الاستضاءة Illumination
4-1 الاستضاءة Illumination
تجربة استهلالية
كيف يمكنك تحديد مسار الضوء في الهواء؟
سؤال التجربة
ما المسار الذي يسلكه الضوء خلال انتقاله في الهواء؟
الخطوات
- اثقب بطاقة فهرسة بالمثقب عند مركزها.
- استخدم مشبكين في تثبيت البطاقة رأسيًا، بحيث تكون حافتها الطويلة على سطح الطاولة.
- أشعل المصباح ودع زميلك يحمله، مراعيًا مرور أشعة المصباح الضوئي من خلال الثقب الموجود في البطاقة.
- احمل مرآة في الجانب المقابل للبطاقة، بحيث يصطدم الضوء المار من خلال الثقب بالمرآة، ثم عتم الغرفة.
- حرّك المرآة وأملها بحيث تعكس الشعاع الضوئي وتسقطه على البطاقة.
تحذير: احذر من عكس الشعاع الضوئي في اتجاه عيون زملائك في المختبر.
- سجل ملاحظاتك.
الصورة التابعة لهذه الفقرة:
تجربة_استهلالية_تحديد_مسار_الضوء_في_الهواء.png
التحليل
صف صورة الشعاع الضوئي المنعكس التي تشاهدها على بطاقة الفهرسة، والمسار الذي سلكه الشعاع الضوئي.
التفكير الناقد
هل يمكنك رؤية الشعاع الضوئي في الهواء؟ لماذا؟
4-1 الاستضاءة Illumination
رابط الدرس الرقمي
[www.ien.edu.sa](http://www.ien.edu.sa)
الأهداف
بعد دراسة هذا الدرس يتوقع أن تكون قادرًا على أن:
- تطور نموذج الشعاع الضوئي.
- تتوقع تأثير البعد في الاستضاءة.
- تحل مسائل تتضمن سرعة الضوء.
المفردات
| المفردة |
| ------------------------ |
| نموذج الشعاع الضوئي |
| المصدر المضيء |
| المصدر المستضيء، المضاء |
| الوسط غير الشفاف، المعتم |
| الوسط الشفاف |
| الوسط شبه الشفاف |
| التدفق الضوئي |
| الاستضاءة |
مقدمة الدرس
الضوء والصوت وسيلتان نحصل عن طريقهما على المعلومات. والضوء وسيلة توفر أكبر مجموعة متنوعة من المعلومات، حيث تستطيع العين البشرية تحسس التغيرات البسيطة جدًا في حجم الجسم وموقعه وسطوعه، إضافة إلى لونه، كما تميز أعيننا في العادة بين الظلال والأجسام الصلبة، وتستطيع أحيانًا التمييز بين انعكاسات الأجسام والأجسام نفسها. وستتعلم في هذا الفصل من أين يأتي الضوء؟ وكيف يضيء الكون من حولنا؟
يسير الضوء في خطوط مستقيمة، فكيف تثبت ذلك؟ عندما تدخل حزمة ضوئية ضيقة، مثل ضوء المصباح الكهربائي أو ضوء الشمس، عبر النافذة فإن دقائق الغبار المنتشرة في الهواء تجعل الضوء مرئيًا، وترى مسار الضوء على شكل خط مستقيم. وعندما يعترض جسمك ضوء الشمس ترى هيئة جسمك في صورة ظل. وعندما تضع جسمًا أمام عينيك وتتحرك في اتجاهه فإنك تسير في مسار مستقيم. هذه الأشياء تحدث فقط لأن الضوء ينتقل في خطوط مستقيمة. وقد طورت نماذج تصف سلوك الضوء؛ اعتمادًا على هذه المعلومة المتعلقة بكيفية انتقال الضوء.
نموذج الشعاع الضوئي
Ray Model of Light
اعتقد العالم إسحق نيوتن، الذي درست قوانينه في الحركة سابقًا، أن الضوء سيل من جسيمات متناهية في الصغر لا يمكن تخيلها، تتحرك بسرعة كبيرة جدًا، أطلق عليها اسم جسيمات. ولم يستطع نموذج نيوتن تفسير خصائص الضوء جميعها؛ إذ بينت التجارب أن الضوء يسلك أيضًا سلوك الموجات.
