Physics · الكتاب 1 · Grades 1–9

الفيزياء في المرحلتين الابتدائية والإعدادية

الفيزياء في المرحلتين الابتدائية والإعدادية · Grades 1–9

60العدسات والصور

آلة التصوير ذات الثقب اشترت صورتها الصغيرة الحادّة بثمن قاسٍ: ضوء لا يكاد يُذكر. ومع ذلك ترسم عينك أنت عالمًا ساطعًا واضحًا على جدارها الخلفي طوال النهار، ولا ثقب في الأفق. وسرّ العين قرص من مادة زجاجية منحنية يجمع حزمة كاملة ويكسرها كما يشاء — العدسة، نجمة آلات التصوير والنظّارات والمكبّرات وهذا الفصل.

60.1 عائلتا العدسات

تعريف 60.1 (العدسات المجمِّعة والمفرِّقة)

العدسة قطعة من مادة شفّافة — زجاج أو بلاستيك صافٍ — بوجهين منحنيين، مبنيّة لتكسر الضوء كسرًا مضبوطًا (فالضوء ينكسر حين يعبر إلى الزجاج؛ وأمّا قانون ذلك الكسر بدقّة فكنز الثانوية). وهما عائلتان:

  1. العدسات المجمِّعة — وهي أغلظ في الوسط منها عند الحافة — تكسر أشعّة الحزمة بعضها نحو بعض؛
  2. العدسات المفرِّقة — وهي أرقّ في الوسط — تباعد بينها.

مرّر طرف إصبعك على عدسة نظّارة: فنتوء في الوسط أو تجويف في الوسط يفرز كل عدسة على وجه الأرض إلى عائلتها.

تعريف 60.2 (البؤرة والبعد البؤري)

أرسل حزمة من أشعّة متوازية — وضوء الشمس يفي بالغرض — عبر عدسة مجمِّعة: فالأشعّة المنكسرة تتقاطع كلها عند نقطة واحدة خلفها، هي البؤرة. والمسافة من العدسة إلى البؤرة هي البعد البؤري ff: عدد العدسة المميّز الأوحد. فالعدسات السمينة الشديدة الانحناء تكسر بقوة — فيقصر ff؛ والعدسات الرقيقة الانحناء تكسر قليلًا — فيطول ff.

العائلتان في العمل: العدسة المجمِّعة تجمع حزمة متوازية إلى بؤرتها؛ والعدسة المفرِّقة تفتحها مروحة.
العائلتان في العمل: العدسة المجمِّعة تجمع حزمة متوازية إلى بؤرتها؛ والعدسة المفرِّقة تفتحها مروحة.

طريقة 60.3 (قياس بعد بؤري)

لأيّ عدسة مجمِّعة، دقيقة واحدة ونافذة بعيدة:

  1. واجه جدارًا مقابلًا لمشهد بعيد ساطع — النافذة والعالم وراءها؛
  2. أمسك العدسة قرب الجدار وأبعدها ببطء حتى يقفز المشهد صورة صغيرة حادّة على الجدار (مقلوبة رأسًا على عقب — كما هو متوقّع الآن)؛
  3. قِس المسافة من العدسة إلى الجدار: فلمشهد بعيد، تلك المسافة هي البعد البؤري — إذ تصل الأشعّة البعيدة متوازية عمليًّا، والأشعّة المتوازية تجتمع عند البؤرة.

المكبّرة تقيس نحو 10cm10\,\mathrm{cm}؛ وعدسات النظّارات، عشرات السنتيمترات؛ وعدسة آلة التصوير القصيرة، بضعة سنتيمترات.

ملاحظة 60.4 (الزجاجة الحارقة)

عند بؤرة عدسة مجمِّعة، يتزاحم عرض حزمة كامل من ضوء الشمس في نقطة واحدة متوهّجة — مركَّزًا بما يكفي لتفحيم الورق وإشعال الحرائق في ثوانٍ. فعامِله بما هو: مبدأ الطبّاخ الشمسي في حجم الجيب. ولا تبئّر ضوء الشمس قرب شيء قابل للاشتعال أبدًا، ولا نحو جلد أو ثياب — ولا تنظر إلى الشمس، والقانون القديم مضاعف هنا، عبر أيّ عدسة: فتبئير العين نفسها مضافًا إلى تبئير العدسة يصنع حرقًا لحظيًّا بلا ألم ودائمًا.

