حل الفصل الأول أساسيات الضوء فيزياء 3 نظام المقررات
الاستضاءة
حل المسائل التدريبية لدرس الاستضاءة
السؤال : تحرك مصباح فوق صفحات كتاب بدءا من مسافة 30.0 cm إلى 90.0 cm . قارن بين استضاءة الكتاب قبل الحركة وبعدها .
الجواب :
بعد تحرك المصباح الكهربائي فإن الاستضاءة تعادل 1/9 الاستضاءة الأصلية .
السؤال : ارسم المنحنى البياني للاستضاءة المتولدة بواسطة مصباح متوهج قدرته 150 W بين 0.50 m و 5.0 m .
الجواب :
السؤال : مصدر ضوئي نقطي شدة إضاءته 64 cd يقع على ارتفاع 3.0 m فوق سطح مكتب . ما الاستضاءة على سطح المكتب بوحدة لوكس (lx) ؟
الجواب :
السؤال : يتطلب قانون المدارس الحكومية أن تكون الاستضاءة الصغرى 160 lx على سطح كل مقعد . وتقتني 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 على بعد 2.0 m فوق المقاعد . ما مقدار أقل تدفق ضوئي تولده المصابيح الكهربائية ؟
الجواب :
السؤال : وضعت شاشة بين مصباحين كهربائيين يضيئانها بالتساوي ، كما في الشكل 9-7 . 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 ؟
الجواب :
مراجعة
حل أسئلة المراجعة درس الاستضاءة – أساسيات الضوء
السؤال : الاستضاءة هل يوجد مصباح كهربائي واحد إضاءة أكبر من مصباحين مماثلين يقعان على ضعف بعد مسافة المصباح الأول ؟ وضح ذلك .
الجواب :يولد مصباح واحد استضاءة أكبر مرتين من الاستضاءة التي يولدها مصباحان مماثلان معا يقعان عند ضعف المسافة .
السؤال : المسافة التي يقطعها الضوء يمكن إيجاد بعد القمر باستخدام مجموعة من المرايا يحملها رواد الفضاء على سطح القمر . فإذا تم إرسال نبضة ضوء إلى القمر وعادت إلى الأرض خلال 2.562 s ، فاحسب المسافة بين الأرض و سطح القمر ، مستخدما القيمة المقيسة لسرعة الضوء .
الجواب :
السؤال : 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 75 cd A ، فما شدة إضاءة المصباح B ؟
الجواب :
السؤال : بعد المصدر الضوئي افتراض أن مصباحا كهربائيا يضيء سطح مكتبك ويولد فقط نصف الاستضاءة المطلوبة . فإذا كان المصباح يبعد حاليا مسافة 1.0 m فكم ينبغي أن يكون بعده ليولد الاستضاءة المطلوبة ؟
الجواب :
بما أن الاستضاءة تعتمد على 1/d2 فإن :
السؤال : التفكير الناقد استخدم الزمن الصحيح الذي يحتاج إليه الضوء ليقطع مسافة تعادل قطر مدار الأرض و الذي يساوي 16.5 min ، و قطر مدار الأرض 3.00 x1011 m ، و ذلك لحساب سرعة الضوء باستخدام طريقة رومر . هل تبدو هذه الطريقة دقيقة ؟ لماذا ؟
الجواب :
الطبيعة الموجية للضوء
حل المسائل التدريبية لدرس الطبيعة الموجية للضوء
السؤال : ما المقصود بالألوان المتتامة ؟
الجواب : تراكب لونين ضوئين لأنتاج اللون الأبيض .
السؤال : ما تردد خط طيف الأكسجين إذا كان طوله الموجي 513 nm ؟
الجواب :
السؤال : تتحرك ذرة هيدروجين في مجرة بسرعة 6.55x106 m/s مبتعدة عن الأرض ، وتبعث ضوءا بتردد 6.16 x1014 Hz . ما التردد الذي سيلاحظه فلكي على الأرض للضوء المنبعث من ذرة الهيدروجين ؟
الجواب :
السؤال : ينظر فلكي إلى طيف مجرة ، فيجد أن هناك خطا لطيف الاكسجين بالطول الموجي 525 nm ، في حين أن القيمة المقيسة في المختبر تساوي 513 nm ، احسب سرعة تحرك المجرة بالنسبة للأرض ، ووضح ما إذا كانت المجرة تتحرك مقتربة من الأرض او مبتعدة عنها . وكيف تعرف ذلك ؟
الجواب :
و يبدو الطول الموجي المراقب ( الظاهري ) أكبر من الطول الموجي الحقيقي لخط طيف الأكسجين . هذا يعني أن الفلكي والمجرة يتحركان مبتعدا أحدهما عن الآخر .