وفي نموذج الشعاع الضوئي يمثل الضوء على شكل شعاع ينتقل في خط مستقيم ويتغير اتجاهه فقط إذا اعترض مساره حاجز، كما يتضح من الشكل 4-1. لقد قدم نموذج الشعاع الضوئي بوصفه طريقة لدراسة كيفية تفاعل الضوء مع المادة، بغض النظر عما إذا كان الضوء جسيمًا أو موجة. وتسمى دراسة الضوء بهذه الطريقة البصريات أو البصريات الهندسية.
الشكل 4-1
الشعاع الضوئي عبارة عن خط مستقيم يمثل المسار الخطي لحزمة ضيقة من الضوء (a). ويمكن أن يغير الشعاع الضوئي اتجاهه إذا انعكس (b) أو انكسر (c).
دلالة الألوان
الأشعة الضوئية باللون الأحمر.
الصورة التابعة لهذه الفقرة:
الشكل_4-1_نموذج_الشعاع_الضوئي.png
مصادر الضوء
تنبعث أشعة الضوء من مصادرها، وتعد الشمس المصدر الرئيس للضوء. وهناك مصادر طبيعية أخرى للضوء، منها اللهب والشرر، وبعض أنواع الحشرات مثل اليراع.
وتمكن الإنسان خلال المئة سنة الماضية من إيجاد أنواع أخرى من مصادر الضوء، منها المصابيح المتوهجة، والفلورسنتية، وأشعة الليزر، والصمامات الثنائية الباعثة للضوء، وجميعها ناتجة عن استخدام الإنسان للكهرباء لينتج الضوء.
ما الفرق بين ضوء الشمس وضوء القمر؟ ضوء الشمس أكثر سطوعًا من الضوء الذي يصلنا من القمر، وهناك فرق آخر أساسي ومهم بينهما، وهو أن الشمس مصدر مضيء؛ أي أنها جسم يبعث ضوءًا من ذاته، أما القمر فيعد مصدرًا مستضيئًا، مضاءً؛ أي أنه جسم يصبح مرئيًا نتيجة انعكاس الضوء عنه، كما يتضح من الشكل 4-2.
فالمصابيح المتوهجة، ومنها المصابيح الكهربائية الشائعة الاستخدام، مضيئة؛ لأن الطاقة الكهربائية تسخن سلك التنجستن الرفيع الموجود في المصباح، مما يؤدي إلى توهجه. وتبعث المصابيح المتوهجة الضوء نتيجة درجة حرارتها العالية. ويعمل العاكس المثبت على الدراجة الهوائية عمل مصدر مستضيء؛ حيث صمم ليصبح مرئيًا بشدة عندما يضاء بواسطة أضواء السيارة الأمامية.
الشكل 4-2
تعمل الشمس عمل مصدر مضيء للأرض والقمر، ويعمل القمر عمل مصدر مضاء يضيء الأرض.
الرسم التوضيحي ليس بمقياس رسم.
الصورة التابعة لهذه الفقرة:
الشكل_4-2_الشمس_مصدر_مضيء_والقمر_مصدر_مضاء.png
الأوساط الشفافة وغير الشفافة وشبه الشفافة
تكون المصادر المستضيئة مرئية بالنسبة لك؛ لأن الضوء ينعكس عن الجسم أو ينفذ من خلاله ليصل إلى عينيك.
ويسمى الوسط الذي لا يمر الضوء من خلاله ويعكس بعض الضوء وسطًا غير شفاف، أي معتمًا، في حين يسمى الوسط الذي يمر الضوء من خلاله مثل الهواء والزجاج وسطًا شفافًا.
أما الوسط الذي يمر الضوء من خلاله ولا يسمح للأجسام أن ترى بوضوح فيه فيسمى وسطًا شبه شفاف، فمظلة المصباح مثال على الأجسام المصنوعة من أوساط شبه شفافة. ويبين الشكل 4-3 أنواع الأوساط الثلاثة.