60.2 العدسة صانعةَ صور

قضية 60.5 (الصور الحقيقية)

العدسة المجمِّعة تجمع الأشعّة التي تبعثرها كل نقطة من الجسم وتسلّمها إلى نقطة مقابلة على الجانب الآخر: فتركّب، نقطة نقطة، صورة حقيقيةصورة حقيقية — يمكن التقاطها على حاجز. والصورة مقلوبة، كصورة الثقب، لكنها ساطعة: فالعدسة تحصد ملء عدسة من الضوء لكل نقطة حيث كان الثقب يمرّر خيطًا واحدًا. وقواعد الهندسة التقريبية: الجسم البعيد يُصوَّر صغيرًا وقرب البؤرة؛ وكلما اقترب الجسم من العدسة تراجعت صورته وكبرت.

صناعة الصورة: أشعّة من رأس الجسم — واحد عبر مركز العدسة، وواحد منكسر عبر البؤرة — تتقاطع ثانية في الجانب البعيد، فتتركّب الصورة هناك، مقلوبة رأسًا على عقب.
صناعة الصورة: أشعّة من رأس الجسم — واحد عبر مركز العدسة، وواحد منكسر عبر البؤرة — تتقاطع ثانية في الجانب البعيد، فتتركّب الصورة هناك، مقلوبة رأسًا على عقب.

مثال 60.6 (آلة التصوير والعين، هندسة واحدة)

آلة التصوير هي صانعة الصور معلَّبةً: عدسة مجمِّعة في المقدّمة، وحاجز حسّاس للضوء في الخلف، وصورة تتكوّن عليه مقلوبة (والبرمجية تدير الملفّ بأدب). وعينك هي الآلة نفسها في نسيج حيّ: عدسة مجمِّعة خلف البؤبؤ، والشبكية حاجزًا في الخلف، وصورة مقلوبة — والدماغ يقلبها، كما لوحظ يوم علّمنا الثقب أول مرة. ويختلف التبئير اختلافًا جميلًا: فآلة التصوير تحرّك عدستها؛ وعدسة العين الليّنة تغيّر شكلها، تُشدّ أسمن للقريب، وتُرخى أرقّ للبعيد — تحسّ الجهد بعد ساعة من القراءة القريبة.

مثال 60.7 (النظّارات)

حين يقصر تبئير العين نفسها، تكمّله عدسة أمامها. فالعين القصيرة البصر تبئّر بقوة زائدة — فتتركّب المشاهد البعيدة قبل الشبكية وتصل مشوّشة: وعدسة نظّارة مفرِّقة تفكّ كسر الضوء بالقدر الكافي. والعيون الطويلة البصر (ومعظم العيون المسنّة) تبئّر بضعف لا يكفي للعمل القريب: وعدسة مجمِّعة تقرضها القوة الناقصة — فنظّارات القراءة أبناء عمومة صغار أمناء للمكبّرة. عائلتان من العدسات، وعائلتان من التشويش.

60.3 المكبّرة

المكبّرة في العمل: ممسوكة أقرب من بعدها البؤري، تُظهر العدسة الحرف قائمًا ومكبَّرًا.
المكبّرة في العمل: ممسوكة أقرب من بعدها البؤري، تُظهر العدسة الحرف قائمًا ومكبَّرًا.

مثال 60.8 (داخل البعد البؤري)

أمسك عدسة مجمِّعة أقرب إلى طابع بريد من بعدها البؤري تتغيّر طبيعة الصورة: فلا صورة تحطّ على أيّ حاجز — بل ترى الطابع، وأنت تنظر عبر العدسة، قائمًا في مكانه ومكبَّرًا. فالعدسة تكسر أشعّة الطابع حتى تبلغ العين كأنها مبعثَرة عن طابع أفخم خلف الزجاج — وهْم مصنوع على المقاس، ابن عمّ عالم المرآة الشبحي. وقد استعمله الساعاتيّون وجامعو الطوابع ونفسك الماضية بمكبّرة الطفولة؛ وأمّا هندسة الأشعّة الكاملة لهذه الحيلة فجوهرة من جواهر مجلّد الثانوية.

