عندما تنتقل الموجات الضوئية عبر فجوات دقيقة فإنها تنتشر مثل التموجات التي تحدث على سطح بحيرة وتتداخل فيما بينها.
ومن شأن هذا التداخل أن يساعد العلماء على دراسة الضوء. نطلق على هذه العملية مصطلح "الحُيود".
هل تساءلت عن سبب سماعك الأصوات عند الزوايا؟
يرجع الفضل في ذلك إلى عملية الحُيود، فالأصوات تحدث بفعل الموجات الموجودة في الهواء، ومَثلُها مثل جميع الموجات، فهي تحيد عن مسارها، أي إنها تنتشر في اتجاهات مختلفة.
عندما تمر موجة صوتية في أحد أطراف جسم من الأجسام أو تنتقل عبر فجوة من الفجوات، فإنها تنتشر في اتجاهات مختلفة.
إن عملية الحُيود تكون أكثر وضوحاً عندما تنتقل الموجة عبر فجوة أضيق من طول الموجة.
وفي حال الموجات الصوتية يمكن أن تكون مدخل الباب. عندما تخرج الموجة من الفجوة، فإنها تنتشر على نحوٍ متموج كما في البحيرة، كما لو أنها قد تكوّنت لأول مرة.
والموجات الضوئية تحيد أيضاً، لكن ذلك يصعُب مشاهدته نظراً لأن الضوء له طول موجي قصير جداً، أي أصغر بملايين المرات من الأطوال الموجية للموجات الصوتية، لذلك فإن الضوء يحيد فقط عندما يمرّ عبر أصغر وأدق الثغرات.
وإذا قرأت الأنشطة السابقة ستدرك أن الضوء الأبيض هو في حقيقة الأمر مزيج من جميع الألوان المختلفة.
ونستطيع استخدام الحُيود كي نفصل هذه الألوان ونحصل على شكل قوس قزح الذي يُسمى "الطيف".
وكي نحقق ذلك، علينا أن نستخدم جهازاً يُسمى "محزّزة الحُيود". وهو عبارة عن قطعة من الزجاج عليها مئات الشقوق المجهرية.
إن كل شق في هذا الجهاز يجعل الضوء الذي يمر فيه يحيد عن مساره، وبالتالي تكون جميع الموجات المنبعثة عن الشقوق الدقيقة مختلفة في الطور مع بعضها، ما يؤدي إلى التداخل فيما بينها.
وإن بعض هذه الموجات (الألوان) الضوئية تعزز بعضها بعضاً، بينما يميل بعضها الآخر إلى إلغاء بعضها بعضاً.
إن نتيجة هذا التداخل هو نشوء طيف متناغم من الألوان، والذي تستطيع رؤيته إذا نظرت خلال محزّزة الحُيود.
كما أن طيف الألوان الناتج عن هذا الجهاز الزجاجي المُحزز واضح وساطع، ما يجعل من السهل قياس شدة أي من الألوان الظاهرة.
وتُستخدم هذه الأداة في الأجهزة التي تُعرف باسم أجهزة قياس الطيف، والتي تسمح لما أن نقوم بتحليل متأنٍ للضوء.
فعندما يمر الضوء المنبعث من مصدر ما، ولنقل الشمعة أو النجم في مقياس الطيف فإنه ينتج شكلاً محدداً أشبه ما يكون ببصمات الأصابع.
ومن خلال دراسة هذه الأشكال يستطيع العلماء تحديد العناصر الكيميائية التي أنتجت الضوء أو تلك التي مر الضوء عبرها فامتصه وهو في طريقه الى مقياس الطيف.
ويبين النشاط في الصفحة التالية كيف تصنع مقياس الطيف باستخدام علبة الأحذية وجهاز محززة الحيود المصنوع من شبك نافذة.
وبإمكانك استخدام هذه الأداة لدراسة الضوء المنبعث عن مصابيح الشارع أو ضوء مصباح الجيب أو الشاشات أو سواها من مصادر الضوء الأخرى.
تعمل عيوننا بالطريقة نفسها التي تعمل بواسطتها الكاميرات ذات الفتحتات الصغيرة (كاميرات ثقب الدبوس).
وبؤبؤ العين يقابل فتحة الكاميرا، حيث تقوم قُزحية العين بالتحكم بتلك الفتحة، وتستجيب قُزحية العين لكمية الضوء الموجودة.
تقع وراء كل بؤبؤ عدسة صغيرة وظيفتها تركيز الضوء على "شاشة" تقع خلف مُقلة العين.