إن الأوساط الشفافة أو شبه الشفافة لا تمرر الضوء فقط، بل يمكنها أن تعكس جزءًا منه أيضًا؛ فمثلًا تستطيع رؤية صورة جسمك على نافذة الزجاج أحيانًا.
الشكل 4-3
يسمح الزجاج الشفاف للأجسام أن ترى من خلاله (a).
ويسمح غطاء المصباح شبه الشفاف للضوء بالمرور من خلاله، على الرغم من أن المصباح، مصدر الضوء نفسه، غير مرئي (b).
والقماش البلاستيكي غير الشفاف، المعتم، الذي يغطي المصباح يحول دون رؤيته (c).
الصورة التابعة لهذه الفقرة:
الشكل_4-3_الاوساط_الشفافة_وشبه_الشفافة_والمعتمة.png
كمية الضوء
إن معدل انبعاث طاقة الضوء من المصدر المضيء يسمى التدفق الضوئي P، ويقاس التدفق الضوئي بوحدة لومن lm.
فالمصباح الكهربائي المتوهج الذي قدرته 100 W يصدر 1750 lm تقريبًا. وتستطيع أن تفكر في التدفق الضوئي بوصفه مقياسًا لمعدل انبعاث الأشعة الضوئية من المصدر المضيء.
تخيل أنك وضعت مصباحًا كهربائيًا في مركز كرة نصف قطرها 1 m، كما في الشكل 4-4. سيبعث المصباح الضوء في الاتجاهات جميعها تقريبًا؛ أي أن تدفقًا ضوئيًا بمقدار 1750 lm يصف الضوء جميعه الذي يصطدم بالسطح الداخلي للكرة خلال وحدة الزمن.
وحتى لو كان نصف قطر الكرة 2 m فإن التدفق الضوئي للمصباح الكهربائي على هذه الكرة سيساوي التدفق الضوئي نفسه على الكرة التي نصف قطرها 1 m؛ وذلك لأن العدد الكلي للأشعة الضوئية الصادرة عن المصباح لا يتغير.
وبمعرفة كمية الضوء المنبعثة من المصدر المضيء يمكنك تحديد مقدار الإضاءة التي يزودها المصدر المضيء لجسم، كالكتاب مثلًا.
إن إضاءة سطح، أو بمعنى آخر معدل اصطدام الضوء بوحدة المساحات للسطح يسمى الاستضاءة E. ويمكنك أن تفكر في هذا الأمر بوصفه مقياسًا لعدد الأشعة الضوئية التي تصطدم بسطح ما.
وتقاس الاستضاءة بوحدة اللوكس lx التي تساوي لومن لكل متر مربع:
lx = lm / m²
ما مقدار استضاءة السطح الداخلي للكرة، مستعينًا بالتركيب الموضح في الشكل 4-4؟
تحسب المساحة السطحية للكرة من خلال المعادلة:
A = 4πr²
لذا تكون المساحة السطحية لهذه الكرة:
A = 4π(1.00 m)² = 4π m²
والتدفق الضوئي الذي يصطدم بكل متر مربع من الكرة يساوي:
1750 lm / 4π m² = 139 lx
أي يسقط على بعد 1.00 m من المصباح 139 lm على كل متر مربع، لذا تكون استضاءة السطح الداخلي للكرة 139 lx.
الشكل 4-4
التدفق الضوئي يساوي معدل انبعاث الضوء من المصدر المضيء، في حين تساوي الاستضاءة معدل سقوط الضوء على السطح.
الصورة التابعة لهذه الفقرة:
الشكل_4-4_التدفق_الضوئي_والاستضاءة.png
علاقة التربيع العكسي
ماذا يحدث إذا أصبحت الكرة المحيطة بالمصباح الكهربائي أكبر؟ إذا كان نصف قطر الكرة 2.00 m سيبقى التدفق الضوئي الكلي 1750 lm، في حين تصبح مساحة سطح الكرة:
A = 4π(2.00 m)² = 16.0π m²
أي أكبر أربع مرات من مساحة سطح كرة نصف قطرها 1.00 m، كما يتضح من الشكل 4-5.