ملاحظة 60.9 (آلات فوق آلات)

كدّس العدسات ينفتح العالم. فعدستان مجمِّعتان تصنعان مجهرًا: إحداهما تقذف صورة حقيقية كبيرة لقطيرة، والثانية تكبّر تلك الصورة — وهكذا نال المدافعون عن الجزيئات أول حلفائهم المباشرين. وعدسة كبيرة (أو مرآة منحنية) مع مكبّرة تصنعان مقرابًا: فأشعّة المجرّة البعيدة المتوازية الخافتة تُجمع في صورة حقيقية، ثم تُكبَّر في عين مدهوشة. وكل آلة بصرية في الحضارة هي فكرتا هذا الفصل — اجمع، ثم كبّر — في ترتيبات شتّى.

60.4 تمارين

تمرين 60.1

افرز باللمس: كيف يميّز طرف الإصبع بين عدسة مجمِّعة وأخرى مفرِّقة؟ وماذا تفعل كل واحدة بحزمة متوازية؟

حل

حل التمرين 60.1.

نتوء في الوسط: مجمِّعة — تكسر أشعّة الحزمة المتوازية بعضها نحو بعض، فتجمعها عند البؤرة. وتجويف في الوسط: مفرِّقة — تفتح الحزمة مروحة.

تمرين 60.3

صِف قياس ff بالنافذة والجدار. ولماذا يجب أن يكون المشهد بعيدًا؟

حل

حل التمرين 60.3.

اقذف صورة المشهد البعيد على جدار، وحدّدها بتحريك العدسة، وقِس من العدسة إلى الجدار: تلك المسافة هي ff. ويجب أن يكون المشهد بعيدًا حتى تصل أشعّته متوازية عمليًّا — والأشعّة المتوازية، بحكم تعريف البؤرة، تجتمع عند ff بالضبط.

تمرين 60.4

اذكر قاعدتين من قواعد سلامة الزجاجة الحارقة، وسبب وجود كل واحدة.

حل

حل التمرين 60.4.

لا تبئّر ضوء الشمس قرب شيء قابل للاشتعال أبدًا — فنقطة البؤرة تفحّم وتشعل في ثوانٍ. ولا تنظر إلى الشمس عبر أيّ عدسة — فالعين مع العدسة تبئّران الحرق على الشبكية، في الحال وبلا ألم.

تمرين 60.5

ما الصورة الحقيقية؟ أعطِ خاصّيتيها المميّزتين، وميزة العدسة على الثقب.

حل

حل التمرين 60.5.

صورة مركَّبة حقًّا بأشعّة مجموعة، يمكن التقاطها على حاجز. وخاصّيتاها: مقلوبة، وساطعة — فالعدسة تحصد ملء عدسة من الضوء لكل نقطة حيث كان الثقب يمرّر خيطًا واحدًا.

تمرين 60.6

طابِق آلة التصوير بالعين: من يؤدّي دور العدسة، ومن دور الحاجز، ومن آليّة التبئير في كل منهما؟

حل

حل التمرين 60.6.

العدسة: العدسة الزجاجية الشيئية — وعدسة العين الليّنة خلف البؤبؤ. والحاجز: الحسّاس — والشبكية. والتبئير: آلة التصوير تزلق عدستها؛ والعين تعيد تشكيل عدستها، أسمن للقريب وأرقّ للبعيد.

تمرين 60.7

أيّ عائلة من عدسات النظّارات تخدم العين القصيرة البصر، ولماذا؟ والعين الطويلة البصر المسنّة؟

حل

حل التمرين 60.7.

