عند انتقال الضوء من وسط إلى آخر فإن التغير من سرعته يسبب تغيرا فى اتجــاهه و تسمى هذه الظاهرة بالانكســار  refraction  ويحكمها قانونا "سنل" للانكســار Snell's law of refraction  .

 و لوصف مدى التغير فى سرعة الضـوء عند انتقاله من الفراغ إلى وسط معين يستخدم كميـة فيزيائيـة تسمى معامل الانكســار refractive index or index of refraction  و يعرف كالتالى :

 يعرف معامل الانكسار n  للمـادة على أنه النسبة بين سرعة الضوء فى الفراغ إلى سرعته فى المـادة أى أن :
 

        light speed in vacuum                   c
n = ــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــ =  -----
          its speed in material                  v

أعلى الصفحة

معامل انكسار بعض المواد :

معامل  الانكسـار

المادة

نوع المادة

 2.419

ماس

مواد صلبة 20 درجة مئوية

1.523

زجاج ( كرون )

1.309

جليد

1.544

كلوريد صوديوم

1.458

كوارتز مصهور

1.501

بنزين

ســوائل20 درجة م

1.461

تترا كلوريد كربون

1.362

كحول أثيلى

1.333

ماء

1.000293

هواء

غازات

20° م  و 1  ضغط جوى

 

 1.00045

ثانى اكسيد الكربون

1.000271

أكسجين

1.000139

هيدروجين

و كما نرى من الجدول أن قيمة معامل الانكسار للمـواد أكبر من الواحد الصحيح ذلك لأن سرعة الضوء فى الفراغ أكبر من سرعته فى المـواد . فعلى سبيل المثال فإن معامل الانكسار للمـاس يساوى 2.419 و هذا يعنى أن سرعة الضوء فى الـماس v  تساوى :

 و كما نرى أيضا من الجدول فإن قيمة معامل انكسار الهـواء والغازات الأخرى قريبة جدا من الواحد الصحيح لذلك فإنه فى معظم الحالات يمكن اعتبار معامل انكسارالهواء يساوى الواحد الصحيح واعتبار انتقال الضوء من الهواء إلى المادة كأنه انتقالا من الفراغ إلى المادة .

 و لابد من الإشارة هنـا أن معامل الانكسار يعتمد على الطول الموجى للضــوء و القيم الموضحة فى الجدول تقابل الطول الموجى 589 نانومتر فى الفراغ و هو تقريبا منتصف المنطقة المنظورة  من الطيف.

أعلى الصفحة

العمـق الظاهرى :

 عندما ننظر إلى جسم فى قاع إناء مملوء بسائل كحمام سباحة مثلا أوإلى قطعة عملة فى قاع كوب مملوء بالماء أو كما هو موضح فى شكل ( 27 ) إذا نظر شخص من فوق سطح الماء إلى الصندوق الغارق فى الماء فإنه يرى الجسم على عمق أقل من العمق الحقيقى و السبب فى ذلك هو أن الضوء الصادر من الصندوق سينكسـر عند انتقاله إلى الهواء مبتعدا عن العمـود و يوضح الشكل (a) مسار الأشعة الصادرة من الصندوق . و لما كانت العين ترى صـورة الجسم على امتداد الأشعة الواصلة إليها فإنها ترى صورة تقديرية ( ظاهرية ) للصندوق على عمق ظاهرى أقل من العمق الحقيقى .

و لسهولة تعيين العمق الظاهرى نستخدم الشكل(b)  حيث يكون المشاهد فوق الصندوق مباشرة و تكون الزوايا صغيرة من الشكل سنفرض أنd  هو العمق الحقيقى و أن d’  هو العمق الظاهرى و حيث أن الزوايا صغيرة فإن :
 

d          tan J2       sinJ2         n1
    ــــــــــ  =  ـــــــــــــــ  =   ــــــــــــــ  =  ـــــــــــــ  
=
d'           tan
J1        sinJ1        n2

 

أعلى الصفحة

النظر من المــاء إلى ما فوق السطح :

 فى حالة ما ينظر الشخص الغاطس فى الماء إلى أشياء فوق سطح المـاء و لتكن مثلا قطعة عملة يمسكها شخص آخر فوق سطح الماء فوق السباح مباشرة فبالنسبة للشخص الموجـود فى الماء تظهر له قطعة العملة على ارتفاع ظاهرى d’ من سطح الماء أكبر من الارتفاع  الحقيقى d . ويوضح شكل ( 28 ) عين الشخص الموجــود فى الماء والارتفاع الحقيقى لقطعة العملة مقاسا من سطح الماء . ولتفسير ما يحدث نعتبر شعاعين ضوئيين يخرجان من قطعة العملة عندP   فإذا سقطا على السطح الفاصل بين الهواء و المـاء فإن الشعاعين ينكسران مقتربين من العمـود حيث أن معامل الانكسار أكبر من معامل انكسار الهواء .

 و حيث أن العين ترى الصورة عند نقطة تلاقى امتداد الأشعة الواصلة إليها وهى الأشعة المنكسرة فإن امتداد هذه الأشعة يتقابل عند نقطة P' حيث يرى الشخص الأشعة و كأنها صادرة منها و هو موضع الصورة التقديرية.  ويكون البعد الظاهرى d’ أكبر من البعد الحقيقى d  و يساوى :

حيث n1  وسط سقوط الأشعة و هو الهواء و n2   وسط الانكســار وهـو الماء و هو الأكبر و لذلك فإن d'  تكون أكبر من d و هو عكس الحالة السابقة التى كان فيها سقوط الأشعة من الماء و الرؤية فى الهواء .  

أعلى الصفحة