وتكون الاستضاءة داخل الكرة التي نصف قطرها 2.00 m مساوية:
1750 lm / 16.0π m² = 34.8 lx
لذا يسقط 34.8 lm على كل متر مربع.
إن الاستضاءة على السطح الداخلي للكرة التي نصف قطرها 2.00 m تساوي ربع الاستضاءة على السطح الداخلي لكرة نصف قطرها 1.00 m.
وبالطريقة نفسها تجد أن الاستضاءة على السطح الداخلي لكرة نصف قطرها 3.00 m تساوي:
(1/3)² = 1/9
من الاستضاءة على السطح الداخلي لكرة نصف قطرها 1.00 m.
ويوضح الشكل 4-5 أن الاستضاءة الناتجة بفعل مصدر ضوء نقطي تتناسب طرديًا مع:
1 / r²
وتسمى علاقة التربيع العكسي؛ أي أنه عندما تنتشر أشعة الضوء من مصدر نقطي في خطوط مستقيمة وفي الاتجاهات جميعها فإن عدد أشعة الضوء المتاحة لإضاءة وحدة المساحة تتناقص مع زيادة مربع البعد عن مصدر الضوء النقطي.
الشكل 4-5
تتغير الاستضاءة E الناتجة عن مصدر ضوء نقطي عكسيًا مع مربع البعد عنه.
الصورة التابعة لهذه الفقرة:
الشكل_4-5_علاقة_التربيع_العكسي_للاستضاءة.png
شدة الإضاءة
تحدد بعض المصادر المضيئة بوحدة الشمعة cd، والشمعة ليست مقياسًا للتدفق الضوئي؛ إنما هي مقياس لشدة الإضاءة.
وشدة الإضاءة لمصدر ضوء نقطي تساوي التدفق الضوئي الذي يسقط على مساحة مقدارها 1 m² من مساحة السطح الداخلي لكرة نصف قطرها 1 m، ولذا فإن شدة الإضاءة تساوي التدفق الضوئي مقسومًا على 4π، ويرمز لها بالرمز Iv.
والمصباح الكهربائي الذي تدفقه الضوئي يساوي 1750 lm تكون شدة إضاءته مساوية للمقدار الآتي:
Iv = 1750 lm / 4π = 139 cd
في الشكل 4-6، بعد المصباح الكهربائي عن الشاشة يساوي ضعف بعد الشمعة عنها.
ولكي يولد المصباح الكهربائي على الجانب المقابل له من الشاشة الاستضاءة نفسها التي تولدها الشمعة على الجانب المقابل لها من الشاشة يجب أن يكون سطوع المصباح الكهربائي أكبر أربع مرات من سطوع الشمعة.
لذا ينبغي أن تعادل شدة إضاءة المصباح الكهربائي أربعة أضعاف شدة إضاءة الشمعة.
الشكل 4-6
الاستضاءة متساوية على جانبي الشاشة، مع أن المصباح الكهربائي أكثر سطوعًا من الشمعة.
الصورة التابعة لهذه الفقرة:
الشكل_4-6_استضاءة_متساوية_على_جانبي_الشاشة.png
إضاءة السطوح
Illumination of Surfaces
كيف تتمكن من زيادة الاستضاءة على سطح مكتبك؟
يمكن أن تستخدم مصباحًا كهربائيًا أكثر سطوعًا يؤدي إلى زيادة التدفق الضوئي، أو أن تحرك المصدر الضوئي إلى موقع أقرب لسطح مكتبك؛ أي أنك تقلل المسافة بين المصدر الضوئي والسطح الذي يضيئه.
ولتبسيط المسألة يمكنك اعتبار المصدر الضوئي مصدرًا ضوئيًا نقطيًا، ولذا فإن كلًا من الاستضاءة والمسافة سيتبعان علاقة التربيع العكسي.
