الفيزياء في المرحلتين الابتدائية والإعدادية · Grades 1–9
49منابع الضوء وانتشاره
لماذا تستطيع أن تقرأ هذه الصفحة؟ مصباح يضيء — والصفحة ليست مصباحًا، ومع ذلك تستقبل عينك ضوءًا من كل سطر مطبوع. وبين ما يصنع الضوء وما يكتفي بتمريره تمييزٌ لا يستطيع علم البصريات أن يعيش من دونه؛ ومعه يأتي الجواب الكامل عن أقدم سؤال في هذا الكتاب: ما الذي يلزم لرؤية شيء؟
49.1 الصانعون والمُمرِّرون
تعريف 49.1 (المنابع الأوّلية)
المنبع الأوّلي يصنع ضوءه بنفسه: الشمس والنجوم، واللهب، والخيوط المتوهّجة، وفولاذ المسبك الأبيض الساخن، واليراعات، والبرق. وضوؤه موجود سواء أضاء غيره أم لم يُضئ — أطفئ العالم يظلّ المنبع الأوّلي متوهّجًا.
تعريف 49.2 (الأجسام المبعثِرة)
وكل شيء مرئي آخر جسم مبعثِر: يستقبل الضوء ويعيد إرسال — يبعثر — جزءًا منه في كل الاتجاهات. الصفحة، والتفاحة، والقمر، ووجهك أنت: لا يصنع أيّ منها ومضة خاصة به؛ وكل واحد ينثر الضوء المستقبَل بسخاء في كل جهة. والجسم المبعثِر في الظلمة غير مرئي ببساطة.
مثال 49.3 (التبعثر ليس انعكاسًا في مرآة)
المرايا والصفحات كلتاهما تردّ الضوء المستقبَل — لكن بأسلوبين متعاكسين. فالمرآة ترتدّ بالضوء في اتجاه واحد منضبط (زاويتان متساويتان — وهي قاعدة الارتداد القديمة عندك)، فتحفظ الصورة؛ أما خشونة الصفحة المجهرية فترشّ الضوء في كل مكان، فتُتلف الصورة لكنها تقدّم نفسها لكل عين دفعة واحدة. ولهذا تُظهر المرآة المصباح، بينما لا تُظهر الصفحة إلا نفسها، من أيّ موضع وقفت.
مثال 49.4 (ملفّ القمر، مغلقًا)
حكم الطفولة ينال الآن كلماته الرسمية: القمر ليس منبعًا أوّليًّا؛ إنما هو جسم مبعثِر بحجم كوكب — صخر رمادي ينثر ضوء الشمس في كل الاتجاهات، ومنها جهتنا. فضوء القمر شمسٌ مستعملة، و“الجانب المظلم” هو ببساطة النصف الذي لا يحمل ملفّه، في تلك اللحظة، ضوءًا يُمرَّر.
49.2 الرؤية، محسومةً
قضية 49.5 (شرطا الرؤية)
ترى العينُ جسمًا بالضبط حين
- يغادر الضوءُ الجسمَ — مصنوعًا إن كان الجسم منبعًا أوّليًّا؛ ومبعثَرًا إن كان مُمرِّرًا — و
- ينتقل ذلك الضوء في خطّ مستقيم غير محجوب إلى العين.
فاكسر أيّ الشرطين — جسمًا مبعثِرًا بلا إضاءة، أو جدارًا عبر خطّ النظر — يصر الجسم غير مرئي. وكل أحجية رؤية في هذا الكتاب تنفكّ إلى هذين الفحصين.
مثال 49.6 (الحزمة، مرئيةً)
في هواء نظيف لا يمكن أن تُرى حزمة مصباح يدوي تعبر الغرفة من الجانب — فالهواء لا يمرّر شيئًا يُذكر، ولا ينحرف من ضوء الحزمة شيء نحو عينك. انفض قطعة قماش مغبرّة: تقفز الحزمة إلى الرؤية. فكل ذرّة غبار جسم مبعثِر دقيق، يلتقط ضوء الحزمة وينثر بعضه في جهتك — وآلاف الذرّات ترسم لك خطّ الحزمة المستقيم. والضباب والغبش والدخان تؤدّي الخدمة نفسها لحزم المنارات وأجهزة عرض السينما.
