Search

 

<<< اساسيات الضوء >>>


ما هو الضوء؟

الضوء هو شكل من أشكال الطاقة يمكن رؤيته بالعين البشرية. ينتقل الضوء في الفراغ بسرعة ثابتة تبلغ حوالي 300,000 كيلومتر في الثانية، وهي أسرع سرعة معروفة في الكون.

انتشار الضوء في خطوط مستقيمة

ينتشر الضوء في خطوط مستقيمة بسبب طبيعته الموجية. هذه الخاصية تسمح لنا بتشكيل الظلال وفهم كيفية عمل الكاميرات والعين البشرية.

الدليل عندما نسلط الضوءعلى لوح معدني يظهر خلف الحاجز ظل لو كان الضوء يسير بخطوط غير مستقيمة لظهر ضوء خلف اللوح المعدني

يصنف الأجسام إلى مضيئة ومستضاء ماذا يعني ذلك

هناك أجسام مضيئة بحد ذاتها مثل الشمس والنار وحشرة اليراع والمصباح

وهناك أجسام مستضيئة تعكس ضوء الأجسام المضيئة مثل القمر والكتاب والأشجار

صنفت الاجسام حسب مقدرتها على إمرار الضوء الى ثلاث من هي

هناك أجسام شفافة تسمح بمرور كامل الضوء مثل الزجاج

وهناك أجسام تسمح بمرور جزء من الضوء مثل الزجاج الخشن

وهناك أجسام لا تسمح بمرور أي جزء من الضوء مثل الكتاب




في هذه المحاكاة سوف نستخدم مصابيح مختلفة أفتح المفتاح للمصباح ولاحظ عدد الأشعة الصادرة من كل مصباح
غير المصباح عن طريق السهم ويوجد أربع مصابيح مختلفة

نسمي عدد الأشعة الصادرة من المنبع بالتدفق الضوئي ويقدر بوحدة اللومن

(lm )
يرمز للتدفق الضوئي بالرمز
p او ∅ تجربة محاكاة تدفق الإضاءة

تجربة محاكاة تدفق الإضاءة

هذه التجربة تسمح لك باختيار مصباح مختلف وملاحظة عدد الأشعة الصادرة منه. استخدم الأسهم لتبديل بين المصابيح الأربعة المختلفة.

إعدادات الإضاءة

75
20
3

اختيار المصباح

متوهج
LED
هالوجين
فلورسنت

معلومات عن المصباح المتوهج

المصباح المتوهج يعمل عن طريق تسخين سلك من التنجستن حتى يتوهج. يتميز بضوء دافئ ولكن كفاءته منخفضة في تحويل الطاقة إلى ضوء.

نوع المصباح عدد الأشعة شدة الإضاءة كفاءة الطاقة
متوهج
20
75%
10%
القدرة (الطاقة المستهلكة) التدفق الضوئي (الضوء المنبعث) الاستضاءة (على السطح)
60
واط
600
لومن
66.7
لوكس

سطوع الضوء عندما نشعل شمعة فإننا نرى ضوءها من جميع الجهات

لأنها أمواج كروية تنتشر في جميع الإتجاهات
مساحة الكرة تعادل \[4𝜋r^2\] نسمي عدد الأشعة الصادرة خلال وحدة المساحة بالاستضاءة \[E\] \[E =\frac{ P} { 4𝜋r^2} \] وتقدر بوحدة اللوكس \[LX\] لاحظ علاقة الإستضاءة بالبعد عن المصدر والتدفق الضوئي
كلما زاد البعد قلت الإستضاءة والعلاقة عكسية مع مربع البعد
في هذه المحاكاة سوف ندرس الإستضاءة وعلاقتها مع البعد
هناك أقفال القفل الموجودعلى اليسار يثبت البعد والذي بجانبة يثبت الزاوية
نحن لن ندرس أثر الزاوية سوف ندرس علاقة الإستضاءة بالبعد غير البعد كل مرة وحدد قيمة الإستضاءة

تجربة تفاعلية: علاقة الاستضاءة بالبعد عن المصدر الضوئي

أدخل القيم المطلوبة لتحديد المسافة فتتحرك المنزلقة وثبت التدفق عند قيمة معينة أثناء التجربة ولاحظ التغير في شدة الإضاءة
شدة الضوء: 100%

الاستضاءة (لكس)

27.78

المسافة (متر)

3.0

التدفق الضوئي (لومن)

1000

جدول التجربة

رقم التجربة التدفق الضوئي (لومن) البعد عن المصدر (متر) مربع البعد عن المصدر (م²) الاستضاءة (لكس)

الشرح النظري

الاستضاءة هي كمية الضوء الساقط على سطح ما، وتقاس بوحدة اللوكس .