ويمكنك أيضًا تبسيط المسألة أكثر إذا اعتبرت أن الضوء المنبعث من المصدر يسقط عموديًا على سطح المكتب. وبعد هذا التبسيط يمكنك التعبير عن الاستضاءة الناتجة عن مصدر ضوء نقطي بالمعادلة الآتية:
E = P / 4πr²
الاستضاءة بفعل مصدر نقطي
إذا أضيء جسم بواسطة مصدر ضوئي نقطي فإن الاستضاءة على الجسم تساوي التدفق الضوئي للمصدر الضوئي مقسومًا على المساحة السطحية لكرة نصف قطرها يساوي بعد الجسم عن المصدر الضوئي.
ينتشر التدفق الضوئي لمصدر الضوء بصورة كروية في الاتجاهات جميعها، لذا فإن جزءًا فقط من التدفق الضوئي يكون متاحًا لإضاءة سطح المكتب.
ويكون استخدام هذه المعادلة صحيحًا، فقط إذا كان الضوء المنبعث من المصدر المضيء يسقط عموديًا على السطح الذي يضيئه.
كما أن استخدام هذه المعادلة يكون صحيحًا فقط للمصادر المضيئة التي تكون صغيرة، أو بعيدة بصورة كافية حتى يمكن اعتبارها مصادر نقطية.
لذا فإن المعادلة لا تعطي قيمًا دقيقة للاستضاءة الناتجة بفعل المصابيح الكهربائية الفلورسنتية الطويلة، أو المصابيح الكهربائية المتوهجة التي تكون قريبة من السطح الذي تضيئه.
العلاقات الطردية والعكسية
تخضع الاستضاءة المتولدة بواسطة مصدر ضوئي إلى علاقة طردية وعلاقة عكسية.
الفيزياء والرياضيات
الرياضيات
y = ax / z²
إذا كانت z ثابتة فإن y تتناسب طرديًا مع x.
- عندما تزداد x تزداد y.
- عندما تقل x تقل y.
إذا كانت x ثابتة فإن y تتناسب عكسيًا مع z².
- كلما ازدادت z² قلت y.
- كلما قلت z² ازدادت y.
في الفيزياء
E = P / 4πr²
إذا كانت r ثابتة فإن E تتناسب طرديًا مع P.
- عندما تزداد P تزداد E.
- عندما تقل P تقل E.
إذا كانت P ثابتة فإن E تتناسب عكسيًا مع r².
- كلما ازدادت r² قلت E.
- كلما قلت r² ازدادت E.
تطبيق الفيزياء
العقول المستنيرة
تحقيق كيفية اتخاذ القرارات عند الاستضاءة الصحيحة على سطوح مقاعد الطلاب، يتعين على المهندسين المعماريين أن يأخذوا بعين الاعتبار التدفق الضوئي للمصادر الضوئية وبعد المصادر عن المقاعد، كما تعد كفاءة المصادر الضوئية عاملًا اقتصاديًا مهمًا.
مثال 1
استضاءة سطح
ما الاستضاءة الواقعة على سطح المكتب في الصورة المجاورة إذا أضيء بمصباح كهربائي تدفقه الضوئي 1750 lm، علمًا بأنه موضوع على بعد 2.50 m فوق سطح المكتب؟
الصورة التابعة لهذه الفقرة:
مثال_1_استضاءة_سطح_مكتب_بمصباح_نقطي.png
1. تحليل المسألة ورسمها
افترض أن المصباح الكهربائي مصدر نقطي.
ارسم موقع المصباح والمكتب، وعين r و P.
المعلوم
P = 1.75 × 10³ lm
r = 2.50 m
المجهول
E = ?
2. إيجاد الكمية المجهولة
بما أن السطح متعامد مع اتجاه انتقال الشعاع الضوئي، لذا يمكنك أن تطبق معادلة الاستضاءة بفعل المصدر النقطي:
E = P / 4πr²
عوّض مستخدمًا:
P = 1.75 × 10³ lm
r = 2.50 m
E = (1.75 × 10³ lm) / 4π(2.50 m)²
E = 22.3 lm/m²
E = 22.3 lx
3. تقويم الجواب
هل الوحدات صحيحة؟
إن وحدات الاستضاءة:
lx = lm/m²
تتفق مع الإجابة.
هل للإشارات معنى؟
المقادير كلها موجبة، كما يجب أن تكون.
