فيزياء - الباب الثالث| تداخل الضوء

الصف الثالث الثانوى فيزياء الباب الثالث| فيزياء
فيزياء - الباب الثالث| تداخل الضوء

01 تداخل الضوء



الدرس في شكل نص مقروء

فيزياء - الباب الثالث| تداخل الضوء
تعريف المصادر المترابطة :
هي المصادر التي تكون أمواجها متساوية التردد والسعة ولها نفس الطور .
تداخل الضوء :
هو تراكب موجات الضوء الصادرة من مصدرين مترابطين وينشأ عن ذلك مناطق مضيئة تتخللها أخرى مظلمة تعرف باسم هدب التداخل .
تجربة رقم (2)
الغرض أو الاستخدام :
أ- دراسة ظاهرة التداخل في الضوء .
ب- تعيين الطول الموجي لضوء احادي اللون .
خطوات التجربة
1- (م) مصدر ضوئي أحادى اللون يقع على بعد مناسب من حاجز A ) ) به فتحه مستطيلة ضيقه S ) ) يمكن التحكم في اتساعها بواسطة مسمار محوى تمر من خلاله أمواجا اسطوانيه مستوية نحو حاجز ( B)
2- الحاجز (B ) به فتحتان مستطيلتان ضيقتان البعد بينهما ( d ) S1 ، S2 تعملان كشق مزدوج بحيث تقع S1 ، S2 على نفس صدر الموجة الاسطوانيه المستوية لذلك يكون للموجات التي تصلها نفس الطور
3- تسلك الفتحتان المستطيلتان سلوك المصادر المترابطة .
4- تنتشر الحركتان الموجيتان الصادرتان من الفتحتين S1 ، S2 على هيئة أمواج اسطوانيه خلف الحاجز ( B ) متخذه طريقا نحو الحائل المعد لاستقبالها ( C ) الذي يبعد مسافة ( R ) عن الشق المزدوج .
5- تتراكب الأمواج القادمة من S1 ، S2 وتظهر مجموعة التداخل التي تبدو كمجموعة من المناطق المستقيمة المتوازية وهي عبارة عن مناطق مضيئة تتخللها مناطق مظلمة وتعرف باسم هدب التداخل البعد بين هدبتين متتاليتين من نفس النوع ( y Δ ) يتعين من العلاقة حيث λ الطول الموجى للضوء الآحادى اللون R المسافة بين الشق المزدوج والحائلd البعد بين الفتحتين المضيئتين.
1- الحاجز ذو الشق المزدوج 2- الحائل في تجربة ينج
ج- 1- الحاجز ذو الشق المزدوج : ( يعمل عمل مصدران ضوئيان مترابطان )
أى يعطي موجتان ضوئيتان لهما نفس التردد والسعة والطول الموجي فرق الطور بينهما منعدما .
2- الحائل في تجربة ينج : استقبال هدب التداخل .
س/ ما هي العوامل التي يتوقف عليها المسافة بين هدبين متتاليين من نوع واحد ؟
ج- من العلاقة :
1- الأطول الموجي عند ثبوت باقي العوامل .
2- R البعد بين الشق المزدوج والحائل عند ثبوت باقي العوامل .
3- d البعد بين الفتحتين المضيئتين عند ثبوت باقي العوامل .
مثال:
في تجربة الشق المزدوج لينج كانت المسافة بين الفتحتين المستطيلتين الضيقتين 0.0015 م وكانت المسافة بين الشق المزدوج والحائل المعد لاستقبال الهدب 0.75 م وكانت المسافة بين هدبين مضيئين هي 0.003 م احسب الطول الموجي للضوء المستخدم الأحادى اللون وإذا كانت سرعة الضوء في الهواء
108 × 3 م/ث - احسب تردد الضوء المستخدم.
تعليللات
1) تكون الهدبة المركزية في تجربة ينج هدبة مضيئة ؟
جـ: لأنها تنتج من تراكب أو تداخل موجتين لها نفس الطور والتردد وفرق المسير
= صفر فيحدث تداخل بنائي .
