نسخة الفيديو النصية
يوضح الشكل الآتي أشعة ضوء يحدث لها انعكاس داخلي كلي في الماء عند السطح الفاصل بينه وبين الهواء. يوضح الشكل أيضًا شعاع ضوء في الهواء يسقط على نفس السطح الفاصل بنفس زاوية السقوط. أي مسار من المسارات A، B، C يتبعه الضوء الساقط على الماء من الهواء؟
يطلب منا السؤال تحديد: أي مسار من المسارات سيتبعه الضوء الذي يتحرك في البداية في الهواء بعد سقوطه على السطح الفاصل بين الهواء والماء.
يوضح الشكل المعطى في السؤال اتجاه شعاع ضوء يتحرك في البداية في الماء قبل سقوطه على السطح الفاصل بين الهواء والماء وبعد سقوطه عليه. اتجاه هذا الشعاع بعد سقوطه على السطح الفاصل هو نفس الاتجاه الموضح للشعاع B في النصف الأيسر من الشكل. ينص السؤال على أن شعاع الضوء الذي يتحرك في البداية في الهواء وشعاع الضوء الذي يتحرك في البداية في الماء يصنعان نفس قياس زاوية السقوط مع العمود المقام على السطح الفاصل بين الهواء والماء.
وبما أن شعاع الضوء الذي يتحرك في البداية في الهواء وشعاع الضوء الذي يتحرك في البداية في الماء يسقطان على نفس السطح الفاصل بزاوية لها نفس القياس مع العمود المقام، فيمكن أن نخمن أنه بعد سقوط الشعاعين على السطح الفاصل، فإنهما سيتحركان في الاتجاه نفسه. هذا يعني أن الشعاع B سيمثل مسار شعاع الضوء الذي يتحرك في البداية في الهواء بعد سقوطه على السطح الفاصل بين الهواء والماء. دعونا نفكر في هذا الاحتمال.
لكي تكون الإجابة الصحيحة هي الشعاع B، فإن شعاع الضوء الذي يتحرك في البداية في الهواء لن يغير اتجاهه عندما يسقط على السطح الفاصل بين الهواء والماء. وهذا يعني أن قياسي زاويتي السقوط والانكسار متساويان. لكي لا يغير شعاع الضوء اتجاهه عند السطح الفاصل بين وسطين، فإنه يجب أن يتحقق أحد الشرطين الآتيين: يجب أن يكون قياس زاوية السقوط يساوي صفرًا، أو يجب أن يكون للوسطين معامل الانكسار نفسه. نلاحظ أن قياس زاوية السقوط 𝜃i في الشكل لا يساوي صفرًا في الحقيقة. إذن، العبارة الأولى غير صحيحة.
وبالنسبة إلى العبارة الثانية، فليس لدينا معاملا انكسار الهواء والماء. لعلنا نتذكر الآن قيمتيهما. لكن حتى من دون هذه المعلومة، يمكننا استنتاج أن معامل انكسار الماء أكبر من معامل انكسار الهواء. يمكن معرفة ذلك من خلال ملاحظة ما يحدث لشعاع الضوء الذي يتحرك في البداية في الماء قبل سقوطه على السطح الفاصل. شعاع الضوء الذي يتحرك في البداية في الماء لا ينفذ إلى الهواء، لكنه بدلًا من ذلك ينعكس مرة أخرى في الماء. وهذا يسمى الانعكاس الداخلي الكلي.
يمكن أن يحدث الانعكاس الداخلي الكلي عند سقوط شعاع ضوء على سطح فاصل بين وسطين. ولكي يحدث الانعكاس الداخلي الكلي، يجب أن يكون قياس زاوية السقوط أكبر من قياس الزاوية الحرجة 𝜃c للسطح الفاصل. هذا الشرط ضروري لكنه غير كاف. لا بد أن يتحقق أيضًا أن يكون معامل انكسار الوسط على جانب السطح الفاصل الذي يتحرك فيه الشعاع في البداية أكبر من معامل انكسار الوسط على الجانب الآخر من السطح الفاصل. وهذا يعني أنه في هذه الحالة، بما أن شعاع الضوء يتحرك في البداية في الماء، فإنه يجب أن يكون معامل انكسار الماء أكبر من معامل انكسار الهواء.
دعونا نلق نظرة أخرى على شعاع الضوء الذي يتحرك في البداية في الهواء. لقد عرفنا أنه ليس صحيحًا أن الوسطين لهما معامل الانكسار نفسه. وبما أن كلتا العبارتين غير صحيحة، فإنه لا يمكن أن يحافظ الشعاع الذي يتحرك في البداية في الهواء على اتجاهه عند السطح الفاصل. هذا يعني أن الشعاع B لا يمكن أن يكون هو الإجابة الصحيحة. بعد استبعاد أحد الاحتمالات، دعونا نفرغ بعض المساحة على الشاشة.
بما أن معامل انكسار الماء أكبر من معامل انكسار الهواء، فإن زاوية الانكسار يجب أن تكون أصغر من زاوية السقوط. بالنظر إلى مسار الشعاع A، فإننا نلاحظ أن قياس زاوية الانكسار أصغر من قياس زاوية السقوط. يخبرنا هذا أن شعاع الضوء الذي يتحرك في البداية في الهواء يمكن أن يتبع مسار الشعاع A.
يجب أيضًا وضع مسار الشعاع C في الاعتبار. لا تنطبق دائمًا حالة أن شعاع الضوء الساقط على سطح فاصل بين وسطين يتبع مسارًا واحدًا فقط. لكن من الممكن أن ينتج الشعاع الساقط شعاعين بسبب تفاعله عند السطح الفاصل. والشعاع الذي يتبع المسار C لا يدخل الماء. إنه ينعكس عن سطح الماء، تمامًا مثل الشعاع الذي تعرض لانعكاس داخلي كلي الذي كان يتحرك في البداية في الماء. بالنظر إلى الشعاع الذي تعرض لانعكاس داخلي كلي، فإننا نلاحظ أن قياس الزاوية التي يصنعها هذا الشعاع مع العمود المقام على السطح الفاصل بين الهواء والماء يبدو مساويًا لقياس الزاوية التي يصنعها الشعاع الساقط مع هذا العمود المقام. ولا بد أن هذا هو ما يحدث وفقًا لقانون الانعكاس.
والآن، بالنظر إلى شعاع الضوء الذي ينتقل في البداية في الهواء في اتجاه الشعاع C، فإننا نلاحظ أن هذين الشعاعين يصنعان على ما يبدو زاويتين متساويتين في القياس مع العمود المقام على السطح الفاصل. وعليه، فإننا نستنتج أن الشعاع C هو الشعاع الذي سينتج عن انعكاس شعاع الضوء الذي يتحرك في البداية في الهواء. بما أننا رأينا بالفعل أن الشعاع A سينتج عن انكسار هذا الشعاع الساقط، فقد توصلنا إلى أن كلًّا من الشعاع A والشعاع C لهما اتجاهان محتملان لشعاع الضوء الذي يتحرك في البداية في الهواء بعد تفاعله مع السطح الفاصل بين الهواء والماء. ويكون الشعاع B وحده هو الشعاع الذي اتجاهه غير محتمل.
إذن: الإجابة هي أن الشعاع A والشعاع C يوضحان المسارين اللذين سيتبعهما الضوء الساقط على الماء من الهواء.