49.3 ثلاثة أثواب للضوء
تعريف 49.7 (شفّاف ونصف شفّاف ومعتم)
تلقى الموادّ الضوءَ بثلاثة أساليب:
- شفّافة: يعبرها الضوء من غير اضطراب يُذكر، حافظًا نظامه — الزجاج الصافي، والماء الساكن، والهواء؛ وتعبرها الصور سليمة؛
- نصف شفّافة: يعبرها الضوء لكن مشوَّشًا — الزجاج المصنفر، وورق الشفّ، والستارة الرقيقة؛ فيعبر السطوع ولا تعبر الصور؛
- معتمة: يُوقَف الضوء — يُمتصّ أو يُبعثَر راجعًا — الخشب والحجر والمعدن ويدك؛ وخلف الجسم المعتم يقع الظلّ.
طريقة 49.8 (تصنيف الموادّ بضوء مصباح يدوي)
غرفة مظلمة، ومصباح يدوي، وصفحة مطبوعة، والعيّنة بينهما:
- أمسك العيّنة فوق المطبوع والمصباح خلفها؛
- أتقرأ المطبوع عبرها؟ — شفّافة؛
- أترى توهّجًا بلا حروف؟ — نصف شفّافة؛
- أترى ظلمة، وظلًّا وراءها؟ — معتمة.
واختبر بأمانة: فكثير من الموادّ يبدّل فريقه بتبدّل السماكة — فصفيحة الماء شفّافة، والبحر العميق مظلم كالليل؛ وورقة واحدة نصف شفّافة، والكتاب المغلق معتم.
مثال 49.9 (فرق العمارة الثلاثة)
ينشر البنّاؤون الفرق الثلاثة عن قصد. فزجاج النافذة الشفّاف: منظر وضوء معًا. وزجاج الحمّام نصف الشفّاف وحواجز المكاتب المصنفرة: ضوء نهار داخل وخصوصية محفوظة — فالسطوع بلا صور هو وصف عملها بالضبط. والجدران والمصاريع المعتمة: ظلمة عند الطلب. وأباجورات المصابيح نصف شفافية في خدمة الراحة: فوهج الخيط المشتعل يُشوَّش حتى يصير توهّجًا ليّنًا بلا منبع.
ملاحظة 49.10 (لا شيء يُمرَّر، فلا شيء يُرى)
أحجية: رائدة فضاء بين النجوم تنظر جانبًا عبر خواء مملوء بأشعّة الشمس. فماذا ترى؟ سوادًا — مع أن ضوء الشمس يغمر ما حول عينيها. فالفضاء لا يحمل غبارًا يُذكر: فلا شيء يبعثر الضوء العابر نحوها، والضوء الذي لا يدخل العين لا يرسم شيئًا. وسماء النهار زرقاء بالضبط لأن هواءنا يمرّر ضوء الشمس نازلًا إلينا — كوكب كامل من التبعثر الرقيق فوقنا. فلا هواء، فسماء سوداء، حتى عند الظهر: وقد وقف روّاد القمر في ضوء الشمس تحت قبّة سوداء بلا نجوم.
49.4 تمارين
تمرين 49.1 ★
صنّف: لهب شمعة؛ القمر؛ يراعة؛ هذه الصفحة؛ ضوء إشارة مرور أحمر؛ كوكب الزهرة عند الغسق.
تمرين 49.2 ★
ماذا يفعل الجسم المبعثِر بالضوء الذي يستقبله — وماذا يصير في غرفة مظلمة؟
حل
حل التمرين 49.2.
يعيد إرسال جزء من الضوء المستقبَل في كل الاتجاهات. وفي غرفة مظلمة لا يستقبل شيئًا ولا يمرّر شيئًا — فيكون غير مرئي.
تمرين 49.3 ★
اذكر شرطَي الرؤية، واستعملهما: لماذا لا تستطيع أن ترى سطح مرآة نظيفة تمامًا نفسه، بل الأشياء التي تعكسها لا غير؟ (وانتبه — سؤال دقيق؛ وأجب ببساطة: ما الذي يأبى صقلها أن تفعله بالضوء؟)
تمرين 49.4 ★
لماذا يرى كل من حول الطاولة التفاحة نفسها، بينما لا يلتقط انعكاس المصباح في ملعقة إلا موضع عين واحد محظوظ؟
تمرين 49.5 ★
لماذا تكون حزمة المصباح اليدوي غير مرئية من الجانب في هواء نظيف، ومرئية في الغبش؟ سمِّ العملية.