مراجعة
حل أسئلة المراجعة لدرس الطبيعة الموجية للضوء
السؤال : مزج ألوان الضوء ما لون الضوء الذي يجب أن يتحد مع الضوء الأزرق للحصول على الضوء الأبيض ؟
الجواب : الأصفر ( مزيج من اللونين الأساسيين الأخرين ، الأحمر والأخضر )
السؤال : تفاعل الضوء مع الصبغة ما اللون الذي يظهر به الموز الأصفر عندما يضاء بواسطة كل مما يأتي ؟
a. الضوء الأبيض
b. الضوء الأخضر والضوء الأحمر معا
c. الضوء الأزرق
الجواب :
a. الأصفر
b. الأصفر
c. الأسود
السؤال : الخصائص الموجية للضوء سرعة الضوء الأحمر في الهواء والماء أقل من سرعته في الفراغ . فإذا علمت أن التردد لا يتغير عندما يدخل الضوء الأحمر في الماء ، فهل يتغير الطول الموجي ؟ إذا كان هناك تغير فكيف يكون ؟
الجواب : نعم ، لأن λ = v/f , v =λ f ، لذا فعندما تقل v فإن λ تقل أيضا .
السؤال : مزج الأصباغ ما الألوان الأساسية للأصباغ التي يجب أن تمزج لإنتاج اللون الأحمر ؟ وضح كيف ينتج اللون الأحمر باختزال لون من ألوان الصبغة ؟
الجواب : تستخدم الصبغتان الصفراء ، والحمراء المزرقة ( الارجواني ) في غنتاج اللون الأحمر . فالصبغة الصفراء تختزل اللون الأزرق وصبغة الأحمر المزرق تختزل اللون الأخضر ، ولا تختزل أي منهما اللون الأحمر لذا سيعكس المزيج اللون الأحمر .
السؤال : الاستقطاب صف تجربة بسيطة يمكنك إجراؤها لتحديد ما إذا كانت النظارات الشمسية المتوافرة في المتجر مستقطبة أم لا ؟
الجواب : تحقق ما إذا كانت النظارات تقلل من السطوع الصادر عن السطوح العاكسة ، ومنها النوافذ و الطرق المعبدة . ويستفيد المصورون الفوتوغرافيون من استقطاب الضوء المنعكس بتصوير الأجسام لحظة التخلص من السطوع .
السؤال : التفكير الناقد توصل الفلكيوم إلى أن مجرة الأندروميدا ، وهي المجرة القريبة من مجرتنا ( مجرة درب التبانة ) ، تتحرك في اتجاه مجرتنا . وضح كيف تمكن العلماء من تحديد ذلك . وهل يمكنك التفكير في دليل محتمل لاقتراب مجرة الاندروميدا من مجرتنا ؟
الجواب : خطوط طيف الانبعاث للذرات المعروفة مزاحة نحو الأزرق في الضوء الذي نراه قادما من مجرة الأندروميدا . لذا ، فإن مجرة الأندروميدا تتحرك في اتجاه مجرتنا ، و ذلك بسبب قوة الجاذبية . وقد تكون المجرتان متحركتين في مدار متذبذب بعضها حول بعض .
حل أسئلة التقويم للفصل الأول ( أساسيات الضوء )
خريطة المفاهيم
السؤال : أكمل خريطة المفاهيم التالية باستخدام المصطلحات التالية :
الموجة ، C ، تأثير دوبلر ، الاستقطاب :
الجواب :
إتقان المفاهيم
السؤال : لا ينتقل الصوت خلال الفراغ ، فكيف تعرف أن الضوء ينتقل في الفراغ ؟
الجواب : يصل ضوء الشمس إلينا من خلال الفراغ .
السؤال : فرق بين المصدر المضيء والمصدر المستضيء ( المضاء ) .
الجواب :يبعث الجسم المضيء الضوء أما الجسم المستضيء ( المضاء ) فهو ذلك الجسم الذي يسقط عليه الضوء ثم ينعكس .
السؤال : انظر بعناية إلى مصباح متوهج تقليدي . هل هو مصدر مضيء أم مصدر مستضيء ؟
الجواب : إنه مضاء بصورة رئيسية ، فالفتيلة مضيئة ، أما زجاج المصباح فهو مستضيء ( مضاء )
السؤال : وضح كيف يمكنك رؤية الأجسام العادية غير المضيئة في غرفة الصف ؟
الجواب : ترى الأجسام العادية غير المضيئة عن طريق عكسها للضوء .
السؤال : فرق بين الأجسام الشفافة وشبه الشفافة وغير الشفافة ( المعتمة ) .
الجواب : يمر الضوء من خلال الوسط الشفاف دون تشوه ونرى الأجسام من خلاله ، ويمرر الوسط شبه الشفاف الضوء إلا أنه يشوهه ، لذلك لا يمكن تمييز الأجسام عند النظر إليها من خلاله ، أما الوسط المعتم فلا يمرر الضوء ولا نرى الاجسام من خلاله .