ويُطلق على تلك "الشاشة" اسم شبكية العين، وهي مؤلفة من خلايا تتحسس الضوء وتقوم بتحويل الصورة المتكوّنة إلى إشارات كهربائية يقوم الدماغ بدوره بتحويلها إلى صور.
وتكون الصورة التي تنتقل إلى الشبكية مقلوبة، غير أن الدماغ يعمل على قلبها إلى الشكل الصحيح.
1- ادهن الوجه الداخلي لعلبة الأحذية باللون الأسود، بما في ذلك الوجه الداخلي لغطاء العلبة.
2- قص مربعاً صغيراً من جانبي العلبة.
3- قم بتغطية إحدى الفتحتين في العلبة برقاقة ألمنيوم وأحكم إغلاق الرُقاقة، ثم ألصق أطرافها بحيث لا تسمح للضوء بالدخول من الجوانب إطلاقاً.
4- أغلق الفتحة في الطرف الآخر من العلبة بورق الرسم الشفاف، وهنا أيضاً تأكد من إحكام إغلاق الفتحة.
5- ضع غطاء العلبة، وفي حال لم يسد العلبة بشكلٍ مُحكم، قم بإلصاق أطراف الغطاء على العلبة، وتأكد من عدم وجود أي ثغرات.
6- اصنع بعناية وحذر ثقباً صغيراً في وسط رقاقة الألمنيوم برأس دبوس. يجب أن يكون الثقب أصغر ما يمكن. لقد قمت الآن بصنع كاميرا ثقب الدبوس.
7-وجّه طرف كاميرا ثب الدبوس على أحد المشاهد المناسبة. انظر إلى الصورة التي تشكلت على الشاشة الورقية.
باستطاعتك أن تحوّل غرفة نومك أو غرفة الجلوس في منزلك، بل وغرفة الصف في مدرستك، إلى كاميرا "حجرة مظلمة" كبيرة، كتلك التي كانت تستعمل في القرن التاسع عشر.
اختر غرفة تطل على مناظر جميلة في الخارج، ثم قم بتغطية جميع نوافذ الغرفة بورق أسود بإحكام.
وتأكد من أن الغرفة لا تسمح بتسرب الضوء إلى الداخل على الإطلاق، وقد تحتاج أيضاً إلى أن تسد جميع منافذ الضوء عند أطراف الباب.
اطلب الإذن من أحد الكبار كي تزيح بعض قطع الأثاث واللوحات الجدارية بحيث يكون هناك جدار خالٍ من أي شيء مقابل النافذة التي تطل على المنظر الخارجي.
اصنع ثقباً صغيراً على الورقة التي تغطي النافذة المطلة على المنظر. أطفئ جميع الأنوار في الغرفة.
ستشاهد المنظر الطبيعي خارج النافذة وقد ظهر على الحائط المقابل للنافذة.
ما العمل لو أنني لم أتمكن من مشاهدة أي شيء على الشاشة الورقية؟
ستعمل هذه الكاميرا على نحوٍ أفضل لو أنك جلست في غرفة مظلمة ونظرت إلى الأشياء الموجودة خارج الغرفة.
وإذا لم تتمكن من رؤية أي شيء فربما يوجد ترسيب للضوء في الكاميرا، ما يؤثر في ظهور الصورة، أو أن داخل العلبة غير مطلي باللون الأسود على نحو وافٍ، ما يسمح للضوء بأن يتسرب إلى داخل العلبة.
وربما تكون رقاقة الألمنيوم رقيقة جداً، ما يسمح للضوء إلى دخول العلبة.
وفي مثل هذه الأحوال، جرّب استعمال الكاميرا بعد أن تصنع الثقب في العلبة نفسها.
تحليل النشاط:
إن مبدأ كاميرا "الحجرة المظلمة" بسيط جداً، حيث يعتمد مبدأ عملها على السماح لكمية بسيطة من الضوء بالدخول.
أما بقية الضوء المنبعث من المنظر المرغوب مشاهدته فيُحجبُ من دخول الحجرة ولا يشاهده الشخص الذي يراقب المنظر.
يبدو للناظر داخل الكاميرا (الحجرة) أن الضوء يصدر عن نقطة واحدة، ولا يتغير مقدار الضوء إلى أن يسقط على الشاشة الورقية أو الجدار، حسب حجم الجهاز (أو الحجرة). وتكون الصورة المتكونة عن الضوء مقلوبة، وهذا ليس أمراً استثنائياً أو غير طبيعي، إذ إن عيوننا تتصرف بالطريقة نفسها، لكن دماغنا يقوم بقلب الصورة إلى وضعها الصحيح.
والسبب في تكوين الصورة مقلوبة هو أمر بسيط: انتقال الضوء في خطوط مستقيمة.