هل الجواب منطقي؟
إن الاستضاءة أقل من التدفق الضوئي، والتي ينبغي أن تكون عند هذه المسافة.
مسائل تدريبية
1
تحرك مصباح فوق صفحات كتاب من مسافة 30 cm إلى 90 cm. قارن بين استضاءة الكتاب قبل الحركة وبعدها.
2
ارسم المنحنى البياني للاستضاءة المتولدة بواسطة مصباح ضوئي متوهج قدرته 150 W بين 0.50 m و 5.0 m.
3
مصدر ضوئي نقطي شدة إضاءته 64 cd يقع على ارتفاع 3.0 m فوق سطح مكتب. ما الاستضاءة على سطح المكتب بوحدة لوكس lx؟
4
يتطلب قانون المدارس الحكومية أن تكون الاستضاءة الصغرى 160 lx على سطح كل مقعد. وتقتضي المواصفات التي يوصي بها المهندسون المعماريون أن تكون المصابيح الكهربائية على بعد 2.0 m فوق المقاعد. ما مقدار أقل تدفق ضوئي تولده المصابيح الكهربائية؟
5
وضعت شاشة بين مصباحين كهربائيين يضيئانها بالتساوي، كما في الشكل 4-7. فإذا كان التدفق الضوئي للمصباح الأول 1445 lm عندما كان يبعد مسافة 2.5 m عن الشاشة فما بعد المصباح الثاني عن الشاشة إذا كان تدفقه الضوئي 2375 lm؟
الشكل 4-7
الصورة التابعة لهذه الفقرة:
الشكل_4-7_شاشة_بين_مصباحين_كهربائيين.png
تصميم أنظمة الإنارة
يتعين على مصممي أنظمة الإنارة معرفة كيف يستخدم الضوء. فإذا كان المطلوب هو الحصول على إضاءة منتظمة لتجنب المساحات المظلمة فإن التصميم المناسب هو توزيع مصادر الإضاءة على المساحة المطلوب إنارتها بحيث تكون المسافات بينها متساوية، كما هو معمول به في إنارة غرفة الصف.
ولأن بعض مصادر الإضاءة لا تولد فعليًا ضوءًا موزعًا بالتساوي فإن المهندسين يصممون مصادر ضوئية خاصة؛ وذلك للتحكم في توزيع الإضاءة وانتشارها؛ فمثلًا ينفذون أنظمة إنارة موزعة بانتظام على مساحات كبيرة. وقد بذلت جهود كبيرة في هذا المجال، وخصوصًا للمصابيح الأمامية في السيارات.
سرعة الضوء
The Speed of Light
يتطلب انتقال الضوء من المصدر إلى الجسم المراد إضاءته أن يقطع الضوء مسافة معينة. فإذا استطعت قياس هذه المسافة والزمن الذي يستغرقه الضوء لقطعها فإنه يمكنك قياس السرعة، وذلك اعتمادًا على الميكانيكا الكلاسيكية.
كان معظم الناس قبل القرن السابع عشر يعتقدون أن الضوء ينتقل لحظيًا، وكان العالم جاليليو أول من افترض أن للضوء سرعة محددة، فاقترح طريقة لقياس سرعته مستخدمًا مفهومي المسافة والزمن. وعلى الرغم من أن طريقته كانت غير دقيقة بالقدر الكافي إلا أنه استنتج أن سرعة الضوء كبيرة جدًا، مما يحول دون قياسها عبر مسافة عدة كيلومترات.
كان الفلكي الدنماركي أولي رومر أول من أكد أن الضوء ينتقل بسرعة يمكن قياسها. حيث أجرى رومر 70 قياسًا بين عامي 1668 و 1674 حول الزمن الدوري للقمر Io، أحد أقمار كوكب المشتري، والذي يساوي 1.8 day.
فرصد الأزمنة عندما كان القمر Io يخرج من منطقة ظل المشتري كما في الشكل 4-8. وقد أجرى قياساته بوصفها جزءًا من مشروع كان يهدف إلى تحسين الخرائط، وذلك بحساب خطوط الطول لبعض المواقع على سطح الأرض. وكان هذا مثالًا مبكرًا على أهمية التقنية المتطورة في دفع عجلة التقدم العلمي.