السؤال : ما الذي يتناسب طرديا مع استضاءة سطح بمصدر ضوئي ؟ وما الذي يتناسب معه عكسيا ؟
الجواب :تتناسب الاستضاءة على سطح ما طرديا مع شدة إضاءة مصدر الضوء وتتناسب عكسيا مع مربع المسافة بين السطح ومصدر الضوء .
السؤال : . ما افتراض جالليو بالنسبة لسرعة الضوء ؟
الجواب : سرعة الضوء كبيرة جدا إلا أنها محددة .
السؤال : لماذا يعد حيود الموجات الصوتية أكثر شيوعا في الحياة اليومية من حيود الموجات الضوئية ؟
الجواب :يكون الحيود أكثر وضوحا حول العوائق التي تكون أبعادها مساوية للطول الموجي للموجة تقريبا . وأغلب العوائق التي حولنا ذات أبعاد تحيد موجات الصوت ذات الطول الموجي الكبير .
السؤال : ما لون الضوء الذي لديه أقصر طول موجي ؟
الجواب : الضوء البنفسجي .
السؤال : ما مدى الأطوال الموجية للضوء ، بدءا من الأقصر إلى الأطول ؟
الجواب : 400 nm إلى 700 nm .
السؤال : ما الألوان التي يتكون منها الضوء الأبيض ؟
الجواب :يتركب الضوء الأبيض من الألوان جميعها ، أو من الألوان الأساسية على الأقل .
السؤال : لماذا يظهر جسم ما باللون الأسود ؟
الجواب :يظهر الجسم باللون الأسود ، لان قليلا من الضوء – إن وجد – ينعكس عن الجسم
السؤال : هل يمكن أن تكون الموجات الطولية مستقطبة ؟ وضح إجابتك .
الجواب : لا ، لأنه ليس لها مركبات مستعرضة .
السؤال : تبعث مجرة بعيدة خطا طيفيا في منطقة اللون الأخضر من الطيف الضوئي ، فهل ينزاح الطول الموجي المراقب على الأرض إلى الضوء الأحمر أو إلى الضوء الأزرق ؟ وضح إجابتك .
الجواب : لأن المجرة بعيدة فستبدو أنها تتحرك مبتعدة عن الأرض ، وسيزاح الطول الموجي في اتجاه اللون الأحمر ذي الطول الموجي الكبير .
السؤال : . ماذا يحدث للطول الموجي للضوء عندما يزداد تردده ؟
الجواب : كلما ازداد التردد قل الطول الموجي .
تطبيق المفاهيم
السؤال : يقع مصدر ضوء نقطي على بعد 2.0 m من الشاشة A ، وعلى بعد 4.0 m من شاشة B ، كما يتضح من الشكل التالي . قارن بين الاستضاءة على الشاشة B والاستضاءة على الشاشة A ؟
الجواب : الاستضاءة
، لذلك ستكون الاستضاءة عند الشاشة B ربع الاستضاءة عند الشاشة A .
السؤال : مصباح الدراسة يبعد مصباح صغير مسافة 35 cm من صفحات كتاب ، فإذا ضاعفت المسافة :
a. فهل تبقى الاستضاءة على الكتاب هي نفسها دون تغيير ؟
b. إذا لم تكن كذلك فكم تكون أكبر أو أصغر ؟
الجواب :
a. لا .
b. الاستضاءة على بعد 35 cm أكبر ، وتكون الاستضاءة عند مضاعفة المسافة 1/4 القيمة الأولى
السؤال : لماذا يطلى السطح الداخلي للمناظير وآلات التصوير باللون الأسود ؟
الجواب : يطلى السطح الداخلي باللون الأسود لأنه لا يعكس أي كمية من الضوء ، ولذلك لن يكون هناك تداخل للضوء في أثناء مشاهدة الأجسام أو في اثناء تصويرها .
السؤال : لون إضاءة الشوارع تحتوي بعض مصابيح الشوارع الفعالة جدا على بخار الصوديوم تحت ضغط عال . وتنتج هذه المصابيح ضوءا معظمه أصفر وجزء قليل منه أحمر . هل تستخدم المجتمعات التي فيها مثل هذه المصابيح سيارات شرطة ذات لون أزرق داكن ؟ ولماذا ؟
الجواب :لن تكون سيارات الشرطة ذات اللون الأزرق الداكن مرئية ، لأنها تمتص الضوء الأحمر والضوء الأصفر . ويتعين عليهم شراء سيارات صفراء أو طلاء سياراتهم باللون الأصفر ، حيث ستكون مرئية بدرجة كبيرة .
ارجع إلى الشكل التالي عند حل المسألتين التاليتين .
السؤال : ماذا يحدث للاستضاءة على صفحات الكتاب عند تحريك المصباح بعيدا عن الكتاب ؟
الجواب : تتناقص الاستضاءة كما تم وصفها بواسطة قانون التربيع العكسي .