تمرين 49.6 ★
صنّف: زجاج نافذة؛ ورق شفّ؛ آجرّة؛ ماء صافٍ ضحل؛ غلاف مصباح مصنفر؛ رقاقة ألمنيوم.
حل
حل التمرين 49.6.
الشفّافة: زجاج النافذة، والماء الصافي الضحل. ونصف الشفّافة: ورق الشفّ، والغلاف المصنفر. والمعتمة: الآجرّة، والرقاقة.
تمرين 49.7 ★
أيّ عمل تؤدّيه نصف الشفافية في نافذة حمّام وفي أباجورة مصباح؟ وما الذي يعبر، وما الذي يُوقَف؟
حل
حل التمرين 49.7.
يعبر السطوع؛ وتُوقَف الصور (تُشوَّش). فنافذة الحمّام تُدخل ضوء النهار وتمنع المتطفّلين؛ والأباجورة تحوّل خيطًا نقطيًّا خاطفًا للبصر إلى توهّج عريض ليّن.
تمرين 49.8 ★
القمر مضاء بالشمس — ومع ذلك رأى روّاد القمر سماءً سوداء عند الظهر. اشرح بما في الملاحظة 49.10، وقل لماذا تكون سماء ظهر الأرض زرقاء ساطعة بدل ذلك.
تمرين 49.9 ★★
ورقة واحدة تتوهّج دافئة أمام مصباح يدوي؛ والكتاب المغلق يوقف الضوء كلّيًّا. فماذا تفعل السماكة بانتماء المادة إلى فريقها؟ أعطِ مثالًا ثانيًا لمبدِّل فريق.
حل
حل التمرين 49.9.
كل طبقة مضافة تشوّش وتسرق قليلًا آخر: فالانتماء إلى الفريق يتوقّف على السماكة. والماء مثال الفصل الثاني — شفّاف بكأس، ومعتم بمحيط. (والورقة الرقيقة نصف شفّافة، والكتاب المغلق معتم.)
تمرين 49.10 ★★
حيلة سينمائية: حزم أجهزة العرض غير مرئية في صالة نظيفة، ومع ذلك تُظهر الأفلام حزمًا تشقّ الهواء بدرامية. فما الذي يجب أن يضيفه طاقم الديكور إلى الهواء، وأيّ فيزياء يشترونها؟
تمرين 49.11 ★★
ترى وجه صديق على ضوء نار مخيّم. تتبّع رحلة الضوء كاملة — منبعًا وتبعثرًا وخطوطًا مستقيمة — وعُدّ كم جسمًا مبعثِرًا في السلسلة إن رأيت أيضًا ذلك الوجه منعكسًا في البحيرة.
حل
حل التمرين 49.11.
النار (منبع أوّلي) خطّ مستقيم إلى الوجه الوجه يبعثر خطّ مستقيم إلى عينك: جسم مبعثِر واحد في السلسلة. وعبر البحيرة: الضوء المبعثَر عن الوجه يسافر مستقيمًا إلى الماء الساكن، فيرتدّ ارتداد مرآة (لا تبعثرًا — فالبحيرة مصقولة)، ثم يواصل مستقيمًا إلى عينك: فما زال جسمًا مبعثِرًا واحدًا، مع طيّة مرآة واحدة — الوجه، ثم طيّة البحيرة المنضبطة.
تمرين 49.12 ★★★
عرض الضوء عند الطبيعة نفسها: في يوم ساطع تكون السماء بعيدًا عن الشمس زرقاء، وقرص الشمس أبيض يخطف البصر — وعند الغروب تصير الشمس المنخفضة برتقالية بينما تلتقط الغيوم فوقها لونًا ورديًّا. مستعملًا عبارة “الهواء يبعثر قليلًا من الضوء العابر فيه، وأكثر كلما طال الطريق” لا غير، اشرح لماذا تُسلَب الشمس المنخفضة جزءًا من ضوئها — ومَن يتلقّى الحصة المسلوبة. (وقصة الألوان كاملة في فصل الأطياف في السنة القادمة؛ فاستدلّ هنا بطريق أطول وتبعثر أكثر لا غير.)
