الفصل 7 · تغيّر مسار الضوءالدرس 26 من 308 تمارين

الانكسار الحدّي والانعكاس الكلّي

يرى الغطّاس سطح الماء من تحته كأنّه مرآة لامعة في بعض الاتّجاهات: لماذا لا يخرج الضوء من الماء أحيانًا؟

أعرف الدرس؟ انتقل مباشرة إلى التمارين

الفصل 7 في الكتاب الرسمي: تغيّر مسار الضوء

في نهاية هذا الدرس أكون قادرًا على:

  • أتعرّف على الانكسار الحدّي والزاوية الحدّية λ
  • أحدّد شرطَي الانعكاس الكلّي
  • أتنبّأ بمسار شعاع حسب قيمة زاوية الورود مقارنة بالزاوية الحدّية
  • أذكر الزاوية الحدّية للماء وللزجاج

أستكشف ثمّ أستنتج

1

الوضعية

وجّهت حزمة ضوئيّة من داخل نصف أسطوانة مملوءة ماءً نحو مركز وجهها المسطّح، بحيث ينتقل الضوء من الماء إلى الهواء، ورُفعت زاوية الورود تدريجيًّا:

i في الماء (°)20354548,660
ما يُلاحظشعاع منكسر ⁦r ≈ 27⁩°شعاع منكسر ⁦r ≈ 50⁩°شعاع منكسر ⁦r ≈ 70⁩°شعاع منكسر محاذٍ للسطحلا شعاع منكسر، انعكاس قويّ
2

ألاحظ

  • قارن r و i في الأعمدة الثلاثة الأولى.
    الجواب

    r أكبر من i: عند المرور إلى الهواء (أقلّ انكسارية) يبتعد الشعاع عن العمود.

  • ماذا يحدث عندما ⁦i = 48,6⁩°؟
    الجواب

    تصبح ⁦r = 90⁩°: يسير الشعاع المنكسر محاذيًا للسطح الفاصل، إنّه الانكسار الحدّي.

  • ماذا يحدث عندما ⁦i = 60⁩°؟
    الجواب

    لا يخرج أيّ ضوء إلى الهواء: كلّ الضوء ينعكس داخل الماء، إنّه الانعكاس الكلّي.

3

أستنتج

عند مرور الضوء من وسط إلى وسط أقلّ انكسارية يبتعد الشعاع المنكسر عن العمود (r أكبر من i).

  • الزاوية الحدّية λ: زاوية الورود التي توافق زاوية انكسار 90°: يحدث انكسار حدّي. للماء λ ⁦≈ 48,6⁩° وللزجاج λ ⁦≈ 42⁩°.
  • الانعكاس الكلّي يحدث إذا تحقّق شرطان معًا: (1) ينتقل الضوء من وسط أكثر انكسارية إلى وسط أقلّ انكسارية؛ (2) تكون زاوية الورود أكبر من الزاوية الحدّية λ. عندئذ يعود كلّ الضوء في الوسط الأوّل ويخضع لقانون الانعكاس ⁦r = i⁩.

1. ثلاث حالات ممكنة

الهواءالماءمنبع ضوئي(1) انكسار: i أصغر من λ⁦(2) i =⁩ λ ⁦≈ 48,6⁩°(3) انعكاس كلّي: i أكبر من λ
من الماء نحو الهواء: (1) انكسار، (2) انكسار حدّي يسير فيه الشعاع محاذيًا للسطح، (3) انعكاس كلّي
مقارنة i بـ λما يحدثمثال في الماء
i أصغر من λانكسار (مع انعكاس جزئي ضعيف)⁦i = 30⁩° ← ⁦r ≈ 42⁩°
⁦i =⁩ λانكسار حدّي: ⁦r = 90⁩°⁦i ≈ 48,6⁩°
i أكبر من λانعكاس كلّي: لا يخرج الضوء⁦i = 60⁩° ← ينعكس بزاوية 60°

2. الزوايا الحدّية لبعض الأوساط (نحو الهواء)

الوسطالزاوية الحدّية λ
الماء⁦≈ 48,6⁩°
البليكسيقلاس والزجاج⁦≈ 42⁩°
الماس⁦≈ 24⁩°

كلّما كان الوسط أكثر انكسارية صغرت زاويته الحدّية، فيسهل فيه الانعكاس الكلّي.

3. لماذا لا يحدث انعكاس كلّي من الهواء إلى الماء؟

عند المرور من الهواء إلى الماء يقترب الشعاع من العمود، فتبقى r دائمًا أصغر من 90° مهما كانت i: يوجد دائمًا شعاع منكسر. الانعكاس الكلّي مستحيل في هذا الاتّجاه.