السؤال : ماذا يحدث لشدة استضاءة المصباح عند تحريكه بعيدا عن الكتاب ؟
الجواب : لا يوجد تغير ، لا تؤثر المسافة في شدة الإضاءة .
السؤال : الصور المستقطبة يضع مصورو الفوتوجراف مرشحات استقطاب فوق عدسات الكاميرا لكي تبدو الغيوم أكثر وضوحا ، فتبقى الغيوم بيضاء في حين تبدو السماء داكنة بصورة أكبر . وضح ذلك معتمدا على معرفتك بالضوء المستقطب .
الجواب : يعد الضوء المشتت من الغلاف الجوي ضوءا مستقطبا ، إلا أن الضوء المشتت عن الغيوم غير مستقطب . يقلل المصور كمية الضوء المستقطب الذي يصل إلى الفيلم عن طريق تدوير المرشح .
السؤال : إذا كان لديك الأصبغ التالية : الصفراء والزرقاء الداكنة والحمراء المزرقة فكيف تستطيع عمل صبغة زرقاء اللون ؟ وضح إجابتك .
الجواب : مزيج الصبغة الزرقاء الداكنة والصبغة الحمراء المزرقة (الارجوانية) .
السؤال : إذا وضعت قطعة سلوفان حمراء على مصباح يدوي ، ووضعت قطعة سلوفان خضراء على مصباح آخر ، وسلطت حزما ضوئية على حائط أبيض اللون فما الألوان التي ستراها عندما تتراكب الحزم الضوئية للمصباحين ؟
الجواب : الأصفر .
السؤال : تبدو التفاحة حمراء لأنها تعكس الضوء الأحمر وتمتص الضوء الأزرق والأخضر .
a. لماذا يظهر السلوفان الأحمر أحمر اللون عند النظر إليه من خلال الضوء المنعكس ؟
b. لماذا يظهر مصباح الضوء الأبيض أحمر اللون عند النظر إليه من خلال السلوفان الأحمر ؟
c. ماذا يحدث للضوء الأزرق والضوء الأخضر ؟
الجواب :
a. يعكس السلوفان الضوء الأحمر ، ويمتص أو يمرر الضوأين الأزرق والاخضر .
b. يمرر السلوفان الضوء الأحمر .
c. تم امتصاص الضوء الأزرق والضوء الأخضر .
السؤال : في المسألة السابقة ، إذا وضعت قطعتي السلوفان الحمراء والخضراء على أحد المصباحين ، وسلطت حزمة ضوئية منه على حائط أبيض اللون ، فما اللون الذي ستراه ؟ وضح إجابتك .
الجواب : الأسود ، غالبا لا ينفذ ضوء ، لان الضوء المار من خلال المرشح الأول يمتص بواسطة المرشح الثاني .
السؤال : مخالفة السير هب أنك شرطي مرور ، وأوقف سائقا تجاوز الإشارة الحمراء ، وافترض أيضا أن السائق وضح لك من خلال رسم الشكل التالي أن الضوء كان يبدو أخضر بسبب تأثير دوبلر عندما قطع الإشارة . وضح له مستخدما إزاحة دوبلر / كم يجب أن تكون سرعته حتى يبدو الضوء الأحمر (λ = 645 nm) على شكل ضوء أخضر (λ = 545 nm) . تلميح : افترض لحل هذه المسألة أن معادلة إزاحة دوبلر يمكن تطبيقها عند هذه السرعة .
الجواب :
يجب أن تكون سرعة السيارة 4.65 x 107 m/s .
إتقان حل المسائل
1-1 الاستضاءة
السؤال : أوجد الاستضاءة على مسافة 4.0 m أسفل مصباح تدفقه الضوئي 405 lm .
الجواب :
السؤال : يحتاج الضوء إلى زمن مقداره 1.28 s لينتقل من القمر إلى الأرض . فما مقدار المسافة بينهما ؟
الجواب :
السؤال : يستهلك مصباح كهربائي ثلاثي الضبط قدرة كهربائية 150 W ، 100 W ، 50 W لإنتاج تدفق ضوئي 2285 lm ، 1620 lm ، 665 lm في أزرار ضبطه الثلاثة . وضع المصباح على بعد 80 cm فوق ورقة . إذا كانت أقل استضاءة لازمة لإضاءة الورقة هي 175 lx ، فما أقل زر ضبط ينبغي أن يستخدم ؟
الجواب :
يجب ضبطه على ( 1620 lm ) 100 W .