تتناسب الاستضاءة طرديًا مع التدفق الضوئي وتتناسب عكسيًا مع مربع المسافة من المصدر الضوئي.

\[E = \frac {Φ }{ 4πd²}\]

حيث:

  • E: الاستضاءة (بوحدة اللوكس)
  • Φ: التدفق الضوئي (بوحدة اللومن)
  • r: المسافة من المصدر الضوئي (بوحدة المتر)
  • π: الثابت باي (3.1416)

من هذه المعادلة نلاحظ أنه كلما زادت المسافة من المصدر الضوئي، قلت الاستضاءة بشكل كبير (علاقة عكسية مع مربع المسافة).

في هذه التجربة، يمكنك تغيير المسافة والتدفق الضوئي باستخدام ادخال القيم في الفراغات ة.

\[1 \star\]

مصدر ضوئي تدفقة 300 لومن
سطوع الضوء على بعد 0.5 متر يعادل

أختر الإجابة الصحيحة

A
95.5 LX
B
105.5 LX
C
66.7 LX
D
75.8 LX
اضغط هنا تظهر طريقة الحل
\[2 \star\]

في الشكل المجاور النسبة بين السطوع الذي يراه المراقب \[A\]
إلى سطوع الضوء الذي يراه المراقب \[B\] يعادل

أختر الإجابة الصحيحة

A
2
B
9
C
6
D
4
اضغط هنا تظهر طريقة الحل
\[3 \star\]

في الشكل المجاور سطوع الضوء الذي يراه المراقب \[A\] يعادل أربع أضعاف سطوع الضوء الذي يراه المراقب \[B\]
فإن المراقب \[A\] يقف على بعد

أختر الإجابة الصحيحة

A
0.5 m
B
1 m
C
1.5 m
D
2 m
اضغط هنا تظهر طريقة الحل

شدة الضوء

شدة الإضاءة هي كمية فيزيائية تقيس القوة الضوئية الصادرة من منبع ضوئي في اتجاه معين محدد. بمعنى آخر، هي مقدار التدفق الضوئي (الطاقة الضوئية) الصادر في كل وحدة زاوية صلبة. الوحدة: تقاس بوحدة الشمعة ويرمز لها الشمعة هي واحدة الوحدات الأساسية الدولية . \[Cd\] الحالة الخاصة: المصدر المتناظر المصدر الضوئي المتناظر (أو المنتشر بشكل مثالي) هو مصدر يشع الضوء بنفس الشدة في جميع الاتجاهات. من الناحية العملية، لا يوجد مصدر مثالي بهذه المواصفات، ولكن المصابيح المتوهجة العادية تعتبر تقريباً جيدة لهذا النموذج. في هذه الحالة الخاصة، تكون شدة الإضاءة \[I\] ثابتة ومتساوية في كل اتجاه. لإيجاد إجمالي التدفق الضوئي \[ P\] المنبعث من هذا المصدر، ندمج (نجمع) التدفق الضوئي عبر جميع الزوايا الصلبة في الفضاء الكروي المحيط بالمصدر. اشتقاق العلاقة\[ I = P / (4π)\]

مثال توضيحي <\p> لنفترض أن لدينا مصباحاً متوهجاً (مصدر شبه متناظر) يستهلك طاقة معينة ويُنتج إجمالي تدفق ضوئي مقداره \[P= 1256 \;Lm\] المطلوب: حساب شدة الإضاءة لهذا المصباح (بافتراض أنه متناظر). الحل: نطبق العلاقة: \[I = P / (4π)\] نعوض بالقيم:\[ I = 1256 lm / (4× 3.1416) ≈ 1256 / 12.5664\] النتيجة: \[I ≈ 100 cd\]

اختبار قصير الضوء وخصائصه
    • حيود الضوء
    الحيود : انحراف اتجاه انتشار الموجة عندما تجتاز فتحات ضيقة أو حواف الحواجز
    الحيود ظاهرة تخص الموجات فقط
    الضوء يحيد عن مسارة فهو موجة
    الضوء صعب الحيود لأن طول الموجة له صغير جدا حتى يحيد يجب أن يكون سمكالحاجز أو عرض الفتحة قريب من طول الموجة










