الصف الثالث ثانوي درس الفيزياء

فيزيـــــــــاء 3

الصف الثالث ثانوي

لماذا يعكس القرص المدمج الضوء بألوان قوس المطر ؟؟

إن للضوء سلوكاً موجياً يحيد عندما يمر بحافة كما تفعل موجات الماء والموجات الصوتية .

الضوء غير مترابط : وهو الضوء ذو مقدمة موجية غير متزامنة لأن تردد موجات الضوء كبير جداً فإن الضوء غير المترابط لا يظهر لك متقطعاً أو غير مترابط .

من المعروف أن الموجات تنعكس عندما تصطدم بحاجز مادي ولكن ماذا يحدث لهذه الموجات عندما تصطدم بحافة الحاجز أو عندما تعبر فتحة صغيرة في الحاجز للتعرف على ما يحدث نستخدم حوض الموجات المائية حيث نسقط أمواجا مستقيمة على حاجز مستقيم ونلاحظ ما يحدث للموجات عندما تصطدم بطرف الحاجز ثم نسقط أمواجا مستقيمة على فتحة بين حاجزين يقعان على خط مستقيم واحد .

الحيــود هو انحراف الموجات عن اتجاه انتشارها الأصلي حول حافة الحاجز أو حول حافتي فتحة صغيرة لا تقتصر ظاهرة الحيود على نوع معين من الموجات .

وهي  الانعكاس والانكسار والتداخل والحيود والاستقطاب والخاصية الأخيرة وهى الاستقطاب صفة للموجات المستعرضة فقط ولا تحدث في حالة الموجات الطولية.

هناك خصائص عامة تصف جميع أنواع الموجات

الضوء المترابط : هو الضوء الناتج عن تراكب ضوئي مصدرين أو أكثر مشكلاً مقدمات موجة منتظمة .

تداخل الضوء المترابط (المتزامن)

أهداب التداخل : نمط مكون من حزم مضيئة وأخرى معتمة .

تجربة يونغ : تكون حزم من ضوء احادي اللون (له طول موجي فقط) نتيجة التداخل البناء والتداخل الهدمي للموجات الضوئية الصادرة من الشقين .

تتناقص شدة إضاءة الأهداب المضيئة كلما ابتعدنا عن الهدب المركزي عند استخدام ضوء أبيض في شقي يونغ فإن التداخل يسبب ظهور أطياف ملونة .

الهدف من تجربة يونغ إثبات أن للضوء خصائص موجية

ملاحظة : الضوء المتداخل لا ينتج إضاءة منتظمة بل ولد نمطا مكونا من حزم مضيئة وأخرى معتمة سماها أهداب التداخل.

التفسير : تتكون الحزم نتيجة التداخل البناء والتداخل الهدام للموجات الضوئية الصادرة من الشقين في الحاجز..

ملاحظـــــات

 أ- 1- عند استخدام ضوء وحيد اللون(ضوء له طول موجي واحد فقط) ينتج التداخل البناء حزمة ضوئية مركزية مضيئة (هدبا مضيئة) بلون معين عند الشاشة ، وينتج على كل جانب حزما مضيئة أخرى تفصلها فراغات متساوية تقريبا وعرضها متساوي .

  2- تتناقص شدة إضاءة الأهداب المضيئة كلما ابتعدنا عن الهدب المركزي..

  3- توجد أهداب معتمة بسبب التداخل الهدام.. 

  4- مواقع حزم التداخل البناء والهدام تعتمد على الطول الموجي..

 ب- 1-عند استخدام ضوء أبيض يسبب التداخل ظهور أطياف ملونة بدلا من الأهداب المضيئة والمعتمة..

  2- تتداخل الأطوال الموجية جميعها تداخلا بناء في الهدب المركزي المضيء ، وهذا ما يجعله أبيضا دائما..

 3- مواقع الأهداب الملونة الأخرى تنتج عن تراكب أهداب التداخل الناتجة عن تداخل الأطوال الموجية لكل لون منفصل تداخلا بناءً.

ملاحظـــــات

ويحدث للموجتين تداخل بناء أو هدام إعتماداً على العلاقة بين طوريهما

تداخل الشق المزدوج

عند قياس الطول الموجي للضوء في الشكل المقابل نجد... 

 تتداخل الموجتان تداخلا بناء على الشاشة لتكوين الهدب المركزي المضيء عند النقطة p لأن للموجتين الطور نفسه ، وتقطعان المسافة نفسها...