السؤال : سرعة الأرض وجد العالم أولي رومر أن متوسط زيادة التأخير في اختفاء القمر Io أثناء دورانه حول المشتري من دورة إلى التي تليها يساوي 13s ، فأجب عما يلي :
a. ما المسافة التي يقطعها الضوء خلال 13 s ؟
b. تحتاج كل دورة للقمر Io إلى 42.5 h ، وتتحرك الأرض المسافة المحسوبة في الفرع a خلال 42.5 h . أوجد سرعة الأرض بوحدة km/s .
c. تحقق أن إجابتك للفرع b منطقية ، و احسب سرعة الأرض في المدار مستخدما نصف قطر المدار 1.5 x 108 km والفترة 1.0 yr .
الجواب :
a. 3.9 x 109 m
b.
c.
السؤال : يريد أحد الطلبة مقارنة التدفق الضوئي لمصباح ضوئي يدوي بمصباح آخر تدفقه الضوئي 1750 lm ، و كان كل منهما يضيء ورقة بالتساوي . فإذا كان المصباح 1750 lm يقع على بعد 1.25 m من الورقة ، في حين كان المصباح الضوئي اليدوي يقع على بعد 1.08 m ، فاحسب التدفق الضوئي للمصباح اليدوي .
الجواب :
السؤال : افترض أنك أردت قياس سرعة الضوء ، وذلك بوضع مرآة على قمة جبل بعيد ، ثم قمت بضغط زر وميض آلة تصوير وقياس الزمن الذي احتاج إليه الوميض لينعكس عن المرآة ويعود إليك ، كما موضح في الشكل التالي . وتمكن شخص من تحديد فترة زمنية مقدارها 0.10 s تقريبا دون استخدام أجهزة . ما بعد المرآة عنك ؟ قارن بين هذه المسافة وبعض المسافات المعروفة .
الجواب :تكون المرآة عند منتصف المسافة التي ينتقلها الضوء خلال 0.10 s ، أي 15000 km مبتعدا . وهذه المسافة تمثل 3/8 محيط الأرض ، حيث إن محيط الأرض يساوي 40000 km .
1-2 الطبيعة الموجية للضوء
السؤال : حول الطول الموجي للضوء الأحمر 700 nm إلى وحدة الأمتار .
الجواب :
السؤال : حركة المجرة ما السرعة التي تتحرك بها مجرة بالنسبة للأرض ، إذا كان خط طيف الهيدروجين 486 nm قد أزيح نحو الأحمر 491 nm ؟
الجواب :
السؤال : النظارات الشمسية المستقطبة في أي اتجاه يجب توجيه محور النفاذ للنظارات الشمسية المستقطبة للتخلص من الوهج الصادر عن سطح الطريق : في الاتجاه الراسي أم الأفقي ؟ فسر إجابتك .
الجواب :يجب أن يتجه محور النفاذ رأسيا ، لان الضوء المنعكس عن الطريق يكون مستقطبا جزئيا في الاتجاه الافقي ، فلا يمرر محور النفاذ الراسي الموجات الأفقية .
السؤال : حركة المجرة إذا كان خط طيف عنصر الهيدروجين المعروف بطول موجي 434 nm مزاحا نحو الأحمر بنسبة 6.50% في الضوء القادم من مجرة بعيدة فما سرعة ابتعاد المجرة عن الأرض ؟
الجواب :
السؤال : لأي خط طيفي ، ما القيمة غير الحقيقية للطول الموجي الظاهري لمجرة تتحرك مبتعدة عن الأرض ؟ و لماذا ؟
الجواب : إن القيمة غير الحقيقية للطول الموجي هي التي تجعل المجرة تبدو لنا وكأنها تتحرك بسرعة قريبة من سرعة الضوء أو اكبر منها . وباستخدام معادلة إزاحة دوبلر لسرعة قليلة تعطي طولا موجيا ظاهريا مقداره2λ . لذا أي طول موجي ظاهري قريب أو أكبر من ضعف الطول الموجي الحقيقي سيكون غير حقيقي .
السؤال : افترض أنك كنت تتجه إلى الشرق عند شروق الشمس . وينعكس ضوء الشمس عن سطح بحيرة ، كما في الشكل التالي ، فهل الضوء المنعكس مستقطب ؟ إذا كان كذلك ففي أي اتجاه ؟
الجواب :الضوء المنعكس مستقطب جزئيا في اتجاه مواز لسطح البحيرة ، ومتعامد مع اتجاه انتشار الضوء من البحيرة إلى عينيك .
مراجعة عامة
السؤال : إضاءة مصابيح الطرق عمود إنارة يحتوي مصباحين متماثلين يرتفعان 3.3 m عن سطح الأرض . فإذا أراد مهندسو البلدية توفير الطاقة الكهربائية وذلك بإزالة أحد المصباحين ، فكم يجب أن يكون ارتفاع المصباح المتبقي عن الأرض لإعطاء الاستضاءة نفيها على الأرض ؟
الجواب :
السؤال : مصدر ضوء نقطي شدة إضاءته 10.0 cd ويبعد 6.0 m عن جدار . كم يبعد مصباح آخر شدة إضاءته 60.0 cd عن الجدار إذا كانت إستضاءة المصباحين متساوية عنده ؟
الجواب :
السؤال : الرعد والبرق وضح لماذا تحتاج إلى 5s لسماع الرعد عندما يبعد البرق مسافة 1.6 km .