تصوّر شجرة ما، على سبيل المثال، فشعاع الضوء الذي ينتقل باتجاه الأعلى من قاعدة الشجرة نحو ثقب الدبوس يمر من خلاله ويحافظ على اتجاهه إلى أن يصطدم بالطرف الخلفي للكاميرا ويترك نقطة ضوء في أعلى الشاشة.
وبصورة مماثلة، فإن شعاع الضوء المنبعث من قمة الشجرة، والذي يسير نحو الثقب يأخذ اتجاهاً مستقيماً ويضيء أسفل الشاشة.
إن الضوء المنبعث من جميع جوانب الشجرة يدخل الكاميرا بالطريقة ذاتها ويضع النقاط الضوئية في أماكنها المقابلة على الشاشة. وفي نهاية المطاف تتشكل صورة مقلوبة للشجرة.
أحجام مختلفة
اختلف أحجام كاميرا "الحجرة المظلمة"، فقد تراوح حجمها بين حجم الغرفة.
حيث استطاع عدة أشخاص الجلوس فيها لمشاهدة كسوف الشمس، أو صغيرة بحجم الجيب، وهو النوع الذي استعمله الفنانون في رسم منظر خارجي.
حجم الثقب
يُطلق على الثقب الموجود على واجهة الكاميرا اسم فتحة عدسة الكاميرا. وإذا صنعت ثقباً أكبر حجماً (فتحة عدسة الكاميرا)، فإنك ستشاهد صورة أكثر سطوعاً لكنها أكثر تشويشاً.
وسبب السطوع هو نتيجة سماح دخول المزيد من الضوء، والمقصود بذلك أن الصورة المشوشة سببها دخول نقاط ضوئية متعددة إلى الكاميرا.
ما يؤدي إلى تشكّل العديد من الصور المنفصلة على الشاشة في مواضع مختلفة، والتي في حال تجمّعها، تشكّل صورة بمعالم غير واضحة.
مع أن الصورة المتشكلة عن طريق دخول نقطة ضوئية واحدة من خلال الثقب الصغير تكون واضحة، إلا أنك لن تراها بسهولة لأنها تكون مُعتمة، وذلك نظراً لدخل كمية محدودة من الضوء فقط. إذاً كيف نستطيع الحصول على صورة واضحة وغير قاتمة في آن معاً؟
قبل اختراع العدسات الزجاجية، منذ حوالي 450 سنة، كانت تستخدم "الحجرة المظلمة" فقط لمشاهدة الأجسام المضاءة كالمناظر الخارجية في الأيام المشمسة، إضافة الى رصد الشمس والقمر ثم جاءت العدسات الزجاجية لتتغلب على هذه المشكلة.
وتسمح بإدخال كمية من الضوء أكبرمما يسمح به الثقب الصغير، ومع ذلك يظل الضوء مركّزاً لإحداث صورة واضحة.
وإضافة إلى جعل الصورة أكثر إضاءة أو سطوعاً، تسمح العدسة للكاميرا بالتقاط الصور على نحوٍ أسرع.
وفي الأيام الأولى من التصوير الفوتوغرافي، اضطر مستخدمو كاميرات ثقب الدبوس أن يتركوا كاميراتهم ثابتة من دون حركة لعدة دقائق، بل لساعات أيضاً كي تتمكن الكاميرا من جمع كمية الضوء الكافية من أجل تكوين الصورة المُراد التقاطها على الفيلم الحساس.
ومع اختراع العدسات تم اختصار هذا الوقت إلى مجرد ثوانٍ قليلة فقط.
الشكل والمسافة
إن عدسة عين الإنسان أكثر ذكاءً من العدسات التي تحويها الكاميرات، ذلك أن العدسة البشرية تستطيع أن تغيّر من شكلها، وبالتالي تستطيع أن تعدّل من بُعدها البؤري، وهذه الخاصية تسمح للعين أن تصنع صور أجسام تقع على مسافات مختلفة منها.
أما العدسة الزجاجية فلها شكل محدد وتقوم دائماً بتركيز الصورة في نقطة محددة خلفها. وبدلاً من تغيير شكل العدسة نفسها.
يقوم المصورون بتغيير المسافة بين العدسة وفيلم التصوير لإسقاط الصور الواقعة على مسافات مختلفة عند بؤرة العدسة.
وإذا ما قمت بتوسيع ثقب كاميرا ثقب الدبوس ووضعت عدسة داخلها، فإنك ستلاحظ أنك قادر على رؤية صور واضحة للأجسام الواقعة على مسافة محددة منها فقط.
