الفيزياء في المرحلتين الابتدائية والإعدادية · Grades 1–9
28الضوء ينتشر في خطوط مستقيمة
تميل أشعّة الشمس عبر ضباب الصباح بين الأشجار — مستقيمة كخيوط مشدودة، كلها. ومصباح يدوي في عليّة مغبرّة يلقي نصلًا من ضوء حادّ الحافة. وتستطيع أن تسمع صديقًا يناديك من وراء الزاوية، لكنك لا تراه هناك. وهذا كله قانون واحد في ثياب مختلفة — أقدم قوانين الضوء.
28.1 قانون الخطّ المستقيم
قضية 28.1 (الضوء ينتشر في خطوط مستقيمة)
ينتشر الضوء في الهواء (كما في الماء والزجاج والفضاء الخالي) في خطوط مستقيمة. فهو لا ينعطف حول الزوايا، ولا يهيم مثل الدخان، ولا ينثني ليجدك خلف جدار. وحيث لا يبلغ خطّ مستقيم من المنبع لا يصل ضوء من ذلك المنبع.
تعريف 28.2 (الشعاع الضوئي)
لرسم الضوء يستعمل الفيزيائيون الشعاع الضوئي: خطًّا مستقيمًا عليه سهم، يبيّن خيطًا واحدًا من الضوء والجهة التي يجري فيها. فحزمة المصباح اليدوي تُرسم مروحة من أشعّة؛ وحزمة الليزر الرفيعة تُرسم شعاعًا واحدًا. والشعاع، مثل سهم القوة، رسم صغير يحمل في داخله قانونًا: أن طرق الضوء مستقيمة كالمسطرة.
مثال 28.3 (أين يُظهر القانون نفسه)
متى عرفت القانون رأيته في كل مكان: في أشعّة الشمس المستقيمة عبر الضباب أو المصاريع؛ وفي الحافة المستقيمة الحادّة لحزمة مصباح يدوي في هواء مغبرّ؛ وفي خيط مؤشّر الليزر المستقيم استقامة تامّة؛ وفي كل منارة تكنس بنصال ضوء مستقيمة بحرَ الليل. أما الضوء المنثني فلا يُرى أبدًا — قد تنحني النافورات والغابات، أما الضوء فلا.
28.2 برهان بثلاث بطاقات
طريقة 28.4 (تجربة البطاقات الثلاث)
- اثقب ثقبًا صغيرًا في وسط ثلاث بطاقات قاسية، على الارتفاع نفسه؛
- وانصب البطاقات قائمة في صفّ، بينها شبر، وشمعة مشتعلة (أو مصباح يدوي) وراء آخرها؛
- وحرّك رأسك حتى ترى اللهب عبر الثقوب الثلاثة — ولا يمكن ذلك إلا حين تقف الثقوب الثلاثة واللهب على خطّ مستقيم واحد (وتحقّق: فخيط مشدود عبر الثقوب يبلغ اللهب)؛
- ثم أزلق البطاقة الوسطى جانبًا، بمقدار عرض إصبع فقط.
فيختفي اللهب. والضوء الذي كان في وسعه أن يتعرّج — عبر الثقب الأول، ثم قفزة جانبية، ثم عبر الثقب المزاح، ثم إلى عينك — لا يفعل ذلك ببساطة: فلا خطّ مستقيم، فلا ضوء.
مثال 28.5 (الظلال وقد فُسّرت إلى الأبد)
الآن يسلّم ظلّ سنتك المدرسية الأولى سرّه. فالأشعّة تجري مستقيمة من المصباح؛ والكرة توقف ما يصطدم بها منها؛ والأشعّة التي تخطئ حافّتها بالكاد تواصل جريانها مستقيمة. وخلف الكرة يقع بالضبط الحيّز الذي لا يبلغه شعاع مستقيم — وهو الظلّ، وحافّته الحادّة رسمتها آخر الأشعّة انسلالًا. فأشعّة مستقيمة وظلال حادّة: ولو كان الضوء معوجًّا لطمس كل ظلّ في ضباب.
28.3 الرؤية استقبال للضوء
قضية 28.6 (كيف تعمل الرؤية)
ترى الشيء حين ينتقل ضوء منه في خطّ مستقيم إلى عينك — ضوؤه هو إن كان منبعًا، وإلا فضوء شمس أو مصباح مرتدّ عنه. ولا يخرج من عينك شيء ليمسك العالَم: فالرؤية استقبال، والتقاط للأشعّة كما تلتقط شبكةٌ كراتٍ.
مثال 28.7 (من وراء الزاوية)
ينادي صديقك من وراء زاوية المدرسة: فتسمعه ولا تستطيع أن تراه. فالصوت ينتشر مثل حلقات البركة ويلتفّ حول حافة الزاوية؛ أما الضوء فيتمسّك بطرقه المستقيمة، ولا خطّ مستقيم يصل وجه صديقك بعينك عبر الآجرّ. ولكي ترى من وراء الزوايا لا بدّ أن تطوي الطريق — أن تعطي الشعاع سطحًا قاسيًا لامعًا يرتدّ عنه. وتلك الحيلة تُسمّى المرآة، ولها أول فصل ضوئي في السنة القادمة.