    الألوان
    الضوء الأبيض يتكون من سبع ألوان وهي ألوان الطيف لكل منها طول موجي مختلف وهي
    الأحمر - البرتقالي - الأصفر - الأخضر - الأزرق - النيلي - البنفسجي
    أكبرها طول موجي الأحمر وأقلها طول موجي البنفسجي
    عندما تدخل على منشور لكل لون سرعة محددة حسب الطول الموجي لذلك تتفرق إلى ألوان الطيف السبعة



    إن الألوان الأساسية للضوء هي ثلاثة ألوان تدعى الألوان الأساسية وهي
    الأحمر - الأخضر - الأزرق
    عند خلطها بنسب متساوية تعطينا اللون الابيض
    أحمر + أخضر = أصفر
    أحمر + أزرق = أرجواني
    أزرق + أخضر = سماوي
    في هذة المحاكاة سوف نتأكد من النتائج المكتوبة




    الأصباغ

    إن الألوان الأساسية للأصباغ هي ثلاثة ألوان تدعى الألوان الأساسية وهي
    ( سماوي )الإرجواني - الأصفر - الأزرق الفاتح
    عند خلطها بنسب متساوية تعطينا اللون الأسود
    أرجواني + أصفر = أحمر
    أرجواني + سماوي =أزرق
    أصفر + سماوي = أخضر
    في هذة المحاكاة سوف نتأكد من النتائج المكتوبة



    كيف نرى الأجسام بألوانها؟


    نرى الأجسام بألوانها بسبب طريقة تفاعل الضوء مع هذه الأجسام :
    1. مصدر الضوء (مثل الشمس أو مصباح) يبعث ضوءًا يحتوي على ألوان الطيف المختلفة.
    2. عندما يسقط الضوء على جسم، يمتص الجسم بعض ألوان الطيف ويعكس البعض الآخر.
    3. اللون الذي نراه هو اللون الذي يعكسه الجسم إلى أعيننا.
    4. على سبيل المثال، الجسم الأحمر يمتص جميع الألوان ما عدا الأحمر الذي يعكسه، لذلك نراه أحمر.
    5. الجسم الأسود يمتص جميع الألوان ولا يعكس أي لون، لذلك نراه أسود.
    6. الجسم الأبيض يعكس جميع الألوان لذلك نراه أبيض.

    تجربة تفاعلية: رؤية الأجسام بألوانها تحت أضواء مختلفة

    هذه التجربة تشرح كيف نرى الأجسام بألوانها المختلفة عند تسليط أضواء ملونة عليها. إختر لون الجسم أولاً ثم إختر لون الضوء المسلط لترى كيف سيبدو الجسم.

    تحكم في التجربة

    إختر لون الجسم:


    إختر لون الضوء:

    الصندوق المعتم

    لون الجسم الحالي: أحمر

    لون الضوء الحالي: أبيض

    اللون الظاهر: أحمر

    مظهر اللون الناتج:

    كيف تعمل رؤية الألوان؟

    نرى الأجسام ملونة لأنها تمتص بعض ألوان الطيف الضوئي وتعكس البعض الآخر. عندما يسقط الضوء الأبيض على جسم أحمر، يمتص الجسم كل الألوان ما عدا اللون الأحمر الذي يعكسه إلى أعيننا فنراه أحمر.

    عندما نسقط ضوءًا ملونًا على جسم، فإننا نرى اللون الذي يعكسه الجسم. إذا سقط ضوء أحمر على جسم أحمر، سيعكس الجسم الضوء الأحمر وسنراه أحمر. أما إذا سقط ضوء أخضر على جسم أحمر، فسيمتص الجسم الضوء الأخضر ولن يعكس أي ضوء، لذلك سنراه أسود.

    جرب بنفسك: إختر جسمًا أحمر ثم سلط عليه ضوءًا أخضر أو أزرق لترى كيف سيظهر باللون الأسود.

    اختبار قصير نظرية الألوان

    • الاستقطاب

    الاستقطاب هو خاصية تصف اتجاه اهتزاز الموجة الكهرومغناطيسية.