حل
حل التمرين 49.12.
ضوء الشمس العابر الهواء يفقد حصة للتبعثر على طول طريقه — وكلما طال الطريق كبرت السرقة. وعند الغروب يلامس ضوء الشمس الغلاف الجوي على أطول طريق له، فتصل الحزمة المباشرة إليك مسلوبة موهنة — وهو القرص البرتقالي المروَّض. والحصة المسلوبة لم تختفِ: بل بُعثرت في الطريق، وسُلّمت إلى سماوات أخرى ضوءَ نهارها — وبعضها، وقد بُعثر متأخّرًا، يصبغ الغيوم العالية وردًا. (وأمّا أيّ الألوان تُسرق أسرع فقصة السنة القادمة.)
49.5 مسألة: إنارة المتحف
مسألة 49.1
مسألة نهاية الأسبوع — قاعة النحت الجديدة؛ وردية ليلية لمصمّم إضاءة؛ منابع وأجسام مبعثِرة وثلاثة أنواع من الزجاج
تُفتَح قاعة المتحف الجديدة يوم الاثنين: تمثال رخامي واحد، ولوحات على الجدران، وواجهة عرض زجاجية، وأمين متحف قلق. وأنت تساعد مصمّم الإضاءة.
الجزء الأول — المبادئ الأولى في الموقع.
- يسأل أمين المتحف لماذا يحتاج التمثال، وهو “ناصع البياض”، إلى مصابيح أصلًا. أجب بشرطَي الرؤية.
- أحصِ المنابع الأوّلية والأجسام المبعثِرة في القاعة بعد إشعال المصابيح: المصابيح، والتمثال، واللوحات، والزوّار، وزجاج الواجهة.
- يبدو الرخام متوهّجًا من كل مكان بلا بقعة تخطف البصر. فأيّ أسلوب في ردّ الضوء يعمل، ولماذا يناله كل موضع يقف فيه زائر؟
- وفي المقابل تلقي لوحة نحاسية مصقولة انعكاسًا واحدًا خاطفًا لمصباح. سمِّ الأسلوب الآخر، واذكر القاعدة التي تحكم أين يذهب ذلك الخطف.
الجزء الثاني — ترويض الوهج.
- المصابيح العارية توهج في أعين الزوّار. فيغلّف المصمّم كل واحد بكرة مصنفرة. فإلى أيّ فريق من الموادّ تنتمي الكرة، وماذا تفعل بضوء الخيط؟
- ويجب أن تُضاء اللوحات، وألّا يظهر أيّ مصباح منعكسًا في ورنيشها من موضع المشاهدة الرئيسي. فباستعمال قاعدة المرآة، أين يضع المصمّم المصابيح بالقياس إلى اللوحة والمشاهد؟
- وزجاج واجهة العرض الصافي يكاد يكون غير مرئي — حتى يظهر فيه كمّ زائر أبيض كالشبح. فلماذا ينفذ الزجاج الصافي ويعكس عكسًا خافتًا في آن؟ وما الذي يحقّقه تجويف المصمّم الأسود الجدران خلف الواجهة؟
- وأحيانًا تنجرف ذرّات غبار عبر حزم الكشّافات، فترسم خيوطًا ساطعة في الهواء. فيقول أمين المتحف: “بديع! أبقِه.” ويقول المصمّم: “إنه يعني هواءً متّسخًا.” فمن المصيب في الفيزياء، وما تلك الخيوط؟
الجزء الثالث — اختبار الليل.
- الأضواء مطفأة والمصاريع محكمة: يبلّغ الحارس أن القاعة “سوداء تمامًا — ولا حتى التمثال الأبيض”. اشرح بشرطَي الرؤية لماذا يعجز البياض في الظلمة.