ملاحظة 28.8 (العدّاء البطل)
الصوت، كما قسنا، يهرول في كل ثانية. أما الضوء على طرقه المستقيمة ففي دوري آخر تمامًا: إذ يعبر السماء كلها أسرع ممّا يستطيع عدّ أن يلحقه — ولهذا تصل الومضة “في الحال” ويتثاقل الرعد وراءها بثوانٍ. فكم سرعته بالضبط؟ العدد من الشناعة بحيث ندّخره لسنة لاحقة — مع حكاية الحيل البارعة التي لزمت لقياسه أصلًا.
28.4 تمارين
تمرين 28.1 ★
اذكر قانون هذا الفصل. وسمِّ مشهدين تراه فيهما في الخارج.
تمرين 28.2 ★
ما الشعاع الضوئي، وأيّ شيئين يبيّنهما رسمه؟
تمرين 28.3 ★
في تجربة البطاقات الثلاث، متى تستطيع أن ترى اللهب بالضبط؟ وأيّ حركة واحدة تُخفيه، ولماذا؟
تمرين 28.4 ★
كيف يفسّر قانون الخطّ المستقيم حدّةَ حافة الظلّ؟
حل
حل التمرين 28.4.
تجري الأشعّة مستقيمة من المصباح؛ فيوقف الحاجب بعضها، وتواصل الأشعّة التي تخطئ حافّته بالكاد جريانها مستقيمة. والحدّ بين الأرض المبلوغة وغير المبلوغة ترسمه خطوط مستقيمة — ومن هنا حدّة الحافة.
تمرين 28.5 ★
أنت ترى هذا الكتاب الآن. احكِ رحلة الضوء التي تجعل ذلك ممكنًا، من مصباح إلى عينك.
تمرين 28.6 ★
لماذا تسمع صديقًا من وراء الزاوية ولا تراه؟ وماذا يفعل كل مسافر — الصوت والضوء — عند الزاوية؟
تمرين 28.7 ★
ثقب مفتاح، وغرفة مضاءة وراءه، وعينك: فمن أيّ مواضع الممرّ المظلم تستطيع أن ترى المصباح عبر ثقب المفتاح؟ أجب بخطّ مستقيم.
حل
حل التمرين 28.7.
من المواضع التي يبلغ فيها خطّ مستقيم عبر ثقب المفتاح المصباحَ لا غير — أي حين تصطفّ العين والثقب والمصباح. وتنحَّ جانبًا ينكسر الخطّ على الباب.
تمرين 28.8 ★
أيّهما يصل أولًا من ألعاب نارية بعيدة، الدويّ أم الومضة؟ وأيّ قانون وأيّ قياس من هذه السنة يفسّر الفجوة؟
حل
حل التمرين 28.8.
الومضة: فرحلة الضوء تُعدّ فورية، بينما يهرول الدويّ قاطعًا في الثانية — أي ثلاث ثوانٍ صامتة لكل كيلومتر من المسافة.
تمرين 28.9 ★
“حين أنظر إلى نجم ينطلق شيء من عيني ليلمسه.” صحّح هذا الاعتقاد القديم بما في القضية 28.6 — ما الذي ينتقل، وفي أيّ جهة؟
تمرين 28.10 ★★
صمّم، برسم للأشعّة، طريقة لمراقبة الممرّ من داخل غرفتك بحيلة المرآة الملمَّح إليها في المثال 28.7: أين يجب أن يقف السطح اللامع عند المدخل، وماذا يفعل بطريق الشعاع؟ (والغوّاصات تستعمل هذا بعينه، مرتين إحداهما فوق الأخرى، لترى فوق الأمواج.)
حل
حل التمرين 28.10.
انصب السطح اللامع عند المدخل مائلًا (بنصف زاوية قائمة) على الممرّ. فالشعاع الجاري على طول الممرّ يصطدم بالمرآة المائلة فينطوي طريقه: يدور الزاوية ويجري مستقيمًا عبر المدخل إلى داخل الغرفة فإلى عينك. وطيّتان كهاتين، إحداهما فوق الأخرى، تصنعان منظار الغوّاصة.
تمرين 28.11 ★★
في صباح ضبابي تتفتّح أشعّة الشمس بين الأشجار في خطوط مستقيمة ظاهرة — ومع ذلك يقول صديقك: “نحن نرى الأشعّة، فلا بدّ أن الضوء مادة مرئية معلّقة في الهواء.” فما الذي ترونه في الحقيقة حين تظهر “حزمة” في الضباب أو الغبار، وكيف تبدو الحزمة في هواء نظيف تمامًا؟