الشكل 4-8
قاس رومر الفترة الزمنية بين خسوفين من اللحظة التي يبزغ فيها القمر Io من منطقة ظل المشتري. وخلال عدد من خسوفات القمر المتعاقبة وجد أن الزمن الدوري يصبح أكبر أو أصغر بصورة متزايدة اعتمادًا على حركة الأرض فيما إذا كانت مقتربة، من الموقع 3 إلى الموقع 1، أو مبتعدة، من الموقع 1 إلى الموقع 3، من المشتري.
التوضيح ليس بمقياس رسم.
الصورة التابعة لهذه الفقرة:
الشكل_4-8_طريقة_رومر_لقياس_سرعة_الضوء.png
استطاع رومر بعد إجراء بعض القياسات أن يتوقع وقت حدوث خسوف القمر Io، وقارن توقعاته بالأزمنة المقيسة فعليًا، وتوصل إلى أن زمن دوران القمر Io يزداد بمعدل 13 s لكل دورة تقريبًا عندما تتحرك الأرض مبتعدة عن المشتري، ويقل بمعدل 13 s لكل دورة عندما تتحرك الأرض مقتربة من المشتري.
واعتقد رومر أن أقمار كوكب المشتري منتظمة الحركة في مداراتها كقمر الأرض تمامًا، لذا أخذ يبحث عن السبب الذي يؤدي إلى هذا الفرق في قياسات الزمن الدوري للقمر Io.
قياسات سرعة الضوء
استنتج العالم رومر أنه عندما تتحرك الأرض مبتعدة عن كوكب المشتري فإن الضوء القادم عند كل ظهور للقمر Io يستغرق وقتًا أطول حتى يصل إلى الأرض؛ وذلك لازدياد البعد بين المشتري والأرض.
وبطريقة مماثلة عندما تقترب الأرض من المشتري فإن الزمن الدوري للقمر Io يبدو متناقصًا.
وقد لاحظ رومر أنه خلال 182.5 يوماً ، وهو الزمن الذي يتطلبه انتقال الأرض من الموقع 1 إلى الموقع 3 كما في الشكل 4-8، حدث 103 خسوفات Io، وذلك وفقًا للحساب الآتي:
(185.2 days)(خسوف واحد للقمر Io / 1.8 days) = 103
وقد أجرى رومر حسابات متعلقة بانتقال الضوء مسافة تعادل قطر مدار الأرض، فوجد أنه يحتاج إلى:
(103 خسوفات)(13 s / خسوف) = 22 min أو 1.3 × 10³ s
وباستخدام القيمة المعروفة حاليًا لقطر مدار الأرض:
2.9 × 10¹¹ m
فإن قيمة رومر 22 min تعطي سرعة الضوء الآتية:
(2.9 × 10¹¹ m) / [(22 min)(60 s/min)] = 2.2 × 10⁸ m/s
وعرفت سرعة الضوء في الوقت الحاضر بأنها تساوي تقريبًا:
3.0 × 10⁸ m/s
ولذلك يحتاج الضوء إلى 16.5 min، وليس إلى 22 min، ليقطع مسافة تعادل قطر مدار الأرض.
وتكمن أهمية التجربة في أن رومر استطاع بنجاح إثبات انتقال الضوء بسرعة محددة.
على الرغم من أن الكثير من القياسات أجريت لتحديد سرعة الضوء، إلا أن أبرزها تلك التي أجراها الفيزيائي الأمريكي ألبرت ميكلسون بين عامي 1880 و 1920، فقد طور تقنيات حديثة لقياس سرعة الضوء.
وفي عام 1926 قاس مايكلسون الزمن الذي يحتاج إليه الضوء لقطع مسافة 35 km ذهابًا وإيابًا بين جبلين في كاليفورنيا، حيث استخدم مجموعة من المرايا الدوارة لقياس مثل هذه الفترات الزمنية الصغيرة، وكانت أفضل نتيجة حصل عليها لسرعة الضوء:
(2.997996 ± 0.00004) × 10⁸ m/s
وبناءً على هذا الإنجاز، كان أول عالم أمريكي يحصل على جائزة نوبل في العلوم.