    الضوء الطبيعي غير مستقطب ويهتز في جميع الاتجاهات.

    الضوء المستقطب يهتز في اتجاه واحد محدد.

    يمكن تحقيق الاستقطاب بعدة طرق: الامتصاص، الانعكاس، الانكسار المزدوج، والتشتت.

    يمكن فهم الاستقطاب من خلال الحبل المستخدم كنموذج لموجات الضوء عندما تكون موازية للشق فإنها تعبر

    عندما تكون متعامدة للشق فلا تعبر

    كيف نستقطب الضوء؟ (طرق الاستقطاب )

    هناك عدة ظواهر فيزيائية تُستخدم لاستقطاب الضوء :

    الاستقطاب بالامتصاص (أو استخدام مرشحات الاستقطاب):

    هذه هي الطريقة الأكثر شيوعًا في التطبيقات اليومية (مثل النظارات الشمسية ).

    تحتوي هذه المرشحات على جزيئات طويلة وسلسلة تمتص الضوء المهتز في اتجاه محدد وتسمح للضوء المهتز في الاتجاه العمودي عليه بالمرور.

    الاستقطاب بالانعكاس:

    عندما ينعكس الضوء عن سطح غير معدني (مثل الزجاج أو الماء أو الطلاء)، فإنه يصبح مستقطبًا أفقيًا بشكل جزئي أو كلي.

    توجد زاوية بروستر، وهي زاوية سقوط محددة يصبح عندها الضوء المنعكس مستقطبًا خطيًا بالكامل. عند هذه الزاوية، يكون الشعاع المنكسر والمنعكس متعامدين.

    الاستقطاب بالانكسار المزدوج (الانزياح):

    بعض البلورات (مثل الكالسيت أو الأسبست) لها معاملان انكساريان مختلفان.

    عندما يدخل الضوء إلى هذه البلورات، ينقسم إلى شعاعين مستقطبين بشكل متعامد: الشعاع العادي و الشعاع غير العادي.

    الاستقطاب بالتشتت (التبعثر):

    عندما ينتشر الضوء في الغلاف الجوي، تصطدم موجاته بجزيئات الهواء وتتشتت.

    الضوء المتناثر من السماء (اللون الأزرق) يكون مستقطبًا جزئيًا. تكون درجة الاستقطاب أعلى ما يمكن عند زاوية 90 درجة من الشمس.

    قانون مالوس في الاستقطاب

    ينص قانون مالوس على العلاقة بين شدة الضوء بعد مروره عبر مرشح استقطاب ثاني و الزاوية \[(θ)\] بين محوري استقطاب المرشحين. لنفترض أن لدينا مصدر ضوء غير مستقطب (مثل مصباح عادي) أو ضوء مستقطب بالفعل. المرشح الأول (المستقطب): يحول الضوء غير المستقطب إلى ضوء مستقطب خطياً. لنفترض أن شدة الضوء بعد هذا المرشح هي . \[I₀\] المرشح الثاني (المحلل): يوضع بعد المرشح الأول. محور استقطاب هذا المرشح يصنع زاوية \[(θ)\] مع محور استقطاب المرشح الأول. صيغة القانون الرياضية: \[I = I₀ * cos²(θ)\] حيث:
    I: شدة الضوء الناتج بعد المرور عبر المرشح الثاني (المحلل).
    I₀: شدة الضوء الساقط على المرشح الثاني (وهو الضوء المستقطب القادم من المرشح الأول).
    θ: الزاوية بين محوري استقطاب المرشحين.
    تفسير النتائج بناءً على الزاوية من معادلة القانون \[I = I₀ * cos²(θ،)\] يمكننا استنتاج ما يلي: عندما يكون المحوران متوازيين \[(θ = 0° أو θ = 180°)\] \[cos(0°) = 1، \;\; cos²(0°) = 1.\] \[I = I₀\] النتيجة: تمر أقصى شدة ضوئية. الضوء المستقطب من المرشح الأول يمر بالكامل عبر المرشح الثاني.
    عندما يكون المحوران متعامدان \[(θ = 90° أو θ = 270°)\] \[cos(90°) = 0، \;\; cos²(90°) = 0.\] \[I = 0\] النتيجة: لا يمر أي ضوء على الإطلاق (ظلام تام). يقوم المرشح الثاني بحجب جميع اهتزازات الضوء القادم من المرشح الأول. عند أي زاوية أخرى \[ 0°< θ > 90°\] تكون شدة الضوء الناتج بين الصفر والحد الأقصى \[0 >I \;\;\;I₀>I \] على سبيل المثال، عندما\[ θ = 60°\] \[cos(60°) = 0.5\] \[cos²(60°) = 0.25\] \[I = I₀ * 0.25\] أي أن ربع شدة الضوء الساقط فقط هي التي تمر.

