صفحة ١٩٠
انظر إلى بداية الفصل الثالث من الوحدة السادسة، تطبيقات العدسات. نحن نعرف أن العدسات والمرايا تستخدم معا لتكوين صور واضحة. والآن سنتحدث عن العين البشرية باعتبارها أداة بصرية مذهلة، فهي وعاء كروي مملوء بسوائل، ويدخل الضوء عبر القرنية التي تقوم بمعظم انكسار الضوء بسبب الفرق الكبير بين معامل انكسار الهواء ومادة القرنية. بعد ذلك يمر الضوء خلال العدسة ليصل إلى الشبكية في مؤخرة العين حيث توجد خلايا حساسة تنقل الصورة عبر العصب البصري إلى الدماغ. لاحظ الرسم التخطيطي للعين، فهو يوضح القرنية، والقزحية، والحدقة، والبؤبؤ، والسائل المائي والزجاجي، والعدسة، والشبكية، والعصب البصري، وعضلات الهدبية. انظر كيف تتكيف هذه العدسة بتغير شكلها لتغيير البعد البؤري، فعندما ترتخي العضلات نرى الأجسام البعيدة، وعندما تنقبض نرى الأجسام القريبة بوضوح على الشبكية.
صفحة ١٩١
انظر إلى الشكل 19-6 الذي يوضح عيوب الإبصار وكيفية تصحيحها. في قصر النظر كما في الشكل a، يكون البعد البؤري للعين أقل من الطبيعي، فتتكون الصور أمام الشبكية ولا يستطيع الشخص رؤية الأجسام البعيدة بوضوح، فنستخدم عدسة مقفرة كما في الشكل c لتفريق الضوء وتصحيح العيب. أما في طول النظر كما في الشكل b، فيكون البعد البؤري أكبر من الطبيعي فتتكون الصور خلف الشبكية، ولا يستطيع الشخص رؤية الأجسام القريبة بوضوح، فنستخدم عدسة محدبة كما في الشكل d لتجميع الضوء وتقصير البعد البؤري. وفي مسألة تحفيز أسفل الصفحة، تخيل شعاع ضوء ينتقل من الهواء إلى القرنية بزاوية سقوط تساوي ومعامل انكسار القرنية . لمعرفة زاوية الانكسار ، نستخدم قانون سنل . عوض بالقيم هكذا: . احسب الناتج لتجد زاوية انكسار الشعاع داخل القرنية.
صفحة ١٩٢
انظر إلى الشكل 20-6 الذي يوضح المنظار الفلكي الكاسر، وهو أداة تستخدم لتقريب الأجسام البعيدة وتكبير صورها. يتكون النظام البصري للمنظار الكبلي من عدسة شيئية وعدسة عينية، حيث يدخل الضوء من النجوم والأجسام الفلكية على هيئة أشعة متوازية، فتتجمع ببوصلة العدسة الشيئية لتكون صورة حقيقية ومقلوبة. هذه الصورة تصبح بمزنة الجسم بالنسبة للعدسة العينية المحدبة، بحيث تقع بين العدسة العينية وبؤرتها، لتتكون نتيجة لذلك صورة خيالية معتدلة وأكبر من الصورة الأولى. وبسبب أن الصورة الأولى كانت مقلوبة، تظل الصورة النهائية مقلوبة ولكنها مقبولة لمشاهدة الأجسام الفلكية. أما في الشكل 21-6، فيظهر المنظار، وهو عبارة عن تلسكوبين متجاورين، حيث تستخدم المنشورات لإحداث انعكاس كلي داخلي يقلب الصورة مرة أخرى لتراها معتدلة، ولزيادة المسافة بين العدستين الشيئيتين بما يحسن الرؤية الثلاثية الأبعاد للبعيد.