إثراء: جائزة الملك فيصل
المصدر: موقع جائزة الملك فيصل / فرع العلوم.
منح البروفيسور ساجيف جون جائزة الملك فيصل لعام 1421هـ / 2001م؛ وذلك لاقتراحه طريقة جديدة لمعالجة المعلومات ونقلها من مكان إلى آخر بوسائل ضوئية.
وقد نجحت مجموعات عدة من الفيزيائيين في مناطق مختلفة من العالم، في وضع آرائه موضوع التنفيذ.
وإذا بلغت هذه المحاولات غاياتها فسيصبح من الممكن الاستغناء عن استعمال الإلكترونات في نقل الإشارات داخل أجهزة الحواسيب والاتصالات ليحل محلها الضوء، وسوف يؤدي ذلك إلى صنع أجهزة أسرع وأرخص وأكثر قدرة، فتتغير بذلك صناعة الحواسيب والاتصالات تغيرًا جذريًا.
الصورة التابعة لهذه الفقرة:
اثرائيات_جائزة_الملك_فيصل_ساجيف_جون.png
قيمة سرعة الضوء في الفراغ
إن قيمة سرعة الضوء في الفراغ مهمة جدًا، ويرمز إليها بالرمز c.
واعتمادًا على الطبيعة الموجية للضوء، والتي ستدرسها في الجزء القادم فإن اللجنة الدولية للأوزان والمقاييس قامت بقياس سرعة الضوء في الفراغ فكانت:
c = 299,792,458 m/s
وتستخدم في كثير من الحسابات القيمة:
c = 3.00 × 10⁸ m/s
إذ تكون دقيقة بصورة كافية.
وبهذه السرعة ينتقل الضوء مسافة:
9.46 × 10¹² km
في السنة، حيث تسمى هذه المسافة السنة الضوئية.
4-1 مراجعة
6. الاستضاءة
هل يولد مصباح كهربائي واحد استضاءة أكبر من مصباحين مماثلين يقعان على ضعف بعد مسافة المصباح الأول؟ وضح إجابتك.
7. المسافة التي يقطعها الضوء
يمكن إيجاد بعد القمر باستخدام مجموعة من المرايا وضعها رواد الفضاء على سطح القمر. فإذا تم إرسال نبضة ضوء إلى القمر وعادت إلى الأرض خلال 2.562 s، فاحسب المسافة بين الأرض وسطح القمر، مستخدمًا القيمة المقيسة لسرعة الضوء.
8. شدة الإضاءة
يضيء مصباحان شاشة بالتساوي بحيث يقع المصباح A على بعد 5.0 m، ويقع المصباح B على بعد 3.0 m. فإذا كانت شدة إضاءة المصباح A تساوي 75 cd، فما شدة إضاءة المصباح B؟
9. بعد المصدر الضوئي
افترض أن مصباحًا كهربائيًا يضيء سطح مكتبك ويولد فقط نصف الاستضاءة المطلوبة. فإذا كان المصباح يبعد حاليًا مسافة 1.0 m، فكم ينبغي أن يكون بعده ليولد الاستضاءة المطلوبة؟
10. التفكير الناقد
استخدم الزمن الصحيح الذي يحتاج إليه الضوء لقطع مسافة تعادل قطر مدار الأرض والذي يساوي 16.5 min، وقطر مدار الأرض 2.98 × 10¹¹ m، وذلك لحساب سرعة الضوء باستخدام طريقة رومر. هل تبدو هذه الطريقة دقيقة؟ لماذا؟
جاري تحضير الدرس المعاد صياغته وبناء الأنماط
نحافظ على المعنى العلمي ونربط كل فقرة بنواتجها ومفاهيمها.
إعادة إنتاج الدرس حسب نمط التعلم
طلب واحد ينتج المسارات البصري والسمعي والحركي والقرائي معًا، بصياغة تراعي سياق المناهج السعودية.
اختر نمط التعلم
تُنتج الأنماط الأربعة دفعة واحدة، ثم تُستدعى الحزمة المحفوظة في الزيارات التالية.