الجواب : لا يحتاج الضوء إلى زمن يذكر (5.3 us) ، بينما يحتاج الصوت إلى 4.7 s .
السؤال : الدوران الشمسي لأن الشمس تدور حول محورها فإن أحد جوانب الشمس ستحرك في اتجاه الأرض ، أما الجانب الآخر فيتحرك مبتعدا عنها . وتكمل الشمس دورة كاملة كل 25 يوما تقريبا ، ويبلغ قطرها 1.4x109 m . فغذا بعث عنصر الهيدروجين في الشمس ضوءا بتردد 6.16 x 1014 Hz من كلا الجانبين فما التغير في الطول الموجي المراقب ؟
الجواب :
التفكير الناقد
السؤال : ابحث لماذا لم يتمكن جاليليو من قياس سرعة الضوء ؟
الجواب : لأنه لم يكن قادرا على قياس الفترات الزمنية الصغيرة المتضمنة في قياس المسافات التي يقطعها الضوء بين نقطتين على سطح الأرض .
السؤال : إنشاء الرسوم البيانية واستخدامها يبعد مصدر ضوئي شدة إضاءته 110 cd مسافة 1.0 m عن شاشة . حدد الاستضاءة على الشاشة في البداية ، وأيضا عند كل متر تزداد فيه المسافة حتى 7.0 m ، ومثل البيانات بيانيا .
a. ما شكل المنحنى البياني ؟
b. ما العلاقة بين الاستضاءة و المسافة الموضحة بواسطة الرسم البياني ؟
الجواب :
a. القطع الزائد
b. تربيع عكسي
السؤال : . حلل واستنتج إذا كنت تقود سيارتك عند الغروب في مدينة مزدحمة ببنايات جدرانها مغطاة بالزجاج ، حيث يؤدي ضوء الشمس المنعكس عن الجدران إلى انعدام الرؤيا لديك مؤقتا . فهل تحل النظارات المستقطبة هذه المشكلة ؟
الجواب : نعم ، الضوء المنعكس مستقطب جزئيا ، لذلك ستقل نظارات الاستقطاب من السطوع أو الوهج إذا رتيت محاور استقطابها بصورة صحيحة .
الكتابة في الفيزياء
السؤال : اكتب مقالا تصف فيه تاريخ المعرفة البشرية المتعلقة بسرعة الضوء ، وضمنه إنجازات العلماء المهمة في هذا المجال .
الجواب :
يعود تاريخ أول محاولة لقياس سرعة الضوء إلى العالم الإيطالي جاليليو Galileo. ففي مطلع عام 1600م استعان بأحد مساعديه وطلب منه أن يصعد إحدى هضبتين وصعد هو هضبة أخرى، قاس غاليليو المسافة بين الهضبتين وحاول أن يقيس الزمن الذي يستغرقه الضوء كي يقطع المسافة بينهما، ولأنه كان يفتقر إلى وسائل دقسقة لقياس الزمن ، كشفت تجربته أن الضوء ينتشر بسرعة لانهائية. كما يعود الفضل إلى الفلكي الدنيماركي أولاوس رومر O.Römer في إجراء أول محاولة جادة لقياس سرعة الضوء. ففي عام 1676م لاحظ فرقا بين لحظة خسوف أحد أقمار المشتري، حين تكون الأرض في وضعها القريب من الشمس، ولحظة خسوفه، حين تكون الأرض في الوضع البعيد عن الشمس. وباستخدامه المعلومات الفلكية الشائعة حينها عن المسافة بين وضعي الأرض هذين توصل إلى أن سرعة الضوء محدودة وتساوي 286000 كيلو متر في الثانية. وفي العام 1850 مقام العالم الفرنسي أرماند فيزو Armand Fizeau بقياس سرعة الضوء. فقد مرّر حزمة ضيقة من الضوء، من فتحة في دولاب مسنن دوَّار، فقطعت الحزمة مسافة طويلة حتى بلغت مرآة وارتدت منها إلى الدولاب المسنن. وإذا ضبطت سرعة دوران الدولاب المسنن والمرآة وسرعة دوران الدولاب التي تحقق ذلك .