2) في تجربة الشق المزدوج لينج يزداد وضوح التداخل كلما قلت المسافة بين الشقين .
جـ: تتناسب المسافة بين هدبتين متتاليتين من نوع واحد تناسبا عكسيا مع المسافة بين الشقين حسب العلاقة عند ثبوت باقي العوامل لذلك تزداد المسافة بين هدبتين متتاليتين من نفس النوع مع نفس المسافة . فيزداد وضوح التداخل .
3) يفضل استخدام الضوء الأحمر في تجربة الشق المزدوج ؟
جـ: لانه حسب العلاقة عند ثبوت باقي العوامل فإن البعد بين هدبتين متتاليتين من نفس النوع يتناسب تناسبا طرديا مع الطول الموجي والطول الموجي للضوء الأحمر كبيرا .
4) يقل وضوح التداخل عند زيادة المسافة بين الشقين ؟
جـ: لأنه حسب العلاقة نجد أن: مع زيادة (d) تقل المسافة بين هدبتين من نفس النوع ويقل وضوح التداخل .
تجربة الشق المذدوج
1- يستخدم ضوء أحادى اللون آي وحيد الطول الموجي .
2- أن تكون المسافة بين الفتحتين المضيئتين S1 ، S2 صغيرة جدا .
3-أن ينطبق صدر الموجة المستوية على الشق المزدوج وذلك بجعل المسافة
.
4- يلزم ضبط المسافة بين المصدر الضوئي الأحادي اللون والفتحة S مقارنة باتساع الفتحة حتى تعطي الفتحة موجات اسطوانيه مستوية .
5- أن تكون الفتحات المستخدمة مستطيلة حتى تعطي موجات اسطوانيه وبالتالي يمكن التميز بين الهدب المضيئة والهدب المظلمة .
6- أن تكون الموجات الصادرة من المصدرين S1 ، S2 موجات مستمرة ولها نفس الطول الموجي والتردد .
حيود الضوء
هو ظاهرة انحناء موجات الضوء عن السير في خطوط مستقيمة عند مرورها خلال فتحة ضيقة أوإذا اعترض مسارها عائق صغير .
توضيح معني ظاهرة الحيود
من المعروف أن أشعة الضوء تسير في خطوط مستقيمه وعلى هذا الأساس فإذا سقط ضوء أحادى اللون على فتحة دائرية ضيقة من حاجز فتتكون بقعة دائرية مضيئة محددة على الحائل الموجودة خلف الثقب .
بدراسة البقعة المضيئة وجد أنها تتكون من هدب مضيئة وأخرى مظلمة كالتي حدثت عند حدوث التداخل لاحظ يظهر الحيود بوضوح إذا كان اتساع الفتحة صغير بمقارنته بالطول الموجي للضوء .
تفسير ظاهرة الحيود في الضوء
1- عندما تصطدم الموجة الضوئية بحافة أو تمر خلال الفتحة فإن كل نقطة من نقاط الفتحة أو الحافة تعمل كمصدر ضوئي مستقيم أو كمصدر ثانوي وتتكون موجات ثانوي مترابطة تنتشر في اتجاهات متعددة .
2- تتداخل الأمواج بعد نفاذها من الفتحة ويتكون نموذج الحيود على الحائل أي تظهر الهدب المضيئة وبينهما الهدب المظلمة .
3- يظهر الحيود بوضوح إذا كان الطول الموجي مقاربا لابعاد فتحة العائق .
الضوء حركة موجية
جـ- له الخصائص التالية:
1- ينتشر في خطوط مستقيمة .
2- ينعكس على السطح العاكس وينطبق عليه قانوني الانعكاس .
3- ينكسر عند انتقاله بين وسطين وينطبق عليه قانوني الانكسار .
4- يتداخل الضوء الصادر من مصادر مترابطة وينتج عن ذلك وجود مواضع يحدث فيها تقوية في شدة الضوء ( هدب مظلمة ) .
5- يحيد الضوء مساره الأصلي عندما يمر بالقرب من حافة جسم ينفذ من فتحة ضيقة حسب العلاقة كلما زادت هذه النسبة زاد الحيود وضوحا.
