الدرس الثاني: تطبيقات وظواهر بصرية
المتوسط - الصف التاسع
تطبيقات وظواهر بصرية
للانكسار تطبيقات عديدة في حياتنا، وتنشأ عنه ظواهر بصرية متنوعة نشاهدها في الطبيعة. سنتعرف في هذا الدرس على ظاهرة الانعكاس الكلي الداخلي، وتطبيقاتها مثل الألياف الضوئية، بالإضافة إلى ظواهر طبيعية مثل السراب وقوس المطر.
أولاً: الانعكاس الكلي الداخلي والزاوية الحرجة
1. الزاوية الحرجة (Critical Angle - θ_c):
هي زاوية السقوط في الوسط الأكبر كثافة ضوئية التي تقابلها زاوية انكسار مقدارها 90° في الوسط الأقل كثافة ضوئية.
العلاقة الرياضية:
إذا كان الوسط الثاني هو الهواء (n₂ ≈ 1):
شروط حدوثها:
- ● انتقال الضوء من وسط أكبر كثافة إلى أقل كثافة (n₁ > n₂).
- ● زاوية السقوط تساوي الزاوية الحرجة (θ₁ = θ_c).
الانعكاس الكلي الداخلي:
يحدث عندما تكون زاوية السقوط أكبر من الزاوية الحرجة (θ₁ > θ_c).
أمثلة محلولة من الكتاب
مثال: أحسب الزاوية الحرجة للماء (n = 1.33).
مثال: تحديد مسار الأشعة في الماء (θ_c = 48.6°)
- إذا كانت θ₁ = 30°: ينكسر مبتعداً عن العمود.
- إذا كانت θ₁ = 48.6°: ينكسر موازياً للسطح الفاصل (90°).
- إذا كانت θ₁ = 55°: يحدث انعكاس كلي داخلي.
ثالثاً: السراب (Mirage)
السراب هو خداع بصري يُرى في الصحراء أو على الطرقات الساخنة، وأيضاً في المناطق القطبية. ينشأ بسبب انكسارات متتالية للضوء خلال طبقات الهواء ذات الكثافات المختلفة (وبالتالي معاملات انكسار مختلفة) نتيجة اختلاف درجات حرارتها.
السراب الصحراوي (السفلي):
يحدث عندما تكون الأرض ساخنة جداً؛ حيث تسخن طبقات الهواء القريبة منها فيقل معامل انكسارها. ينكسر الضوء القادم من الأجسام البعيدة مبتعداً عن العمود حتى يحدث انعكاس كلي، فنرى صورة مقلوبة للأجسام كأنها بركة ماء.
السراب القطبي (العلوي):
يحدث في المناطق الباردة؛ حيث يكون الهواء القريب من الجليد أبرد وأكثر كثافة. ينحني الضوء نحو الأسفل، مما يجعل الأجسام البعيدة (مثل السفن) تبدو كأنها تطفو في الهواء فوق الأفق أو تظهر مقلوبة في السماء.
رابعاً: قوس المطر (Rainbow)
تتكون قوس المطر نتيجة تفاعل الضوء مع قطرات المطر، حيث تعمل كل قطرة كمنشور زجاجي صغير يحلل الضوء الأبيض إلى ألوان الطيف السبعة.
عند دخول الضوء للقطرة، ينكسر ويتحلل لألوانه (الأحمر ينكسر بأقل زاوية والبنفسجي بأكبر زاوية).
يصطدم الضوء بالجدار الداخلي للقطرة بزاوية أكبر من الزاوية الحرجة فينعكس كلياً.
يخرج الضوء من القطرة منكسراً مرة أخرى، وتصل الألوان للعين بزوايا مختلفة (الأحمر ~42° والبنفسجي ~40°).
خامساً: الألياف الضوئية (Optical Fibers)
مبدأ العمل والتركيب:
تعتمد الألياف الضوئية على ظاهرة الانعكاس الكلي الداخلي المتكرر. يتكون الليف من قلب (Core) ذو معامل انكسار عالٍ، يحيط به غلاف (Cladding) ذو معامل انكسار أقل. هذا الاختلاف يضمن بقاء الضوء محصوراً داخل القلب حتى لو كان الليف منحنياً.
التطبيقات الطبية
تستخدم في المناظير الطبية (Endoscopes) لرؤية الأعضاء الداخلية وإجراء العمليات الجراحية الدقيقة دون الحاجة لفتح جراحي كبير، مما يقلل من آلام المريض وسرعة تعافيه.
تكنولوجيا الاتصالات
تعتبر العمود الفقري للإنترنت الحديث؛ حيث تنقل كميات هائلة من البيانات بسرعة الضوء، وتتميز بمقاومتها للتشويش الكهرومغناطيسي وخفة وزنها مقارنة بالأسلاك النحاسية.
مراجعة الدرس:
س: ما هي شروط حدوث الانعكاس الكلي الداخلي؟
ج: 1. أن ينتقل الضوء من وسط معامل انكساره أكبر إلى وسط معامل انكساره أقل.
2. أن تكون زاوية السقوط أكبر من الزاوية الحرجة (θ₁ > θ_c).
س: لماذا يلمع الماس بشدة؟
ج: لأن الزاوية الحرجة للماس صغيرة جداً (24.4°)، مما يجعل الضوء الساقط عليه يعاني من انعكاسات كلية داخلية متعددة قبل خروجه.