قصر البصر تبئير أقوى مما ينبغي — فتتركّب الصور قبل الشبكية: وعدسة مفرِّقة تفكّ الكسر بالقدر الكافي. والعين الطويلة البصر المسنّة تبئّر بضعف لا يكفي للعمل القريب: وعدسة مجمِّعة تقرضها القوة الناقصة.

تمرين 60.8

ما الذي يجب أن يصحّ في موضع الطابع لتنجح حيلة المكبّرة — وأيّ نوع من “الصور” تتمتّع به العين حينئذٍ؟

حل

حل التمرين 60.8.

يجب أن يجلس الطابع أقرب إلى العدسة من بعدها البؤري. فتتمتّع العين حينئذٍ بشبح قائم مكبَّر — أشعّة مكسورة كأنها آتية من طابع أفخم خلف الزجاج؛ ولا شيء يحطّ على أيّ حاجز.

تمرين 60.9 ★★

موضوع مصوّر يمشي نحو آلة التصوير. في أيّ اتجاه يجب أن تتحرّك العدسة لإبقاء الصورة حادّة على الحسّاس، بمقتضى القواعد التقريبية؟ وماذا تفعل العين بدل ذلك في الموقف نفسه؟

حل

حل التمرين 60.9.

كلما اقترب الجسم تراجعت صورته — فتحرّك آلة التصوير عدستها بعيدًا عن الحسّاس لمطاردة الصورة المتراجعة. أما العين فتشدّ عدستها أسمن بدل ذلك، فتكسر بقوة أكبر لتجرّ الصورة إلى الشبكية الثابتة.

تمرين 60.10 ★★

في يوم مشمس، عدسة موضوعة بإهمال على أوراق جافّة حريق ينتظر وقوعه — لكن عند مسافة واحدة بعينها من العدسة إلى الورقة. أيّ مسافة، ولماذا هناك بالضبط؟

حل

حل التمرين 60.10.

عند البعد البؤري: فهناك وحده تزحم العدسة أشعّة الشمس المتوازية عمليًّا في أصغر نقطة وأشرسها. وأقرب من ذلك أو أبعد ينتشر الضوء على رقعة ألين من أن تشعل — فالحريق ينتظر عند ff بالضبط.

تمرين 60.11 ★★

نظّارة الجدّ للقراءة تصلح أيضًا مكبّرة طوارئ، وفي الأعياد ولّاعة سيجار شمسية — أمّا نظّارة حفيده القصير البصر فلا تصلح لواحدة منهما. اشرح حقيقتَي العائلتين.

حل

حل التمرين 60.11.

نظّارات القراءة مجمِّعة: فهي تجمع ضوء الشمس في بؤرة حارقة وتكبّر الحرف القريب — وكلتاهما موهبة للمجمِّعة وحدها. أما عدسات الحفيد القصير البصر فمفرِّقة تفتح كل حزمة: فلا بؤرة، ولا نقطة حارقة، والحرف المرئي عبرها يصغر بدل أن يكبر.

تمرين 60.12 ★★★

المجهر والمقراب كلاهما يكدّس عدستين مجمِّعتين — ومع ذلك يكبّر أحدهما القطيرات ويكبّر الآخر المجرّات. قارن مرحلتيهما: ماذا تستقبل العدسة الأولى وماذا تنتج في كل آلة (جسم قريب في مقابل ضوء نجم متوازٍ عمليًّا)، ولماذا يريد المقراب العدسة الأولى كبيرة قبل كل شيء، بينما يريدها المجهر شديدة الانحناء؟

حل

حل التمرين 60.12.

المقراب، المرحلة الأولى: العدسة الكبيرة تستقبل أشعّة النجم المتوازية عمليًّا وتجمعها في صورة حقيقية صغيرة قرب بؤرتها؛ والمرحلة الثانية تكبّر تلك الصورة. وضوء النجم الخافت ثمين — وعرض العدسة الأمامية هو الذي يقرّر كم يُحصد منه لكل نجم: فالفتحة كل شيء. والمجهر، المرحلة الأولى: عدسة شديدة الانحناء قصيرة البعد البؤري معلّقة قريبًا فوق القطيرة تقذف صورة حقيقية مكبَّرة جدًّا؛ والمرحلة الثانية تكبّر ثانية. وموضوعه ساطع وقريب — فما تحتاج إليه المرحلة الأولى ليس العرض بل قوة الكسر. هندسة واحدة، وشهيّتان متعاكستان.