يوجد تداخل بناء عند الهدب المضيء على جانبي الحزمة المركزية ، لأن P1S1 أطول من  P2S2 بمقدار طول موجي واحد λ...

قياس الطول الموجي للضوء

لإيجاد الطول الموجي في تجربة شقي ينج نستخدم العلاقة :

  λ  =  x d / L

حيث أن :

X                 المسافة بين هدبتين       d المسافة بين الشقين

        الطول الموجي λ              المسافة بين الشقين والشاشة L

* لم تقبل النتائج التي توصل إليها يونج إلا بعد إثباتها من علماء آخرين...

* فلقد اقترح العالم جين فرنسيل حلا رياضيا للطبيعة الموجية للضوء من خلال مسابقة ...

* وبين إحدى الحكام واسمه سيمون بيسون أنه إذا كان أقتراح فريسنل صحيحا فسوف تتكون بقعة مضيئة عند مركز جسم دائري مُضاء بضوء مترابط...

* لم تقبل النتائج التي توصل إليها يونج إلا بعد إثباتها من علماء آخرين...

* وأثبت حكم آخر اسمه جين آرجو وجود تلك البقعة...

ملاحظــــــــات...

التداخل في الأغشية الرقيقـــــة

تظهر في (فقاعة الصابون – غشاء زيتي – جناحي فراشة المورفو)

الأغشية الرقيقة

طيف الأللوان هذا نتيجة للتداخل البناء والهدمي للموجات الضوئية

بسبب انعكاسها عن الغشاء الرقيقة

(التداخل  في الأغشية الرقيقة)

* عند حمل غشاء الصابون رأسيا ، فإن وزنه يجعله عند القاع أكبر سمكا من قمته ويتغير السمك تدريجيا من القمة إلى القاع..

* عند سقوط الموجة ينعكس جزء منها (شعاع 1) وينفذ جزء آخر ، ويكون للموجتين المنعكسة والنافذة تردد الموجة الأصلية نفسه..

* الموجة النافذة تنتقل خلال الغشاء إلى السطح الخلفي، حيث ينعكس منها مرة أخرى (شعاع2) ..

* إن عملية تجزئة كل موجة ضوئية من المصدر غير المترابط إلى زوج متماثل من الموجات تعني أن الضوء المنعكس عن الغشاء الرقيق ضوء مترابط..

تعزيـــز اللــــون

يجعل الانعكاس لضوء أحادي اللون معززا (شدة إضاءته أكبر) ويحدث عندما يكون للموجتين المنعكستين الطور نفسه بالنسبة لطول موجي محدد .

إن كلتا الموجتين تعزز إحداهما الأخرى عندما تغادران الغشاء بينما يحدث تداخل هدام للضوء عند الأطوال الموجية الأخرى .

ويعني زيادة شدة إضاءة انعكاس ضوء أحادي اللون

* يمكن ذلك عندما يكون للموجتين المنعكستين الطور نفسه بالنسبة لطول موجي محدد..

• سمك الغشاء رقيق جدا

• إذا كان رقيق جدا بحيث لا ينتج تداخلا بناء لأي طول موجي من ألوان الضوء فإن الغشاء يبدو معتما

• سمك الغشاء d

• فسينعكس لون الضوء الذي له ذلك الطول الموجي بشدة كبيرة،

• سمك الغشاء λ/4

• فإن طول المسار ذهابا وإيابا داخل الغشاء يساوي λ/2   وسيبدو أن الشعاع المنعكس عن السطح الخلفي (شعاع2) يعود إلى السطح الأمامي

• سمك الغشاء d

• فسينعكس لون الضوء الذي له ذلك الطول الموجي بشدة كبيرة،ولكون الطول الموجي للضوء في الغشاء أقصر منه في الهواء فإن d=λ/4 أو d = λ/ 4n  حيث كلتا الموجتين كل منهما تعزز الأخرى عند مغادرة الغشاء ، ويحدث تداخل هدام للضوء عند الأطوال الموجية الأخرى..

• سمك الغشاء λ/4

• فإن طول المسار ذهابا وإيابا داخل الغشاء يساوي λ/2   وسيبدو أن الشعاع المنعكس عن السطح الخلفي (شعاع2) يعود إلى السطح الأمامي مختلفا في الطور عن الشعاع المنعكس عن السطح الأمامي (شعاع1)بنصف طول موجي وعلى حسب مبدأ التراكب ستلغي أحدهما الأخرى..