صفحة ١٩٣
انظر إلى الشكل 22-6 الذي يوضح آلية التصوير ذات العدسة المفردة، ففعندما يدخل الضوء إلى آلة التصوير يمر خلال عدسة لا لونية، ويعمل نظام العدسة هذا على كسر الضوء وكأنه عمل عدسة محدبة مفردة، فيكون صورة مقلوباً على المرآة العاكسة، ثم تنعكس الصورة إلى أعلى في اتجاه المنشور الذي يعكس الضوء لعين المشاهد. وإذا التقط الشخص صورة، فإنه يضغط زر الغالق الذي يرفع المرآة، وبدل أن يتجه الضوء إلى المنشور فإنه ينتقل في خط مستقيم ليكون صورة على الفيلم كما في الشكل a وb. أما المجهر في الشكل 23-6، فيتكون من عدستان محدبتان: إحداهما شيئية والأخرى عينية. يوضع الجسم بين بؤرة العدسة الشيئية ومركيز تكورها، فتتكون صورة حقيقية مقلوبة ومكبرة تصبح بمثابة جسم للعدسة العينية، فتتكون لها صورة خيالية معتدلة ومكبرة مقارنة بالصورة الأصلية لتراها مكبرة جداً.
صفحة ١٩٤
مختبر الفيزياء: العدسات المحدبة والبعد البؤري. هدفنا هنا هو معرفة كيف يرتبط بعد الصورة عن العدسة الرقيقة بكل من بعد الجسم والبعد البؤري من خلال العلاقة التي تنص على أن مقلوب البعد البؤري يساوي مجموع مقلوب بعد الصورة ومقلوب بعد الجسم، أي . احرص دائماً على احتياطات السلامة بتأكدك من إطفاء المصباح قبل فصله، والتعامل بحذر مع المصابيح الساخنة والأطراف الحادة للعدسات. في الخطوات، ضع مسطرة مترية على طاولة المختبر، ثم ثبت العدسة المحدبة على حامل العدسات بحيث تكون عند التدريج . أضئ المصباح واجعله عند طرف المسطرة، ثم احمل بطاقة الفهرسة وحركها للأمام والخلف حتى تظهر على البطاقة صورة مقلوبة واضحة ومكبرة للمصباح بأطراف حادة قدر الإمكان، ثم سجل بعد المصباح عن العدسة وبعد الصورة عن العدسة .
صفحة ١٩٥
بعد أخذ القراءات وتعبئة جدول البيانات بخمس محاولات مختلفة، ننتقل إلى جدول الحسابات. لكل محاولة، احسب مقلوب بعد الصورة ومقلوب بعد الجسم ، ثم اجمعهما لتعرف قيمة وهي التي تمثل مقلوب البعد البؤري للعدسة . في التحليل، ستقوم بإنشاء رسوم بيانية بحيث يكون بعد الصورة على المحور الرأسي وبعد الجسم على المحور الأفقي، لتعرف أي القياسات أكثر دقة. وعند إتمام الحسابات في الفقرتين 10 و11، ستجد أن مجموع مقلوب البعدين يعطيك قيمة ثابتة تقريباً هي مقلوب البعد البؤري الفعلي للعدسة. وفي قسم الفيزياء في الحياة، إذا أردت التقاط صورة لجسم بعيد لجسم آخر يبعد أقل من متر، فيجب تغيير المسافة بين العدسة والفيلم لضمان تكوين الصورة بوضوح على الشبكية أو الفيلم.
صفحة ١٩٦
الإثراء العلمي: عدسات الجاذبية. في عام 1919 أُثبتت مقارنة ضوء نجم قبل كسوف الشمس وفي أثناءه صحة نظرية أينشتاين في ظاهرة عدسة الجاذبية، ولأن الضوء يمكنه أن ينحني بفعل مجالات الجاذبية للأجسام الضخمة، لذا يراقب العلماء صور حلقات خيالية عندما يكون هناك جسم ضخم بين الأرض والجسم المراقب. اكتشف الفلكيون عام 1979 في مرصد جودرل في بريطانيا توأم نجوم تفصل بينهما مسافة 7 ثوانٍ قوسية، وبينت القياسات أن النجمين يبعدان عن الآخر 500,000 سنة ضوئية، وبدا أن النجمين يتذبذبان في السطوع وفي الإيقاع معاً، ولكن المدهش أنهما كان للنجوين أطياف متماثلة وكأنهما جسمان مختلفان، ولكن الحقيقة أن الجسمان عبارة عن جسم واحد انحنى ضؤوه بفعل كتلة ضخمة بينه وبين الأرض لتتكون صورتان.
