نسخة الفيديو النصية
مكعب ليزلي عبارة عن مكعب مجوف من الألومنيوم مانع لتسريب الماء، ولكل وجه لونه وانعكاسيته الخاصة، كما هو موضح في الجدول. يمكن اختبار جودة انبعاث الأشعة تحت الحمراء لكل وجه من أوجه المكعب عن طريق ملء المكعب بماء مغلى ووضع مستشعر للأشعة تحت الحمراء بمحاذاة كل وجه، وعلى نفس المسافة من المكعب، على بعد بضعة سنتيمترات منه. وضعت ترمومترات ملامسة لكل وجه. أي من الخيارات الآتية يصف على نحو صحيح قراءة درجات الحرارة على الترمومترات؟ (أ) قراءة درجات الحرارة على جميع الترمومترات مختلفة. (ب) قراءة درجات الحرارة على جميع الترمومترات واحدة. (ج) قراءة درجات الحرارة على الترمومترات عند الوجهين (أ)، (ب) واحدة. (د) قراءة درجات الحرارة على الترمومترات عند الوجهين (أ)، (ج) واحدة.
أولًا: دعونا نفرغ بعض المساحة في الجزء العلوي من الشاشة لنرسم هذا الجسم الذي يسمى مكعب ليزلي. الفكرة من مكعب ليزلي هي أن الأوجه الرأسية الأربعة للمكعب، أي هذا الوجه هنا، وهذا الوجه هنا، وهذا الوجه الذي لا يمكننا رؤيته، وذلك الوجه الآخر الذي لا يمكننا رؤيته أيضًا، لها ألوان مختلفة وكذلك انعكاسية مختلفة تؤثر على الخواص الحرارية للمكعب. نعلم من الجدول أن الأوجه الأربعة للمكعب تسمى (أ) و(ب) و(ج) و(د). لذا، دعونا نسم هذا الوجه بالوجه (أ). ونسم الوجه الخلفي بالوجه (ب). والوجه الآخر الذي لا يمكننا رؤيته من هذا المنظور هو الوجه (ج). وسنفترض أن هذا الوجه الموجود على الجهة الأمامية اليمنى هو الوجه (د). يخبرنا الجدول أن الوجهين (أ) و(ب) باللون الأسود، في حين أن الوجهين (ج) و(د) باللون الأبيض.
تختلف أوجه المكعب أيضًا من حيث الانعكاسية. وهذه خاصية تقيس مدى القوة التي تعكس بها هذه الأوجه الضوء الساقط عليها. بالنسبة لنا، قد يبدو السطح الذي له انعكاسية مرتفعة لامعًا وأملس. أما الوجه الذي له انعكاسية منخفضة، فقد يبدو باهتًا وربما خشنًا بعض الشيء. تتسم الأوجه الأربعة لمكعب ليزلي بهاتين الخاصيتين المختلفتين. فعندما نملأ مكعب ليزلي بالماء الساخن المغلى، يسخن المكعب سريعًا حتى يصل إلى درجة حرارة الماء، وذلك لأنه مصنوع من المعدن. وإذا وضعنا ترمومترات ملامسة لكل وجه من الأوجه الرأسية الأربعة للمكعب، يمكننا تحديد خيار الإجابة الذي يصف بدقة قراءة درجات الحرارة على هذه الترمومترات.
دعونا نفترض أن أوجه المكعب الأربعة تختلف فقط من حيث اللون والانعكاسية. وباستثناء ذلك، فإنها تتشابه في جميع الخواص الأخرى. جميع الأوجه الأربعة تلامس الماء الساخن المغلى بشكل متساو، وجميعها مصنوع من المادة نفسها؛ لذا فهي تستجيب حراريًّا للماء بنفس الطريقة. ومن ثم، إذا كان بعض هذه الأوجه باللون الأسود والبعض الآخر باللون الأبيض، وكان بعضها له انعكاسية مرتفعة والبعض الآخر له انعكاسية منخفضة، فلن يكون لذلك تأثير على درجة الحرارة المقيسة لكل وجه. تذكر أن الترمومترات تلامس كل وجه من الأوجه (أ) و(ب) و(ج) و(د) مباشرة. إنها لا تقيس الإشعاع على مسافة من هذه الأوجه، وإنما تقيس درجة حرارة هذه الأوجه عن طريق التلامس المباشر.