وﻓﻲ ﺍﻟﻘﺮﻭﻥ ﺍﻟﺘﻲ ﺗﻠﺖ، ﺣﺎﻭﻝ ﺍﻟﻌﺪﻳﺪ ﻣﻦ ﺍﻟﻌﻠﻤﺎﺀ حساب ﺳﺮﻋﺔ ﺍﻟﻀﻮﺀ ﺑﺎﺳﺘﺨﺪﺍﻡ ﺗﻘﻨﻴﺎﺕ ﻣﺘﻄﻮﺭﺓ ﻗﺎﺩﺭﺓ ﻋﻠﻰ ﺍﻟﻘﻴﺎﻡ ﺑﺎﻟﻌﻤﻠﻴﺎﺕ ﺍﻟﺤﺴﺎﺑﻴﺔ ﺑﺪﻗﺔ ﻋﺎﻟﻴﺔ، ﻭﺗﻨﺴﺐ أﻭﻝ ﻋﻤﻠﻴﺔ ﻗﻴﺎﺱ ﻟﺴﺮﻋﺔ ﺍﻟﻀﻮﺀ ﺑﻄﺮﻳﻘﺔ ﻏﻴﺮ ﻓﻠﻜﻴﺔ ﻟﻠﻔﻴﺰﻳﺎﺋﻲ ﺍﻟﻔﺮﻧﺴﻲ ﻫﻴﺒﻮﻟﻴﺖ ﻓﻴﺰﻭ Hippolyte Fizeau ﻓﻲ ﻋﺎﻡ 1849 ﺑﺎﺳﺘﺨﺪﺍﻡ ﻃﺮﻳﻘﺔ ﺗﺘﻀﻤﻦ إرﺳﺎﻝ ﺍﻟﻀﻮﺀ ﻋﺒﺮ ﻋﺠﻠﺔ ﻣﺴﻨﻨﺔ ﺩﻭﺍﺭﺓ ﺛﻢ ليتم عكسه ﺑﻮﺍﺳﻄﺔ ﻣﺮﺁﺓ ﻣﺜﺒﺘﺔ ﻋﻠﻰ ﻣﺴﺎﻓﺔ ﺑﻌﻴﺪﺓ.
ولكن أول طريقة دقيقة ﻟﻘﻴﺎﺱ ﺳﺮﻋﺔ ﺍﻟﻀﻮﺀ جرت ﻓﻲ ﻋﺎﻡ 1920 ﺑﻮﺍﺳﻄﺔ ﺍﻟﻔﻴﺰﻳﺎﺋﻲ ﺍﻻﻣﺮﻳﻜﻲ ﺍﻟﺒﺮﺕ ﻣﻴﻜﻠﺴﻮﻥ Albert Michelson ﺍﻟﺬﻱ أجرى ﺑﺤﺜﻪ في ﺟﺒﺎﻝ ﻛﺎﻟﻴﻔﻮﺭﻧﻴﺎ ﺍﻟﺠﻨﻮﺑﻴﺔ ﺑﺎﺳﺘﺨﺪﺍﻡ ﺟﻬﺎﺯ بمرآة ثمانية الوجوه.
وﻓﻲ ﻋﺎﻡ 1983 ﻗﺎﻣﺖ ﻟﺠﻨﺔ ﺩﻭﻟﻴﺔ للأوزان ﻭﺍﻟﻘﻴﺎﺳﺎﺕ CIPM بحساب واعتماد ﺳﺮﻋﺔ ﺍﻟﻀﻮﺀ ﻓﻲ ﺍﻟﻔﺮﺍﻍ التي نستخدمها ﺍﻟﻴﻮﻡ ﻭتعادل ( 299,792,45 ) ﻣﺘﺮاً ﻓﻲ ﺍﻟﺜﺎﻧﻴﺔ أي ﻣﺎ ﻳﻌﺎﺩﻝ ( 186282 ) ميلاً ﻓﻲ ﺍﻟﺜﺎﻧﻴﺔ . وبالتالي فالضوء قادرٌ ﻋﻠﻰ الدوران حول ﺧﻂ ﺍﻻﺳﺘﻮﺍﺀ ﺳﺒﻊ ﻣﺮﺍﺕ ﻭﻧﺼﻒ ﻓﻲ ﺍﻟﺜﺎﻧﻴﺔ ﺍﻟﻮﺍﺣﺪﺓ.
السؤال : ابحث في معلومات النظام العالمي للوحدات SI المتعلقة بوحدة الشمعة cd ، وعبر بلغتك الخاصة عن المعيار الذي يستخدم في تحديد قيمة 1 cd .
الجواب :
الشمعة القياسية إحدى الوحدات الأساسية السبع في النظام المتري. وتعرف الشمعة القياسية الواحدة بأنها الإضاءة الصادرة عن مصدر ضوئي ذي تردد معين وشدة معينة في اتجاه معين. وتردد الضوء يساوي 540,000,000,000,000 هيرتز ، وشدتـه 1/683 واط في زاوية مجسمة تسمى الأستيراديان. ولكي تستطيع استيعاب معنى هذه الكلمة، تصور أن مصدر ضوء صغير ثابت التوهج قد وضع في مركز كرة فارغة، وتنتشر أشعة الضوء المتناسقة في جميع الجهات مضيئة سطح الكرة الداخلي. فإذا كانت مساحة سطح الكرة الداخلي قدمًا واحدًا مربعًا، فإن زاوية الضوء التي تقاس عند مركز الكرة تساوي أستيرادياناً واحدًا. وتستخدم الشمعة القياسية لحساب وحدات أخرى في قياس الضوء، وتشمل هذه الوحدات اللومن والقدم ـ شمعة.