1- أن تكون الموجات لها تنفس التردد و الطول الموجي .
2- أن يكون فرق الطور بين الموجات ثابتا مع الزمن عند نقطة معينه .
3- أن تكون سعة الموجات متساوية أو قريبة من التساوي .
4- لابد أن تكون الموجتين تسيرين في اتجاه واحد أو يكون بينهما زاوية صغيرة جدا
علل : لا يمكن الحصول على هدب تداخل باستخدام مصدرين منفصلين؟
ج- لان أي مصدر ضوئي لا يعطي موجات بشكل طيف مستمر بل أنه يعاني من عددا كبيرا من التغيرات في الطور كل ثانيه وعندما يحدث هذا التغير تعاني مجموعة الهدب إزاحة عن موضعها وعند تكرار ذلك لعدد كبير من المرات فإن العين تصبح غير قادرة على تمييز الهدب ويظل الحائل مضيئا وعندما يكون التداخل صادرا عن مصدر واحد فإنه إذا تغير الطور بالنسبة لأحد الشقين فإنه يتغير بنفس اللحظة للشق الأخرو تظهر هدب التداخل مستقره وعندئذ يسمي هذان المصدران مترابطان .
ملحوظة :
1- الهدبة المركزية ( ¯S ) أمام الحاجز بين الفتحتين S1 ، S2 كصورة للمصدر S يعني انحناء الموجات الضوئية والانحناء خاصية للموجات وذلك يؤكد أن للضوء طبيعة موجيه
2- يتعين الطول الموجي من العلاقة
تطبيقات على انكسار الضوء الانعكاس الكلى والزاوية الحرجه
إذا انتقل شعاع ضوئي من وسط أكبر كثافة ضوئية لوسط أقل كثافة ضوئية فإنه ينكسر مبتعدا عن العمود ومقربا من السطح الفاصل .
كلما زادت زاوية السقوط زادت زاوية الانكسار فيقترب الشعاع من السطح الفاصل تدريجيا ( علل ) .
عندما تصل زاوية السقوط في الوسط الأكبر ضوئية إلى قيمة معينه فإن الشعاع يخرج منطبقا على السطح الفاصل و تكون زاوية الانكسار90o كما يحدث للشعاع م د وتسمي زاوية السقوط في هذه الحالة بالزاوية الحرجة بين الماء والهواء ويرمز لها بالرمز
الزاوية الحرجه
تعريفها : هي زاوية سقوط للضوء في وسط أكبر كثافة ضوئية تقابلها زاوية انكسار في وسط أقل كثافة ضوئية مقدارها 90o .
س/ ما معني أن الزاوية الحرجة للماء 50º
ج- معني ذلك أنه إذا سقط الضوء من الماء بزاوية سقوط 50º فإنه يخرج مماسا للسطح الفاصل بينه وبين الهواء أي تكون زاوية الانكسار 90º
الانعكاس الكلي
إذا سقط الضوء من وسط أكبر كثافة ضوئية بزاوية سقوط أكبر من الزاوية الحرجة فإنه لا ينفذ إلى الوسط الأقل كثافة ضوئية بل ينعكس في نفس الوسط بحيث زاوية السقوط = زاوية الانعكاس .
شروط حدوث الانعكاس الكلي
1- سقوط الضوء من وسط اكبر كثافة ضوئية علي سطح فاصل .
2- زاوية السقوط من الوسط الاكبر كثافة ضوئية > .
العلاقة بين الزاوية الحرجة ومعامل الانكسار بين وسطين :
الاستنتاج :- نفرض أن معامل انكسار الوسط الأكبر كثافة ضوئية n1 والأقل كثافة ضوئية n2 الزاوية الحرجة من الوسط الأكبر كثافة للأقل كثافة ، قانون سنل :
إذن معامل الانكسار النسبي من الوسط الأكبر كثافة إلى الوسط الأقل كثافة
= جيب الزاوية الحرجة =
العلاقة بين الزاوية الحرجة ومعامل الانكسار المطلق لوسط n :
عندما يكون (n2) هو الهواء :
أي أن : معامل الانكسار المطلق لوسط يتناسب تناسبا عكسيا مع زاويته الحرجة .