هذه الأوجه الأربعة لمكعب ليزلي لها درجات حرارة متساوية بالفعل. وعليه، فإن اختلاف هذه الأوجه من حيث اللون والانعكاسية لا يؤثر على درجة الحرارة الفعلية لكل وجه، وإنما يؤثر على طريقة انبعاث الأشعة تحت الحمراء من كل منها. إذن، ستكون إجابتنا هي الخيار (ب).
والآن، دعونا نتناول الجزء الثاني من هذا السؤال.
عند أي أوجه المكعب تكون قراءة مستشعر الأشعة تحت الحمراء أعلى قراءة؟
يختلف تسجيل القراءة باستخدام مستشعر الأشعة تحت الحمراء عن تسجيل القراءة باستخدام الترمومتر. مستشعر الأشعة تحت الحمراء هو جهاز يشبه الكاميرا نضعه على مسافة قصيرة، ربما بضعة سنتيمترات، من أحد أوجه المكعب. ويستقبل المستشعر الأشعة تحت الحمراء المنبعثة من هذا الوجه. في هذا الجزء من السؤال، سنتخيل أننا وضعنا المستشعر على مسافة من كل وجه من الأوجه الأربعة ثم نقارن بين قيم القراءات الأربع.
أولًا: دعونا نتذكر أن الأوجه الأربعة لها نفس درجة الحرارة بالضبط، التي تساوي 100 درجة سلزية تقريبًا في هذه الحالة. ومن ثم، فإن أي اختلاف في انبعاث الأشعة تحت الحمراء من هذه الأوجه سيرجع إلى اختلاف ألوانها وانعكاسيتها. عند درجة حرارة معينة، تبعث الأجسام ذات الألوان الداكنة كمية أكبر من الأشعة تحت الحمراء مقارنة بالأجسام ذات الألوان الفاتحة. ويمكننا التأكد من ذلك في أحد الأيام الشديدة الحرارة عند سطوع الشمس. إذا وضعنا أيدينا على سطح رصيف فاتح اللون ثم على سطح أسفلت داكن اللون، فسنشعر أن الأسفلت أكثر حرارة. وحتى عندما تكون درجة حرارة هذين السطحين المختلفين متساوية، فإن هذا التأثير سيحدث.
إذن، وجه المكعب الذي ستكون عنده قراءة مستشعر الأشعة تحت الحمراء هي أعلى قراءة، سيكون أحد الأوجه ذات اللون الداكن. ما يعني أنه لن يكون الوجه (د) أو الوجه (ج). وبمقارنة الوجهين (أ) و(ب)، نلاحظ أن أحدهما له انعكاسية مرتفعة، والآخر له انعكاسية منخفضة. وفي الحقيقة، الوجه الذي له انعكاسية منخفضة يبعث بالفعل كمية أكبر من الأشعة تحت الحمراء مقارنة بالوجه الذي له انعكاسية مرتفعة. السبب في هذا أن السطح الذي له انعكاسية مرتفعة يقل احتمال امتصاصه للأشعة الساقطة عليه. وانبعاث الأشعة تحت الحمراء يكون نتيجة عملية امتصاص حدثت مسبقًا. وبناء على ذلك، يمكننا القول إن السطح الأكثر فعالية في امتصاص الأشعة هو السطح الذي له انعكاسية منخفضة، ويبعث كمية أكبر من الأشعة تحت الحمراء. لذا، من بين أوجه المكعب الرأسية الأربعة، تكون قراءة مستشعر الأشعة تحت الحمراء عند الوجه (ب) أعلى قراءة.
لنتناول الآن الجزء الأخير من هذا السؤال.
عند أي أوجه المكعب تكون قراءة مستشعر الأشعة تحت الحمراء أقل قراءة؟
تمامًا مثلما فعلنا لنحدد أن الوجه الذي له لون داكن وانعكاسية منخفضة هو الوجه الذي تسجل عنده قراءة مستشعر الأشعة تحت الحمراء أعلى قراءة، سنحدد الوجه الذي تكون قراءة مستشعر الأشعة تحت الحمراء عنده أقل قراءة، وذلك بالبحث عن الأوجه ذات الخواص المعاكسة. أولًا: سنحدد أي الأوجه له لون فاتح، لنجد أن هذا ينطبق على الوجهين (ج) و(د)، بعد ذلك، سنحدد أي من هذين الوجهين له انعكاسية مرتفعة. عند درجة حرارة معينة، يبعث الوجه الذي يتسم بهاتين الخاصيتين أقل كمية من الأشعة تحت الحمراء. ومن ثم، عندما نضع مستشعر الأشعة تحت الحمراء أمام جميع الأوجه الأربعة، نجد أنه عند الوجه (ج)، نحصل على أقل قراءة.