    مثال محلول

    ضوء غير مستقطب شدته الأولية \[I_0\] يسقط على نظام من مستقطبين. محور الاستقطاب للمستقطب الأول عمودي على محور الاستقطاب للمستقطب الثاني
    إذا تم إدخال مستقطب ثالث بينهما، بحيث يصنع محوره الاستقطاب زاوية \[ θ=30^0\] مع المحور الاستقطابي للمستقطب الأول
    أوجد شدة الضوء النهائي الخارج من المستقطب الثالث بدلالة شدة الضوء الأولية ,لاق. أوجد شدة الضوء النهائي الخارج من المستقطب الثاني بدلالة شدة الضوء الأولية

    الحل

    عندما يمر ضوء غير مستقطب عبر مستقطب، تصبح شدته نصف الشدة الأولية ويصبح مستقطبًا باتجاه محور ذلك المستقطب. \[I_1=\frac {1}{2}I_0\] بما أن محور المستقطب الأول عمودي على محور المستقطب الثاني لذلك، تكون شدة الضوء الخارجة من المستقطب الثاني صفر \[I=0.5 I_0 cos²(90°)=0\] عند إدخال المستقطب الثالث سنحسب شدة الضوء بعد كل مستقطب على حدة الضوء الخارج من المستقطب الثالث \[I_3=\frac {1}{2}I_0cos²(30°)=\frac {3}{8}I_0\] الضوء الخارج من المستقطب الثاني \[θ_2=90^0-30^0=60^0\] \[I_2=I_3cos²(60°)\] \[I_2=\frac {3}{8}I_0cos²(60°)=\frac {3}{32}I_0\]

    اختبار قصير الاستقطاب

    • الحركة النسبية والضوء

    ماذا يحدث إذا تحرك مصدر الضوء في اتجاهك أو تحركت أنت في اتجاه مصدر الضوء
    إذا كان مصدر الصوت أو المستمع متحركا فسيتغير تردد الصوت الذي يسمعه المستمع وهذا صحيح بالنسبة للضوء
    يتضمن تأثير دوبلر في الضوء على السرعة المتجهة لكل من المصدر والمراقب أحدهما بالنسبة إلى الآخر فقط السبب يعود إلى موجات الضوء ليست اهتزازات لجسيمات الوسط الميكانيكي كما هو الحال في الصوت
    أيضا الفرق بين انزياح دوبلر في الصوت والضوء سرعة الضوء ثابتة في وسط معين , وسرعة الرياح لا تؤثر في إزاحة الضوء
    عندما يتحرك مصدر الضوء بالنسبة للمراقب، يتغير التردد الملاحظ للضوء. إذا كان المصدر يتحرك نحو المراقب، يزداد التردد (انزياح أزرق). إذا كان المصدر يبتعد عن المراقب، ينخفض التردد (انزياح أحمر).

    ملاحظة القوانين التالية صحيحة فقط إذا كان المراقب ساكن والمصدر الضوئي هو المتحرك


    التردد الظاهري
    \[ ƒ_{obs} = ƒ ( 1 ± \frac {v }{ C}) \] نستخدم الجمع ( + ) إذا تحرك كل منها في أتجاه الآخر
    نستخدم الطرح( - ) إذا تحركا مبتعدين
    طول الموجة الظاهري
    \[ ∆λ =( λ_{obs} - λ ) = ± λ\frac {v}{C}\] نستخدم الطرح( - ) إذا تحرك كل منها في أتجاه الآخر(اتجاه بعضهما)
    نستخدم الجمع(+) إذا تحركا مبتعدين احدهما عن الآخر

    اختبار قصير ظاهرة دوبلر
    • اكتب تعليقا واذا كان هناك خطأ اكتبه وحدد مكانه Write a comment, and if there is mistake, write and specify its location

    No comments:

    Post a Comment

    🧮 Calculator
    🗑️
    ✏️ قلم