  1 λ / 4

  3 λ / 4

الشعاع 1

الشعاع 2

الشعاع 2

الشعاع 1

• سمك الغشاء d

• ألوان الضوء المختلفة لها أطوال موجية مختلفة..

• الغشاء المتغير السمك يتحقق فيه شرط الطول الموجي عند سماكات مختلفة للألوان المختلفة ، فتتكون ألوان قوس المطر..

• سمك الغشاء λ/4

• عندما تنعكس موجة مستعرضة عن وسط ما سرعتها فيه أقل فإنها تنقلب ويحدث هذا للضوء عند الوسط الذي يكون معامل انكساره أكبر..

• نتيجة لما سبق ينعكس الشعاع 1 وينقلب بينما ينعكس الشعاع2 عن وسط معامل انكساره صغير(الهواء) ولا ينقلب ، ولذلك يكون الشعاعان متفقين في الطور

ملاحظــــات

يحدث تكرار الطيف ويتحقق التداخل البناء عندما يكون سمك الغشاء مساويا لـ

1λ/ 4 ,  3λ / 4 , 5λ / 4    

نمط الحيود :

الحيــــود

يتكون عند قطع الضوء المترابط عند حافتين متقاربتين ويتكون على شاشة نتيجة التداخل البناء والهدام لمويجات هويجنز

عند مرور الضوء الأزرق المترابط خلال شق صغير عرضه أكبر من الطول الموجي للضوء فإن الضوء يحيد عن كلتا الحافتين .

حيود الشق الاحادي

يتكون النمط من هدب مركزي مضيء عريض مع أهداب أقل سمكاً وأقل إضاءة على كلا الجانبين .

وتتكون سلسلة من الأهداب المضيئة والمعتمة على شاشة بعيدة .

ينتج هدب معتم نتيجة للتداخل الهدام وهذا النموذج مشابه رياضياً لتداخل شقي يونغ

نمط الحيود

2X1 = _____

2λL

W

Xm = _____

mλL

W

عرض الحزمة المضيئة في حيود الشق المفرد

المسافة بين الهدب المركزي والهدب

(معتم) .....m=1,2,3

(مضيء) ....m=½,1½,2½

العنوان الحركة على خط مستقيم

تستخدم للقياسات الدقيقة للطول الموجي

محزوزات الحيود

محزوز الحيود : أداة مكونة من شقوق عدة مفردة تُسبب حيود الضوء .

العنوان الحركة على خط مستقيم

1) حساب الطول الموجي للضوء بدقة عالية .

2) تحليل الضوء  الأبيض .

فوائد محزوزات الحيود

(1) محزوز النفاذ .

أنواع محزوزات الحيود

(2) المحزوز طبق الأصل (المحزز الغشائي) .

(3) محزوزات الانعكاس .

المطيـــــــاف :

هو جهاز يقيس الطول الموجي للضوء .

الطول الموجي للضوء في محزوز الحيود :

λ = d sin θ

الطول الموجي للضوء يساوي المسافة الفاصلة بين الشقوق مضروبة في جيب الزاوية التي يتكون عندها الهدب المضيء ذو الرتبة الأولى .

العدسات في المنظار والمجهر والعين كأنها ثقباً أو فتحة تسمح للضوء بالمرور خلالها وتسبب حيود كما يفعل الشق الاحادي

قوة التمييز للعدسات

إذا كان هناك نجمان قريبان جداً فإن صورتيهما تتداخلان معاً

معيار ريليه : لتحديد ما إذا كان هناك نجم أو نجمان في الصورة

X = _____

1.22λL

D

الجسم

الجسم

تمييز المسافة الفاصلة بين النجمين

المسافة بين الفتحة والنجمين

قطر الفتحة

عندما يكون الضوء ساطعاً يكون قطر بؤبؤ العين (3 mm) تقريباً .

الحيود في العين البشرية

العين البشرية أكثر حساسية للون الأصفر –الأخضر (λ=550 nm) .

معيار رايليه للونين هو (X=2x10-4 L) .

المسافة بين البؤبؤ والشبكية (2 cm) تقريباً .

لذا من الصعب التمييز بين مصدرين نقطيين عندما تفصل بينهما مسافة مقدارها (4 μm) على شبكية العين .

كلما زاد كبر قطر المرآة زادت قدرة التمييز لجهاز المقراب

الحيــــود والمنظــــــار

الضوء المنبعث من الكواكب أو النجوم يمر خلال الغلاف الجوي حيث يجعل النجوم تتلألأ