حاول أن تصنع الكاميرا باستعمال علب أطول أو أقصر كي تستطيع تركيز الصور من مسافات مختلفة. كما يمكنك أن تجرب استخدام عدسات مختلفة.
من أهم الاستعمالات العلمية لجهاز أو آلية "الحجرة المظلمة" كان رصد ظاهرة كسوف الشمس.
تحدث ظاهرة الكسوف أو الخسوف عندما تصطف الأرض والشمس والقمر معاً على نسق واحد، ويحجب ذاك الذي يقع في الوسط الضوء عن الاثنين الآخرين.
فكسوف الشمس يحصل عندما يقع القمر بين الشمس والأرض ويحجب بذلك معظم ضوء الشمس من الوصول إلى الأرض.
وعندما يسير قرص القمر أمام الشمس، تتناقص كمية الضوء المنبعثة إلى الأرض تدريجياً إلى أن نرى هالةً صغيرة من الضوء تشعّ من أطراف قرص القمر المظلم.
من الصعوبة بمكان أن نشاهد عملية كسوف الشمس أثناء حدوثها، ذلك لأنه في الوقت الذي يقوم فيه القمر خلال الكسوف بتغطية الشمس بصورة جزئية تكون أشعة الشمس قوية جداً.
ونستطيع فقط أن نراقب تلك الظاهرة بأمان لبضع ثوانٍ عندما يغطي القمر قرص الشمس بكامله، وهذا هو السبب الذي دفع الفلكيين القدماء إلى استخدام "الحجرة المظلمة".
فمن خلال تلك الحجرة استطاعوا "النظر" إلى الشمس والقمر بشكل آمن خلال عملية الكسوف أو الخسوف وكأنها صورة تتكوّن داخل "الحجرة المظلمة".
تحولت هذه التكنولوجيا البصرية الجديدة في القرن التاسع عشر إلى تطور سياحي وترفيهي، وجرى بناء "حجرات مظلمة" كبيرة من هذا النوع ليستمتع عامة الناس بالنظر من خلالها.
وقد تم تعديل الصور التي كانت تظهر فيما مضى مقلوبة لتصبح صحيحة، وذلك من خلال مرآة موضوعة بزاوية معينة تقوم بعكس الصورة على سطح مقبب، محدثةً بذلك صورة دائرية للعالم خارج تلك "الحجرة المظلمة".
صنع المخترعون أيضاً في عصر الملكة فيكتوريا أشكالاً أصغر حجماً من تلك "الحجرات" التي كانت تعمل بالطريقة ذاتها التي تعمل فيها "الحجرات المظلمة" الكبيرة.
لكن الصورة كانت تُعرض على شاشة ورقية مركبة خلف جدار تلك "الحجرة"، ونطلق اليوم على هذا النوع من الأجهزة "كاميرا ثقب الدبوس".
بالطبع كان الكثير من الناس يرغبون في تسجيل الصور التي يشاهدونها بواسطة تلك "الكاميرات" والاحتفاظ بالصور إلى الأبد.
وخلال عقد الثلاثينيات من القرن الثامن عشر قام الفرنسيان (جوزيف نيسيفور نيبس) (1765 – 1833) و(لويس جاك مانديه داغور) (1787 – 1851) باكتشاف أساليب جديدة استطاعا من خلالها استخدام مواد كيماوية حساسة للضوء، وقاما أيضاً بطلاء تلك المواد على صفيحة من المعدن أو الزجاج مع تثبيتها داخل الكاميرا.
لقد اخترع (نيبس) و(داغور) الصور الفوتوغرافية، لكن تلك الصور لم تكن مشابهة للصور الفوتوغرافية المنتشرة في أيامنا هذه، أما الصور الحديثة المطبوعة على أفلام مرنة، والتي نعرفها اليوم.
فقد جرى تطويرها منذ مئة عام مضت، حين انتهى عهد كاميرات ثقب الدبوس ليحل محلها الكاميرات ذات المصراع، والمقصود بها آلية فتح وإغلاق فتحة الضوء.
تستخدم الكاميرات الرقمية الحديثة تجهيزات إلكترونية تتحسس الضوء لالتقاط الصور الفوتوغرافية.
لكن مبدأ دخول الضوء إلى الكاميرا وتكوين الصورة ظلّ الأساس في عملية التصوير، كما كان الحال في آلية "الحجرة المظلمة".
تُلتقط الصور الفوتوغرافية عندما يُسمح لكمية محددة من الضوء بالدخول ليسقط على فيلم تصوير موجود في مؤخرة الكاميرا.
كانت الكاميرات الأولى تحتوي على شاشة بدلاً من الفيلم، إضافة إلى ثقب صغير يسمح لأشعة الضوء بالدخول.