صفحة ١٩٧
دليل مراجعة الفصل السادس. في قسم انكسار الضوء 1-6، المفاهيم الرئيسية تتضمن قانون سنل للانكسار: والذي يوضح انحراف مسار الضوء عندما ينتقل من وسط ذي معامل انكسار إلى وسط آخر، وحساب سرعة الضوء بالعلاقة: ، وحساب الزاوية الحرجة للانعكاس الكلي الداخلي بالعلاقة: . أما في قسم العدسات المحدبة والمقعرة 2-6، فالعلاقة الأساسية للعدسة الرقيقة هي: ، ومعادلة التكبير هي: . العدسة المحدبة تكون صوراً حقيقية مقلوبة عندما يكون الجسم أبعد من البعد البؤري، وتكون صوراً خيالية معتدلة ومكبرة عندما يكون الجسم بين البعد البؤري والعدسة. بينما العدسة المقعرة تكون صوراً خيالية معتدلة ومصغرة دائماً. وفي قسم تطبيقات العدسات 3-6، نلخص دور العدسات في العين والآلات البصرية مثل التلسكوب والمجهر.
صفحة ١٩٨
تقويم الفصل السادس. في خريطة المفاهيم، عليك إكمال المخطط باستخدام المصطلحات مثل: مقررة، محدبة، حقيقية، خيالية، معتدلة، مكبرة، لا يتغير الحجم. في تطبيق المفاهيم، انظر إلى الشكل 24-6 وقارن بين المادتين A وB لمعرفة أيهما له معامل انكسار أكبر بالاعتماد على زاوية الانحراف واقتراب الشعاع من العمود المقام. في إتقان المفاهيم، أجب عن الأسئلة المتعلقة بزاوية السقوط وزاوية الانكسار عندما ينتقل الضوء من الزجاج إلى الهواء، وفسر لماذا يبدو القمر أحمر اللون أثناء الخسوف، وما العامل الذي يحدد موقع البؤرة للعدسة. وفي السؤال 35، عند عرض صورة بواسطة آلة عرض الأفلام على شاشة، فإن الفيلم يوضع بين و لعدسة مجمعة ليؤدي هذا الترتيب إلى ظهور صورة مقلوبة، فلماذا يظهر مشهد الفيلم معتدلاً عندما يعرض الفيلم؟ فكر في طريقة تركيب الفيلم في الآلة.
صفحة ١٩٩
استكمال تقويم الفصل السادس. في الأسئلة الرياضية، يطلب منك حساب زاوية الانكسار لمعاملات انكسار مختلفة مثل الزجاج والماء. ففي السؤال 48، ينتقل شعاع ضوء من الهواء إلى سائل ما كما في الشكل 25-6، حيث يسقط الشعاع على السائل بزاوية وينكسر بزاوية . لحساب معامل انكسار السائل باستخدام قانون سنل، استخدم المعادلة: . عوض بالقيم: . أوجد قيمة لتعرف معامل انكسار السائل، ثم قارنه بالقيم الموجودة في الجدول 1-6. وفي السؤال 52، حوض سمك استخدمت صفيحة سميكة من البلاستيك معامل انكساره ، فإذا انعكس ضوء عن سمكة موجودة في الماء وسقط على صفيحة البلاستيك بزاوية ، فما مقدار الزاوية التي سيخرج فيها الضوء إلى الهواء؟ طبق قانون سنل عند الحد الفاصل بين البلاستيك والهواء.
