فيديو السؤال: الانعكاس الداخلي الكلي الفيزياء

نسخة الفيديو النصية

أي العبارات التالية هي الوصف الأكثر دقة لما يحدث إذا سقط شعاع ضوء ينتقل خلال الماء على السطح الفاصل بين الهواء والماء بزاوية أكبر من الزاوية الحرجة للسطح؟ (أ) ينعكس الضوء بالكامل عن الهواء إلى الماء. (ب) تنتقل بعض أشعة الضوء من الماء إلى الهواء، وتنعكس بعض أشعة الضوء عن الهواء إلى الماء. (ج) تنتقل أشعة الضوء بالكامل من الماء إلى الهواء. (د) ينتشر الضوء على طول السطح الفاصل بين الهواء والماء.

علمنا من معطيات هذا السؤال أن لدينا شعاع ضوء ينتقل خلال الماء. سنشرح ما يحدث فيما يلي. سنفترض أن هذا هو الماء، وهذا هو السطح الفاصل بين الماء والهواء، وهذا هو شعاع الضوء الذي ينتقل خلال الماء. وعلمنا أيضًا أن شعاع الضوء يسقط على السطح الفاصل بين الماء والهواء. وبشكل أكثر تحديدًا، يسقط الشعاع على هذا السطح الفاصل بزاوية أكبر من الزاوية الحرجة للسطح الفاصل بين الهواء والماء.

سنعود إلى ما تعنيه الزاوية الحرجة بعد قليل. لكن ما علينا أن ندركه هو أن زاوية سقوط شعاع ضوء على سطح ما عادة ما تقاس نسبة إلى الخط العمودي على هذا السطح. إذن، هذا الخط المتقطع الوردي الذي رسمناه يصنع زاوية 90 درجة مع السطح الفاصل بين الماء والهواء. ويعرف هذا الخط بالعمود المقام. ومن ثم، فإن زاوية سقوط شعاع الضوء على السطح تقع بين العمود المقام وشعاع الضوء.

علمنا من المعطيات أن هذه الزاوية، التي سنسميها ‪𝜃‬‏، أكبر من الزاوية الحرجة. وعلمناأيضًا أن الزاوية الحرجة المعطاة لنا تخص السطح الفاصل بين الهواء والماء؛ لأن هذا هو السطح الفاصل الذي نتعامل معه في الحالة التي لدينا. لنتذكر أولًا أن الزاوية الحرجة تعرف بأنها زاوية السقوط. وهي زاوية سقوط شعاع الضوء على السطح الفاصل وتنحصر بين العمود المقام والشعاع، كما رأينا بالفعل، وينتشر عندها شعاع الضوء المنكسر على امتداد السطح الفاصل.

لنفترض مرة أخرى أن هذا هو السطح الفاصل ولدينا ماء هنا وهواء هنا، وهذه المرة يسقط شعاع الضوء بزاوية تساوي الزاوية الحرجة، والتي سنطلق عليها ‪𝜃𝑐‬‏. إذن، سينعكس جزء من الضوء مرة أخرى إلى داخل الماء. هذا هو الشعاع المنعكس. وسينكسر جزء من هذا الضوء. ولكن عندما يسقط الشعاع على السطح بزاوية تساوي الزاوية الحرجة، يتحرك شعاع الضوء المنكسر على طول السطح الفاصل بين الهواء والماء.

هذه هي أهمية الزاوية الحرجة. سنفترض أن زاوية السقوط أقل من الزاوية الحرجة. هذا يعني أنه، على سبيل المثال، إذا سقط الشعاع القادم بهذه الزاوية ‪𝜃‬‏، الأصغر من ‪𝜃𝑐‬‏، فمجددًا، سينعكس جزء من الضوء. ولكن، سينكسر جزء منه. ويعبر السطح الفاصل إلى الهواء.

وعلى النقيض، إذا كانت زاوية السقوط أكبر من الزاوية الحرجة، وهي الحالة التي لدينا في هذا السؤال، فسينعكس الضوء بالكامل هذه المرة. ولن يوجد أي شعاع منكسر؛ لأنه كما رأينا عند الزاوية الحرجة تحديدًا، تحرك الشعاع المنكسر على امتداد السطح الفاصل. وعليه، عندما تكون زاوية السقوط أكبر من الزاوية الحرجة، فلن يكون هناك شعاع منكسر. وينعكس الضوء بالكامل. تعرف هذه الظاهرة باسم الانعكاس الداخلي الكلي؛ لأن الضوء بالكامل ينعكس داخليًّا. ولا ينكسر أي جزء منه. ولذا، لا يخرج أي ضوء من الماء.

الآن يطلب منا السؤال أن نحدد أي من الخيارات التالية، الخيارات من (أ) إلى (د)، هو الوصف الأكثر دقة لما يحدث إذا سقط شعاع ضوء ينتقل خلال الماء على السطح الفاصل بين الهواء والماء بزاوية أكبر من الزاوية الحرجة للسطح. إننا نبحث عن خيار يخبرنا بأن الضوء بالكامل ينعكس إلى الماء. وأنه لا يوجد شعاع منكسر يخرج من الماء ويدخل إلى الهواء.

يخبرنا الخيار (أ) بأن الضوء ينعكس تمامًا عن الهواء إلى الماء. بعبارة أخرى، بمجرد أن يلتقي شعاع الضوء بالهواء، أو تحديدًا بالسطح الفاصل بين الماء والهواء، ينعكس مجددًا إلى الماء. وهذا بالضبط ما نبحث عنه. إذن، يبدو أن الخيار (أ) هو الإجابة الصحيحة للسؤال. ولكن، لنلق نظرة سريعة على الخيارات من (ب) إلى (د) للتأكد من عدم صحتها.

يخبرنا الخيار (ب) بأن جزءًا من الضوء ينتقل من الماء إلى الهواء. وينعكس جزء من الضوء عن الهواء إلى الماء. إذن، هذا الخيار يشير إلى أنه إذا سقط شعاع الضوء القادم على السطح الفاصل بزاوية أكبر من الزاوية الحرجة، فإن جزءًا من الضوء سينعكس. وينتقل الجزء الآخر إلى الهواء. ولكن سيكون هذا صحيحًا إذا كانت زاوية السقوط أقل من الزاوية الحرجة. إذن، الخيار (ب) ليس ما نبحث عنه.

يخبرنا الخيار (ج) بأن الضوء ينتقل بالكامل من الماء إلى الهواء. إذن، يخبرنا هذا الخيار بأن كل الضوء ينتقل إلى الهواء. ولا يوجد أي شعاع منعكس، وهذا ليس صحيحًا على الإطلاق. ففي الحالة لدينا يوجد انعكاس داخلي كلي. إذن، فإن الخيار (ج) ليس الإجابة الصحيحة أيضًا.

يخبرنا الخيار (د) بأن الضوء ينتشر على امتداد السطح الفاصل بين الهواء والماء. يخبرنا هذا الخيار بأنه إذا سقط شعاع الضوء بهذه الطريقة، فبمجرد التقائه بالسطح الفاصل، فإنه يتحرك على طول السطح الفاصل. لكن هذا غير صحيح أيضًا. ومن ثم، يمكننا استبعاد الخيار (د)، ما يعني أنه إذا سقط شعاع ضوء ينتقل خلال الماء على السطح الفاصل بين الهواء والماء بزاوية أكبر من الزاوية الحرجة للسطح، ينعكس الضوء بالكامل عن الهواء إلى الماء. وهذا يعرف باسم الانعكاس الداخلي الكلي.