وكان يُطلق على تلك الأنواع من الكاميرات "كاميرات الحجرة المظلمة".
تصور أنك تجلس في غرفة بلا نوافذ على الإطلاق، والباب موصد وليس هناك أي ضوء يمكن أن يأتي من الخارج.
أنت جالس وظهرك مستند إلى الحائط من دون أن ترى أي شيء حولك. تخيّل الآن لو أن ثقباً صُنع في الحائط الواقع خلفك، وبالتحديد فوق رأسك، وكان ذلك الثقب صغيراً جداً كرأس الدبوس.
وفجأة تتكوّن صورة للعالم الموجود خارج الغرفة على الجدار أمام عينيك. لقد أصبحت الغرفة التي تجلس فيها عبارة عن كاميرا شبيهة بكاميرا الحجرة المظلمة.
وهي جهاز بصري بسيط يعمل بالطريقة ذاتها التي تعمل فيها أي آلة تصوير فوتوغرافية، لكن ذلك النوع البدائي تم اختراعه قبل مئات السنين.
إن مصطلح "الحجرة المظلمة" هو الترجمة العربية للكلمتين اللاتينيتين (Camera Obscura)، لكن الرومان لم يخترعوا "الحجرة المظلمة".
فقد عرف الفيلسوف اليوناني أرسطو، الذي عاش حوالي العام 300 ق. م، كيفية صنع واستخدام "الحجرة المظلمة"، كما أن عظماء المفكرين في العالم الإسلامي استعملوا هذه الوسيلة قبل 1000 سنة تقريباً لدراسة الشمس.
بدأ استعمال "الحجرة المظلمة" مجدداً خلال فترة محددة من تاريخ أوروبا تسمى "عصر النهضة".
وقد قام العلماء في إيطاليا خلال تلك الفترة، التي استمرت من القرن الرابع عشر حتى السابع عشر، بإعادة اكتشاف العلوم والمعارف التي خلفها اليونانيون.
وقد استعمل فنانو عصر النهضة كاميرات "الحجرة المظلمة" لمساعدتهم في رسم المناظر الطبيعية والمباني بصورة دقيقة.
كانت "الحجرة المظلمة" توضع أمام المنظر كي تظهر صورته على ستارة خلف "الحجرة".
وكان الفنان بعد ذلك يقوم بتحديد ملامح الصورة على الستارة ثم تلوينها بالألوان الزيتية.
وقد رسم الفنان والرسام الإيطالي كاناليتو (1697 – 1768) الكثير من اللوحات الفنية الجميلة لمدينة البندقية بهذه الطريقة.
– مصباح جيب كهربائي ذو حزمة ضوئية ضيقة أو حزمة إسقاط ضوئي على مكان ضيّق
– قلم حبر ناشف ذو رأس قابل للغسل وسهل التنظيف
– منقلة
– شخص مساعد
– مسطرة
خطوات العمل:
1- اغسل الحوض الزجاجي جيداً ثم املأه بالماء. أضف قليلاً من الحليب بحيث تستطيع الرؤية من خلال الماء بوضوح. أسدل الستائر وأطفئ الأنوار.
2- سلّط الضوء على جانب الحوض. اجعل زاوية الحزمة الضوئية تتجه نحو الأعلى بحيث تقع على سطح الماء من الأسفل. هل ينعكس الضوء نحو الأسفل؟ أم أنه يعبر إلى الهواء؟ أم أن كلتا الحالتين تحصلان معاً؟
3- حرّك مصباح الجيب بحيث تقع الحزمة الضوئية على السطح في زوايا مختلفة. هل تستطيع أن تحدد الزاوية الحرجة؟ إنها تتشكل عندما ينتقل الضوء على امتداد السطح.
4- عندما تجد الزاوية الحرجة، استخدم القلم كي تحدد مسار الحزمة الضوئية بوضع علامة الضرب (×) على واجهة الحوض وصولاً إلى سطح الماء.
5- ارسم خطاً مستقيماً على العلامات التي وضعتها باستخدام مسطرة. عند النقطة التي يلامس فيها الخط سطح الماء، ارسم خطاً عمودياً. هذا هو خط التعامد.
6- استخدم المنقلة لقياس الزاوية الواقعة بين الخطين. تلك هي الزاوية الحرجة للماء.
بإمكانك استخدام حوض الماء لدراسة العلاقة بين زوايا السقوط والانعكاس والانكسار.
ضع مصباح الجيب في مواضع مختلفة وقِس زاوية السقوط في كل مرة بالطريقة نفسها التي قمت فيها بقياس الزاوية الحرجة في النشاط الرئيس.