كانت وحدة قياس شدة الاستضاءة تسمى في الماضي بالشمعة، وهي كمية الضوء الذي يصدر عن شمعة معينة. ولكن العلماء وجدوا صعوبة كبيرة في توحيد القياس بهذه الطريقة. وفي عام 1948 م قررت اللجنة العالمية الخاصة بالبصريات اعتماد الشمعة القياسية وحدة للقياس. وتقل الشمعة القياسية الواحدة قليلاً عن الشمعة.
مراجعة تراكمية
السؤال : يتأرجح جسم كتلته 2.0 kg معلق بخيط طوله 1.5 m في مسار على شكل دائرة رأسية وبسرعة ثابتة 12 m/s . احسب قوة الشد في الخيط عندما يكون الجسم عند :
a. أسفل المسار الدائري .
b. قمة المسار الدائري .
الجواب :
a.
b.
السؤال : ما الطول الموجي لموجة صوتية ترددها 17000 Hz تنتقل في ماء درجة حرارته 25 C ؟
الجواب :
اختبار مقنن
حل أسئلة اختبار مقنن الفصل الأول ( أساسيات الضوء )
السؤال : شوهد نجم مستعر في عام 1987 في مجرة قريبة ، واعتقد العلماء أن المجرة تبعد 1.66 x 10 21 m . ما عدد السنوات التي مضت على حدوث انفجار النجم فعليا قبل رؤيته ؟
a. 5.53 x 103 yr
b. 1.75 x 105 yr
c. 5.53 x 1012 yr
d. 1.74 x 1020 yr
الجواب الصحيح : b. 1.75 x 105 yr
طريقة الحل :
السؤال : تتحرك مجرة مبتعدة بسرعة 5.8 x 106 m/s ، ويبدو تردد الضوء الصادر عنها 5.6 x 1014 Hz بالنسبة لمراقب . ما تردد الضوء المنبعث منها ؟
a. 1.1 x 1013 Hz
b. 5.5 x 1014 Hz
c. 5.7 x 1014 Hz
d. 6.2 x 1014 Hz
الجواب الصحيح : c. 5.7 x 1014 Hz
طريقة الحل :
السؤال : إذا احتاج الضوء الصادر عن الشمس إلى 8.0 min للوصول إلى الأرض فكم تبعد الشمس ؟
a. 2.4 x109 m
b. 1.4 x 1010 m
c. 1.4 x 108 km
d. 2.4 x 109 km
الجواب الصحيح : c. 1.4 x 108 km
طريقة الحل :
السؤال : ما مقدار تردد ضوء طوله الموجي 404 nm في الفراغ ؟
a. 2.48 x 10-3 Hz
b. 7.43 x 105 Hz
c. 2.48 x 106 Hz
d. 7.43 x 1014 Hz
الجواب الصحيح : d. 7.43 x 1014 Hz
طريقة الحل :
السؤال : إذا كانت الاستضاءة الناتجة بفعل مصباح ضوئي قدرته 60.0 W على بعد 3.0 m تساوي 9.35 lx ، فما التدفق الضوئي الكلي للمصباح ؟
a. 8.3 x 10 -2 lm
b. 7.4 x 10 -1 lm
c. 1.2 x 102 lm
d. 1.1x103 lm
الجواب الصحيح : b. 7.4 x 10 -1 lm
طريقة الحل :
السؤال : ماذا نعني بالعبارة " إنتاج اللون باختزال أشعة الضوء " ؟
a. مزج الضوء الأخضر والأحمر والازرق ينتج عنه الضوء الأبيض .
b. ينتج لون عن إثارة الفوسفور بالإلكترونات في جهاز التلفاز .
c. يتغير لون الطلاء باختزال ألوان معينة ، ومنها إنتاج الطلاء الأزرق من الأخضر بالتخلص من اللون الأصفر .
d. يتكون اللون الذي يظهر به الجسم نتيجة امتصاص أطوال موجية محددة للضوء وانعكاس بعضها الآخر .
الجواب الصحيح : d. يتكون اللون الذي يظهر به الجسم نتيجة امتصاص أطوال موجية محددة للضوء وانعكاس بعضها الآخر .
الأسئلة الممتدة
السؤال : يسقط ضوء غير مستقطب شدته Io على مرشح استقطاب ، ويصطدم الضوء النافذ بمرشح استقطاب ثان ، كما يتضح من الشكل أدناه . ما شدة الضوء النافذ من مرشح الاستقطاب الثاني ؟
الجواب :