الانعكاس الكلّي «كلّي» حقًّا: يُرجع 100% من الضوء تقريبًا، أفضل من أيّ مرآة معدنية.

4. الانكسار وعودة الضوء

مسار الضوء قابل للعكس: إذا دخل شعاع من الهواء إلى الماء بزاوية 90° تقريبًا (محاذيًا للسطح) فإنّه ينكسر بزاوية تساوي تقريبًا λ ⁦≈ 48,6⁩°. لذلك يرى الغطّاس كلّ السماء مجمّعة في دائرة فوقه، وخارجها يبدو السطح لامعًا كالمرآة.

أحلّل وثيقة

حاول الإجابة قبل قراءة التحليل.

مثال 1التنبّؤ بالمسار

شعاع ينتقل من الزجاج (λ ⁦≈ 42⁩°) إلى الهواء بزاويتَي ورود: (أ) 30°، (ب) 50°.

الحلّ خطوة بخطوة
  1. الانتقال من وسط أكثر انكسارية إلى وسط أقلّ: الشرط الأوّل محقّق.
  2. (أ) 30° أصغر من 42°: يحدث انكسار ويبتعد الشعاع عن العمود.
  3. (ب) 50° أكبر من 42°: انعكاس كلّي بزاوية انعكاس 50°.

✓ (أ) انكسار؛ (ب) انعكاس كلّي، والشعاع المنعكس يصنع 50° مع العمود.

مثال 2موشور قائم الزاوية

يدخل شعاع عموديًّا في الوجه الأوّل لموشور زجاجي قائم متساوي الضلعين، فيصل إلى الوتر بزاوية ورود 45°.

الحلّ خطوة بخطوة
  1. في الوجه الأوّل: ورود عمودي فلا انحراف.
  2. على الوتر: زجاج ← هواء، و 45° أكبر من 42°.
  3. يحدث انعكاس كلّي: ⁦r = 45⁩°، فينحرف الشعاع بـ 180° ⁦− 2 × 45⁩° ⁦= 90⁩°.

✓ ينعكس الشعاع كلّيًّا ويخرج عموديًّا على الوجه الثاني بعد انحراف 90°.

انتبه! أخطاء شائعة

✗ يحدث الانعكاس الكلّي عند المرور من الهواء إلى الماءيحدث فقط من الوسط الأكثر انكسارية إلى الأقلّ (من الماء إلى الهواء).
✗ يكفي أن تكون زاوية الورود كبيرةيجب أن تكون أكبر من λ وأن يكون الوسط الثاني أقلّ انكسارية، الشرطان معًا.
✗ الزاوية الحدّية واحدة لكلّ الأوساطتتعلّق بالوسط: ⁦≈ 48,6⁩° للماء و ⁦≈ 42⁩° للزجاج.

ما يجب أن أحفظه

  • من وسط أكثر انكسارية إلى أقلّ: يبتعد الشعاع عن العمود.
  • الزاوية الحدّية λ توافق ⁦r = 90⁩° (انكسار حدّي).
  • λ ⁦≈ 48,6⁩° للماء و ⁦≈ 42⁩° للزجاج.
  • الانعكاس الكلّي: وسط أكثر انكسارية نحو وسط أقلّ، و i أكبر من λ.
  • في الانعكاس الكلّي يعود كلّ الضوء ويطبّق ⁦r = i⁩.

📚 مصطلحات الدرس

مصطلحان من هذا الدرس في القاموس المدرسي: التعريف ومقابله بالفرنسية، ومثال.

اختبر نفسك

4 أسئلة · إصلاح فوري

1. الزاوية الحدّية للماء نحو الهواء تقارب:

2. شعاع من الماء إلى الهواء بزاوية ورود 60°:

3. في الانكسار الحدّي تكون زاوية الانكسار:

4. يحدث الانعكاس الكلّي عند الانتقال:

سلسلة تمارين الدرس

كلّ التمارين ←

8 تمارين من ثلاثة مستويات، بأسئلة جديدة في كلّ محاولة.

المستوى 1تطبيق مباشر
المستوى 2تدريب
المستوى 3نمط المناظرة

تدرّب على: الانكسار الحدّي والانعكاس الكلّي

صحيح أم خطأ، أكمل، اختر، صنّف، ووضعيات: إصلاح فوري مع التعليل.

فهمت الدرس؟ جرّب بنفسك

8 تمارين · التصحيح فورًا · أعداد جديدة في كلّ محاولة

ابدأ التمارين
الدرس 26 · 8 تمارينتمرّن الآن