إذا انعكس الضوء مرتداً نحو الأسفل قِس زاوية الانعكاس (الزاوية الواقعة بين خط التعامد والحزمة الضوئية المنعكسة).
وإذا ظهر الضوء الى الهواء قم بقياس زاوية الانكسار (الزاوية الواقعة بين خط التعامد والحزمة الضوئية الظاهرة).
وإذا كان من الصعب عليك رؤية الحزمة الضوئية المنكسرة استخدم قطعة من الورق الأبيض كي تتبع الحزمة الضوئية عبر الهواء.
دوّن النتائج التي حصلت عليها في جدول وانظر فيما لو كان بإمكانك إيجاد شكل نمطي في الأعداد.
ما العمل لو أنني لم أتمكن من رؤية الحزمة الضوئية؟
استخدم كمية أقل من الحليب، فكل ما تحتاجه هو قطرات من الحليب كي تظهر حزمة الضوء بشكل واضح.
ما العمل لو أن حزمة الضوء أخذت تتفرق على سطح الماء؟
ما لم تستعمل أشعة الليزر، ستنقسم الحزمة على السطح. حاول أن تجد الزاوية التي يتوقف الضوء عندها عن الظهور إلى الهواء.
وقد يساعدك في ذلك لو أنك رششت قليلاً من بودرة الأطفال في الهواء فوق الحوض كي تجعل الحزمة الضوئية الظاهرة واضحة للعيان.
تحليل النشاط:
لابدّد أنك لاحظت في النشاط الرئيس أن قياس الزاوية الحرجة كان 49 درجة.
ولكن من الصعوبة بمكان تنفيذ قياس دقيق بواسطة مصباح الجيب الكهربائي لأن الحزمة الضوئية تكون متباعدة.
تستطيع أن تحصل على نتيجة أفضل لو أنك طلبت من أحد الكبار أن يستعمل ضوء قلم الليزر بدلاً من مصباح الجيب.
ولعلك كنت ستلاحظ في نشاط المتابعة أن زاويتي السقوط والانعكاس متساويتان دائماً، بينما تكون زاوية الانكسار دائماً أكبر من زاوية السقوط.
ويحصل الانعكاس الداخلي الكلي لأن الضوء يتسارع عندما ينتقل من الماء إلى الهواء أو من الزجاج إلى الهواء.
وإن تزايد السرعة يجعل شعاع الضوء النافذ ينكسر بعيداً عن خط التعامد ويعود باتجاه سطح الماء.
وإذا أصاب شعاع الضوء سطح الماء من الأسفل بزاوية صغيرة (زاوية كبيرة من خط التعامد) فإن التغير في الاتجاه سيرسله من جديد إلى أسفل الماء، وبدلاً من أن يغادر الماء بانحناء بسيط فإنه ينعكس راجعاً نحو الأسفل.
وفي الحقيقة إن سطح الماء من حيث انعكاس الضوء يُعدّ أفضل من المرآة، شريطة أن تنظر إليه من الزاوية الصحيحة، وبإمكانك أن تتأكد من ذلك بنفسك إذا نظرت إلى سطح الماء من جانب الحوض.
وإذا كان لديك حوضٌ فيه بعض الأسماك لرأيت أن انعكاساً واضحاً جداً موجود في أغلب الأحيان تحت السطح.
وعلى عكس المرآة، التي تنتج صورة بسيطة مزدوجة بسبب الانعكاس من أعلى وأسفل الزجاج فإن الانعكاس الذي ينتج عن الماء على درجة كبيرة جداً من الوضوح.
وللزجاج معامل انكسار أكبر من تلك التي يتميز بها الماء، إضافة إلى زاوية حرجة أقل، وهذا يعني أن الزجاج يمكنه أن يحتجز أشعة الضوء بسهولة أكبر.
وتعمل الألياف الزجاجية الموجودة في كابلات الألياف البصرية كأنابيب ضوئية مرنة، فالضوء الذي يشع في أحد أطرافها يسير عبر الزجاج ويرتد من جدران تلك الألياف.
ولأن الضوء يسقط بصورة دائمة على تلك الجدران بزاوية أكبر من الزاوية الحرجة فإنه ينعكس بصورة كاملة، وبذلك ينتقل الضوء من دون أي تأثير وبسهولة إلى الطرف الآخر لليف الزجاجي الذي ربما يقع على مسافة آلاف الأميال.
إن أسلاك (كابلات) التلفزيون والهاتف تتكوّن من العديد من حزم الألياف الزجاجية، كما أن الأطباء الجراحين يستخدمونها في إرسال كاميرات تصوير دقيقة وأشعة ضوئية إلى داخل جسم المريض أثناء إجراء ما يسمى جرحة ثقب المفتاح.