- ويُقترح منور سقفي: زجاج مصنفر في الأعلى. فماذا سيسلّم نهارًا، وما الذي سيأبى تسليمه (مناظر الغيوم، وخطف الشمس المباشر)؟
- ويخشى أمين المتحف أن يبهت ضوء الشمس اللوحات فيطلب “ضوءًا بلا شمس البتة”. فيبتسم المصمّم: فحتى ضوء النوافذ الشمالية اللين نهارًا هو ضوء شمس. اشرح — ومَن الذي مرّره؟
- واكتب تقرير المصمّم: ثلاث جمل — واحدة في لماذا كان التبعثر خير صديق للمتحف، وواحدة في أين يجب أن تُراقب الانعكاسات على أسلوب المرآة، وواحدة في فريق الزجاج المختار لكل واجب.
حل
حل المسألة 49.1.
1. الرخام لا يصنع ضوءًا: والرؤية تحتاج إلى ضوء يغادر الجسم إلى العين، والجسم المبعثِر بلا إضاءة لا يرسل شيئًا. فالبياض وعد بحسن التمرير، لا قيمة له بلا تسليم. 2. المنابع الأوّلية: المصابيح وحدها. والأجسام المبعثِرة: التمثال، واللوحات، والزوّار — وزجاج الواجهة بعثرةً خافتة (فهو ينفذ في معظمه). 3. التبعثر: فسطح الرخام ينثر الضوء المستقبَل في كل الاتجاهات، فيُخدَم كل موضع في القاعة ولا يُخطَف بصر أحد. 4. الانعكاس على أسلوب المرآة: فالنحاس المصقول يرتدّ بضوء المصباح بزاويتين متساويتين في اتجاه واحد — فلا يحطّ الخطف إلا حيث يذهب ذلك الطريق الواحد. 5. نصف شفّافة: فالكرة تمرّر السطوع وتشوّش الصورة — فيصير وهج الخيط النقطي كرة ضوء ليّنة. 6. بقاعدة الارتداد يظهر المصباح في الورنيش حين يجلس المصباح والمشاهد بزاويتين متساويتين على جانبَي سطح اللوحة. فيضع المصمّم المصابيح عالية شديدة الميل، حتى يغوص طريقها المرتدّ إلى الأرض أمام اللوحة — لا إلى أعين موضع المشاهدة الرئيسي. 7. الزجاج ينفذ في معظمه لكنه يرتدّ دائمًا بحصة خافتة على أسلوب المرآة — فالنوافذ الصافية مرايا ضعيفة، تُرى في مواجهة ظلمة خلفها. والتجويف الأسود يعطي المنظر النافذ أرضية مظلمة حتى لا تستطيع الانعكاسات الخافتة أن تنافسه — فتبهت الأكمام الشبحية. 8. كلاهما: فالخيوط فيزيائيًّا تبعثرٌ بذرّات غبار — ضوء الحزمة منثورًا إلى أعين الزوّار؛ والهواء المغبرّ هو حقًّا ما يجعلها ممكنة. فالفيزياء مع المصمّم؛ والشعر مع أمين المتحف. 9. لا منبع، فلا ضوء يغادر، فلا شيء يُستقبل: والبياض معدّل تمرير عالٍ مطبَّق على لا شيء. فالشرط الأول يسقط عن كل جسم دفعة واحدة. 10. ضوء نهار ليّنًا متساويًا بلا ظلال على القاعة — سطوعًا بلا صور: فلا مناظر غيوم، ولا خطف شمس مباشر على الرخام. 11. السماء نفسها: الهواء يبعثر ضوء الشمس. فالضوء الشمالي ضوء شمس مرّره نصف كرة من الهواء — ليّنًا بلا منبع، وما زال شمسيًّا؛ ولم يُرفَض إلا الحزمة المباشرة. 12. مثلًا: “التبعثر خير صديق لنا: فهو يسلّم كل عمل فنّي إلى كل زائر بلا خطفة واحدة. والسطوح على أسلوب المرآة — الورنيش والنحاس وزجاج الواجهة — يجب أن تُراقب، فهي تسلّم المصابيح إلى الأعين على طرق دقيقة يمكن توقّعها. ولكل زجاج فريقه بحسب واجبه: الشفّاف للنظر إلى الداخل، ونصف الشفّاف للوهج والمنور، والمعتم للظلمة.”