علل : الزاوية الحرجة للماس اقل من الزاوية الحرجة للزجاج .
جـ: لأن معامل انكسار الماس > معامل انكسار الزجاج .
أمثلة
1- إذا كان معامل الانكسار المطلق للزجاج = 1.5 فاحسب قيمة الزاوية الحرجة للزجاج بالنسبة للهواء
2- إذا كانت الزاوية الحرجة لوسط بالنسبة للهواء هي 45º فأحسب معامل الانكسار المطلق لهذا الوسط .
3- إذا كان معامل الانكسار للزجاج والماء هما على الترتيب 1.6 ، 1.33 فأحسب قيمة الزاوية الحرجة لنفاذ الضوء من الزجاج للماء
4- جسم نقطي موضوع في الماء فإذا كان الوسط الذي يعلو سطح الماء هو الهواء وانطلقت أشعه من الجسم فكانت زاويا سقوط بعضها على سطح الماء هو صفر ، ْ45، 45o, 48º ، ْ60 فهل تنكسر هذه الأشعة أم تنعكس أوجد زوايا انكسارها وانعكاسها علما بأن معامل الانكسار المطلق للماء 1.33 .
تطبيقات على الانعكاس الكلى
الألياف الضوئية البصرية
س : اشرح فكرة عمل الليفة الضوئية ؟
* فكرة عمل الليفة الضوئية *
تعتمد علي الانعكاس الكلي حيث اذا سقط الضوء علي احد طرفيها بزاوية اكبر من الزاوية الحرجة فإنه يعاني عدة انعكاسات متتالية حتي يخرج من الطرف الاخر في صورة حزمة رفيعة من الاشعة الضوئية .
التكوين : الليفة الضوئية هي أنبوبة رفيعة مصمتة من مادة مرنه شفافة ذات معامل انكسار كبير ( زجاج أو بلاستيك ) يصل قطرها حوالي 0.001 بوصة .
طريقة العمل : تثني بكيفية معينه بحيث يدخل الضوء من أحد طرفيها بزاوية سقوط أكبر من الزاوية الحرجة فيحدث له انعكاسات كليه متتالية حتى يخرج من طرفها الأخر في صورة حزمة رفيعة من الأشعة الضوئية .
مميزاتها: لا يحدث فقد في الطاقة الضوئية عند الانتقال عبر مسافات كبيرة وبإستخدام حزمة مرنه منها وضوء قوى كأشعة الليزر يمكن نقل الضوء لمسافات بعيدة واستخدامها كمنظار للفحوص الطبية للتشخيص والتصوير .
س: اذكر استخدام الألياف الضوئية ؟
ج- 1- تستخدم مع أشعة الليزر في الفحوص الطبية (عمل المناظير الطبية) .
2- تستخدم مع أشعة الليزر في إجراء الجراحات الدقيقة .
3- يستخدم الليزر في الاتصالات الكهربية عن طريق تحميل الضوء لملايين الإشارات الكهربية في كابل من الألياف الضوئية كما تستخدم في نقل الضوء لمسافات بعيدة
كيف تعمل الألياف الضوئية ؟
إذا كان لدينا انبوبه مجوفة ونظرنا من أحد طرفيها لنري جسم مضيئا في الطرف الأخر فإنه يمكن رؤيته أما إذا حدث انثناء للأنبوب المجوفة فلا يمكن رؤية الجسم المضيء إلا عن طريق وضع مرايا عاكسه عند مواضع مسار الشعاع الضوئي
( عند نقطة الانثناء ) وبتالي يمكن استخدام الألياف الضوئية عند سقوط شعاع ضوئي بزاوية سقوط أكبر من الزاوية الحرجة فإنه يحدث انعكاسات كليه ليخرج الشعاع بكامل طاقته من الطرف الأخر رغم انثناء هذه الألياف .