صفحة ٢٠٠
متابعة تقويم الفصل السادس. في قسم تطبيقات العدسات 6-3، يطرح السؤال 59 مشكلة لشخص يعاني من طول النظر، فإذا كان بحاجة لقراءة الكتاب على بعد من العين، وتحتاج للقراءة بوضوح إلى أن يكون الكتاب على بعد من عينيها، فما البعد البؤري اللازم لعدستي نظارتها؟ استخدم معادلة العدسة الرقيقة لحساب ذلك. وفي السؤال 60، لآلة نسخ البعد البؤري للعدسة المحدبة الخاصة بها يساوي ، فإذا وضعت رسالة على بعد من العدسة لنسخها، فأوجد على أي بعد من العدسة يجب أن تكون ورقة النسخ باستخدام معادلة العدسة، ثم احسب تكبير ورقة النسخ. وفي المجهر في السؤال 61، وضعت شريحة من خلايا البصل على بعد من عدسة المجهر الشيئية، فإذا كان البعد البؤري لهذه العدسة ، فما بعد الصورة وتكبيرها؟
صفحة ٢٠١
استكمال تقويم الفصل السادس وتحديداً مسائل التفكير الناقد ومسائل الانكسار. في الشكل 27-6، من غير الممكن الرؤية من خلال الجوانب المتجاورة لقوالب مربعة الشكل من زجاج معامل انكساره ؛ حيث يؤثر الجانب المجاور للجانب الذي ينظر من خلاله مراقب كأنه مراة. ويمثل الشكل 28-6 الحالة المحددة لجانب مجاور لا يؤثر كأنه مرآة. استخدم معلوماتك في الهندسة، والزوايا الحرجة، لتثبت أن هيئة هذا الشعاع لا يمكن تحقيقها عندما يكون معامل انكسار الزجاج باستخدام علاقة الزاوية الحرجة . وفي السؤال 70، قارن أوجد الزاوية الحرجة للجليد الذي معامل انكساره في المناطق الباردة جداً، وهل تكون ألياف الضوء المصنوعة من الزجاج داخل السلك أكثر حفظاً للضوء من الألياف المصنوعة من الجليد؟ وضّح إجابتك رياضياً.
صفحة ٢٠٢
استكمال تقويم الفصل السادس، وتحديداً قسم المراجعة التراكمية والكتابة في الفيزياء. في السؤال 71 من التفكير الناقد، تستخدم عدسة لعرض صورة جسم على شاشة، وافتراض أنك غطيت النصف الأيمن من العدسة، فما الذي يحدث للصورة؟ تذكر أن كل جزء من العدسة يمكنه تكوين صورة كاملة للجسم ولكن بكثافة ضوئية أقل. وفي السؤال 74، وضع جسم طوله أمام مرآة مقعرة نصف قطرها ، وعلى بعد منها، فاحسب بعد الصورة وطولها باستخدام معادلة المرايا الكروية والتكبير. وفي قسم الكتابة في الفيزياء، يطلب منك بحث عملية تكيف العين، وهي عملية انقباظ العضلات المحيطة بعدسة العين أو انبساطها لرؤية الأجسام القريبة أو البعيدة، واعداد تقرير للصف ينص على كيفية التكيف في عيون الحيوانات المختلفة.
صفحة ٢٠٣
اختبار مقنّع على الفصل السادس. يحتوي هذا الاختبار على أسئلة اختيار من متعدد وأسئلة ممتدة لاختبار فهمك لجميع مفاهيم الانكسار والعدسات. في السؤال الأول، وجه شعاع من مصباح يدوي على بركة سباحة في الظلام بزاوية بالنسبة للعمود المقام على سطح الماء، ولمعرفة زاوية انكسار الشعاع في الماء استخدم قانون سنل: مع العلم أن معامل انكسار الماء هو . عوض هكذا: واقسَم لتجد زاوية الانكسار. وفي السؤال الثاني، إذا كانت سرعة الضوء في الألماس تساوي فما معامل انكسار الألماس؟ احسبه بقسمة سرعة الضوء في الفراغ على سرعته في الألماس . أجب عن بقية الأسئلة بحذر وتأكد من تطبيق القوانين الصحيحة للعدسات والزوايا الحرجة.