عندما تجري اتصالاً هاتفياً يتحول صوتك إلى آلاف النبضات الضوئية التي تنتقل عبر أسلاك (كابلات) من الألياف البصرية، وتحتجز الكابلات الضوء في داخلها بفضل ظاهرة تسمى "الانعكاس الداخلي الكلي".
تسمح المواد الشفافة كالزجاج والماء عادةً للضوء بعبورها، لكن الضوء قد يُحتجز أحياناً في داخلها، فإذا اصطدم شعاع ضوئي داخل المادة بسطحها بزاوية صغيرة جداً فإن ذلك الشعاع الضوئي سيرتد عائداً إلى الداخل.
وعندما يحصل هذا التأثير، والذي نسميه "الانعكاس الداخلي الكلي"، في قطرات المطر، فإننا نحصل على قوس قزح.
وهذا ما يجعل الماس أيضاً براقاً ومتلألئاً. وبفضل الانعكاس الداخلي الكلي تستطيع كابلات الألياف البصرية نقل الضوء في أرجاء مختلفة وعبر مسافات عظيمة دون أي تسريب.
وتحوي تلك الكابلات مئات الألياف الزجاجية الدقيقة، التي تحمل كل منها نبضات ضوئية.
ويحدث الانعكاس الداخلي الكلي عندما يحاول الضوء أن يخترق جسماً ذا معامل انكسار أقل من معامل انكسار الوسط الأول، أي على سبيل المثال، كالانتقال من الزجاج إلى الهواء.
ويحدث الانعكاس عندما تكون زاوية السقوط، أي زاوية سقوط الضوء على السطح الفاصل بين الوسطين، فوق حد معيّن، ويُطلق عليها الزاوية الحرجة.
وعلينا أن نتذكر أن زاوية الأشعة الضوئية تقاس من خط وهمي يسمى خط التعامد، والذي يكون متعامداً على السطح الفاصل بين الوسطين.
عندما تكون زاوية السقوط أكبر من الزاوية الحرجة، ينعكس الضوء من على السطح الفاصل بين الوسطين بدلاً من العبور إلى الوسط الآخر.
وإذا كانت زاوية السقوط أقل من الزاوية الحرجة، يخرج الضوء من الوسط الأول، لكنه يكون منكسراً بعيداً عن خط التعامد.
أما إذا سقطت حزمة ضوئية على السطح الفاصل بزاوية تساوي الزاوية الحرجة تماماً سيحدث عندئذ شيء مثير للدهشة، سينكسر الضوء بزاوية 90 درجة من خط التعامد.
وبتعبير آخر، إن شعاع الضوء يسير على امتداد على السطح الفاصل بين الوسطين.
وستكتشف في هذا النشاط ما يحصل عندما يُحتجز شعاع ضوئي منبعث من مصباح جيب كهربائي داخل الماء من خلال الانعكاس الداخلي الكلي.
– أسطوانتان من الكرتون (إحداهما أضيق قليلاً من الأخرى، بحيث يُمكن إدخالها بإحكام في الأسطوانة الكبيرة)
– شريط لاصق
خطوات العمل:
1- اختر عدستين تعملان معاً، ولكي تفعل ذلك، امسك إحدى العدستين قرب عينيك وأمسك عدسة أكبر على مسافة أبعد.
انظر من خلالهما إلى أحد الأجسام البعيدة، ثم حرك العدسة الكبيرة حتى يقع الجسم المُراد رؤيته في بؤرة التركيز. وينبغي أن يكون طول الأسطوانتين هو المسافة نفسها الفاصلة بين العدستين.
2– ضع العدسة الأكبر حجماً في نهاية طرف الأسطوانة الكبيرة ثم ضع شريطاً لاصقاً حول نهاية الأسطوانة واضغط عليها بلطف بحيث تثبت العدسة في مكانها.
3- ضع العدسة الصغيرة في نهاية الأسطوانة الصغيرة، ثم استعمل الشريط اللاصق لتثبيتها في مكانها.
4- حرك الطرف المكشوف من الأسطوانة الصغيرة إلى داخل الأسطوانة الكبيرة. اختر جسماً بعيداً وحاول أن تضعه في بؤرة التركيز بتحريك الأسطوانة الصغيرة نحو داخل وخارج الأسطوانة الكبيرة.
بإمكانك أن تصنع تلسكوباً عاكساً باستخدام مرآة حلاقة أو أي مرآة مقعرة كبيرة ومرآة صغيرة مستوية، وعدسة تكبير.
