عندما يمر شعاع ضوئي من وسط شفاف إلى وسط آخر لا يستمر في الاستقامة نفسها، بل ينكسر. وهذا ما يدرسه درس انكسار الضوء في السنة الأولى ثانوي، مع الانعكاس والموشور الزجاجي. وللانكسار حالة عامة وثلاث حالات خاصة. تعرض الصفحة القوانين مع أمثلة، وتنتهي بتمارين.
تعاريف أساسية
| المفهوم | المعنى |
|---|---|
| الشعاع الوارد | الشعاع الذي يصل إلى السطح الفاصل |
| نقطة الورود | نقطة سقوط الشعاع على السطح |
| الناظم | مستقيم عمودي على السطح عند نقطة الورود |
زاوية الورود i |
بين الشعاع الوارد والناظم |
| الشعاع المنعكس | الذي يرتد في الوسط نفسه، وزاويته r |
| الشعاع المنكسر | الذي ينفذ في الوسط الثاني، وزاويته i₂ |
1. الانعكاس
قانونا الانعكاس
- الشعاع الوارد والشعاع المنعكس والناظم في مستو واحد.
- زاوية الانعكاس تساوي زاوية الورود:
r = i.
مثال: ورود بزاوية 40° ← انعكاس بزاوية 40°.
2. الانكسار
قرينة الانكسار
قرينة انكسار وسط شفاف
nهي نسبة سرعة الضوء في الفراغ إلى سرعته في الوسط:n = c / v.
| الوسط | n تقريبا |
|---|---|
| الهواء | 1.00 |
| الماء | 1.33 |
| الزجاج | 1.5 |
| الماس | 2.4 |
وكلما كبرت n كان الوسط أكثر كثافة ضوئية.
قانونا الانكسار (سنيل ديكارت)
- الشعاع الوارد والمنكسر والناظم في مستو واحد.
n₁ sin i₁ = n₂ sin i₂
3. الحالات
الحالة العامة
مثال: ضوء من الهواء (n₁ = 1) إلى الزجاج (n₂ = 1.5) بزاوية 30°:
sin i₂ = (1 × sin 30°) / 1.5 = 0.5 / 1.5 = 0.333، فـi₂ ≈ 19.5°.
الشعاع يقترب من الناظم لأنه دخل وسطا أكثر انكسارا.
الحالة الخاصة الأولى: ورود عمودي
i₁ = 0° فـi₂ = 0°: الشعاع لا ينكسر (يستمر في الاستقامة).
الحالة الخاصة الثانية: من وسط أكثر انكسارا إلى أقل
مثال: من الزجاج إلى الهواء. الشعاع يبتعد عن الناظم، وزاوية الانكسار أكبر من زاوية الورود.
الحالة الخاصة الثالثة: الزاوية الحدية والانعكاس الكلي
عند الانتقال من وسط أكثر انكسارا إلى أقل، تزداد زاوية الورود حتى تبلغ الانكسار بزاوية 90°.
- الزاوية الحدية
L:sin L = n₂ / n₁(مثلا من الزجاج إلى الهواء:sin L = 1/1.5 = 0.667فـL ≈ 41.8°). - إذا زادت زاوية الورود عن
Lلا ينكسر الشعاع وإنما ينعكس كليا داخل الوسط الأول: الانعكاس الكلي.
تطبيقات الانعكاس الكلي
- الألياف الضوئية (نقل الإنترنت).
- المناظير والمنشور العاكس.
- لمعان الماس.
4. الموشور الزجاجي
الموشور وسط شفاف محدود بمستويين غير متوازيين.
- ينكسر الشعاع مرتين (عند الدخول والخروج) فينحرف نحو القاعدة.
- الضوء الأبيض يتحلل إلى ألوان الطيف (بنفسجي أشدها انحرافا وأحمر أقلها).
جدول الخلاصة
| الحالة | الشرط | النتيجة |
|---|---|---|
| انعكاس | i |
r = i |
| انكسار | n₂ > n₁ |
يقترب من الناظم |
| انكسار | n₂ < n₁ |
يبتعد عن الناظم |
| ورود عمودي | i = 0 |
لا انكسار |
زاوية أكبر من L |
من أكثر لأقل انكسارا | انعكاس كلي |
تمارين
- ما زاوية الانعكاس لورود
55°؟ (55°) - شعاع من الهواء إلى الماء بزاوية
45°، احسبi₂. (sin i₂ = 0.707/1.33 = 0.53فـi₂ ≈ 32°) - متى يحدث الانعكاس الكلي؟ (عند تجاوز الزاوية الحدية من وسط أكثر انكسارا)
نصائح
- قس الزوايا من الناظم لا من السطح.
- حدد الوسط الأكثر انكسارا أولا.
- اضبط الآلة على الدرجات.
أخطاء شائعة
- قياس الزاوية من السطح.
- نسيان
nللهواء. - القول إن الانعكاس الكلي يحدث من الأقل إلى الأكثر انكسارا.
الشرح المصوّر
لمن يفضل المتابعة بالصوت والصورة، يقدم الأستاذ لخضر سيف الله في فيديو «انكسار الضوء: قوانين الانكسار والانعكاس والموشور الزجاجي، السنة الأولى ثانوي» هذا الدرس في نحو تسع وثلاثين دقيقة.