ومن المهم أن تكون المرآة الكبيرة التي تستخدمها مقعرة لأن التقعر يقوم بتركيز الضوء من الجسم الذي تنظر إليه على المرآة المستوية.
وقد يكون القمر اختياراً جيداً كجسم بعيد تريد مشاهدته. وعليك أن تتذكر ألاّ تنظر إلى الشمس أو غيرها من الأجسام الساطعة بواسطة التلسكوب أو المنظار.
ضع مرآة الحلاقة أمام الجسم الذي ترغب مشاهدته. امسك أو ضع المرآة المستوية أمام مرآة الحلاقة بحيث تستطيع رؤية الصورة منعكسة عن المرآة الكبيرة على المرآة الصغيرة.
ضع العدسة المكبِّرة بعد ذلك فوق المرآة الصغيرة كي تتمكن من مشاهدة صورة مكبَّرة للقمر أو الجسم الذي اخترته.
وإذا لم تستطع مشاهدة التفاصيل بصورة مقبولة، فقد يكون السبب ناجماً عن وجود مقدار كبير من الضوء من مصادر أخرى، ولهذا السبب يجب أن تكون أن تكون عدسات التلسكوبات والمرايا موضوعة داخل أسطوانات، إذ إن هذه الأسطوانات تحجب الضوء غير المرغوب به.
وسيكون من الأكثر إمتاعاً أن تستخدم هذا التلسكوب أثناء الليل عند مشاهدة القمر والنجوم.
إن تلسكوبي لا يقوم بتركيز الصورة بشكل جيد.
تأكد من أن أسطوانتي التلسكوب متداخلتان بإحكام، وإلا فإن العدستين لن تكونا متوافقتين عند تحريك الأسطوانتين نحو الداخل والخارج.
والشيء الآخر الذي يمكن أن يساعدك على تركيز الصورة هو تثبيت يديك، وبإمكانك مثلاً وضع الطرف النهائي للتلسكوب على قطعة أثاث أو حافة النافذة.
تحليل النشاط:
تستخدم التلسكوبات الانكسارية والعاكسة الضوء المنبعث من الجسم المراد رؤيته للحصول على صورة لتلك الأجسام، لهذا فهي تعرف بالتلسكوبات البصرية.
لقد ظلت التلسكوبات البصرية على مدى مئات السنين الوسيلة الوحيدة المتوافرة لهذا الغرض.
إن الضوء المرئي هو أحد أشكال الإشعاعات الكهرطيسية المنبعثة من الشمس والنجوم، ولكن هناك أشكال أخرى لهذه الإشعاعات، ومنها الحرارة والأشعة فوق البنفسجية والموجات اللاسلكية وأشعة إكس.
وكان يتم تصنيع التلسكوبات في القرن العشرين لتتحرى تلك الأشكال من الإشعاعات الكهرطيسية.
وتُصنع بعض تلك التلسكوبات غير العادية بطريقة تشبه طريقة تصنيع التلسكوبات البصرية من حيث استخدامها للمرايا والعدسات.
ويجري تغذية أنماط الإشعاعات الكهرطيسية التي يكتشفها التلسكوب من أجسام تسبح في الفضاء في الحواسيب لتنتج صوراً ملونة يمكن للعين البشرية رؤيتها.
وعلى عكس ذلك النوع من التلسكوبات، فإن التلسكوبات اللاسلكية لا تحتوي على مرايا أو عدسات، إذ إنها تقوم بدلاً من ذلك بتجميع الموجات اللاسلكية عن طريق استخدام هوائيات ضخمة.
ولقد كان أول تلسكوب لاسلكي عبارة عن مجموعة من الأسلاك الطويلة المعلقة على أعمدة تشبه حبال غسيل عملاقة.
أما التلسكوبات اللاسلكية الحديثة فهي عبارة عن أطباق عملاقة يمكن توجيهها إلى أي جزء من أجزاء السماء.
ويقوم جهاز الحاسوب بعد ذلك بوضع مخطط يبيّن المكان الذي انطلقت منه الموجات ثم يحوّل البيانات إلى صورة عن الفضاء.
المنظار
المنظار هو بمنزلة تلسكوبين موصولين معاً، بحيث يكون لكل عين تلسكوب.
والمنظار أفضل أداء من حيث تقدير المسافات من التلسكوب، لأن الدماغ يحتاج إلى صور من كلا العينين كي يحدد المسافة على نجو دقيق.
.png)
.png)
.png)
.png)
.png)
.png)
.png)
.png)
.png)
.png)
.png)
.png)
.png)
.png)
.png)
.png)
.png)
.png)
.png)
.png)
.png)
.png)
.png)
.png)
.png)
.png)
.png)
.png)
.png)