60.5 مسألة: منضدة النظّاراتي

مسألة 60.1

مسألة نهاية الأسبوع — متدرّبًا عند نظّاراتي البلدة؛ أبعاد بؤرية، وتركيبات، ومقراب واحد مشروخ

يوم عند النظّاراتي: عدسات تُفرَز، ونظّارات تُطابَق، ومقراب زبون قطعًا.

القسم الأول — فرز الصينية. انسكاب درج خلط المخزون.

  1. اقترح اختبارين سريعين — واحدًا باللمس وواحدًا بالنافذة والجدار — لفرز العدسات المجمِّعة عن المفرِّقة.
  2. العدسة أ تقذف صورة حادّة للشارع على الجدار عند 25cm25\,\mathrm{cm}. ما بعدها البؤري وما عائلتها؟
  3. والعدسة ب تأبى أن تقذف أيّ صورة على الجدار عند أيّ مسافة، والأشياء المرئية عبرها تبدو أصغر. ما عائلتها؟
  4. والعدستان ج ود مجمِّعتان كلتاهما؛ فالعدسة ج تصنع صورة النافذة عند 10cm10\,\mathrm{cm}، ود عند 40cm40\,\mathrm{cm}. فأيّهما أشدّ انحناءً وأقوى كسرًا؟

القسم الثاني — التركيبات.

  1. زبون يرى لافتات الطريق البعيدة مشوّشة لكنه يقرأ قوائم الطعام بلا جهد. شخّص العين وصِف العائلة.
  2. وآخر يمسك الجريدة على مدّ ذراعه ويشكو أن ذراعيه “قصيرتان”. شخّص وصِف.
  3. ويحذّر النظّاراتي الزبون الثاني: “نظّارة القراءة الجديدة ستشوّش الجبال عليك.” فلماذا تكون نظّارات القراءة للصفحات القريبة لا غير؟
  4. ويسأل طفل لماذا تجعل عدسات النظّاراتي التجريبية لوحة الفحص تسبح بينما عيناه هو “سليمتان”. فماذا تفعل عدسة تصحيحية بعين مبئَّرة جيّدًا؟

القسم الثالث — المقراب المشروخ. يجيء زبون بمقراب لرصد النجوم وعدسته الأمامية مشروخة، يسأل إن كانت المكبّرة الاحتياطية في العلبة تصلح بديلًا لها.

  1. سمِّ وظيفتَي العدستين في الآلة السليمة: ماذا تستقبل العدسة الأمامية الكبيرة من نجم وماذا تصنع منه، وماذا تفعل عدسة العين الصغيرة بذلك؟
  2. العدسة الأمامية بعرض صحن؛ وعدسة العين بحجم قطعة نقدية. فلماذا يهمّ عرض العدسة الأمامية كل هذا القدر للنجوم الخافتة؟
  3. والمكبّرة الاحتياطية شديدة الانحناء لكنها بحجم قطعة نقدية. احكم في الاستبدال: ماذا يُكسب وماذا يُفقد في مقدّمة الآلة؟
  4. اختم اليوم بعقيدة النظّاراتي في سطر واحد عن كل آلة على الرفّ — النظّارات، والمكبّرات، وآلات التصوير، والمقاريب — وبخلاصة الفعلين لما تفعله العدسات للحضارة.
حل

حل المسألة 60.1.

1. باللمس: وسط ناتئ فمجمِّعة، ووسط مجوّف فمفرِّقة. وباختبار النافذة: العدسات المجمِّعة تقذف نافذة مقلوبة على الجدار عند مسافة ما؛ والمفرِّقة لا تفعل ذلك أبدًا. 2. f=25cmf = 25\,\mathrm{cm}؛ ومجمِّعة. 3. مفرِّقة — فلا صورة حقيقية عند أيّ مسافة، والمنظر المصغَّر عبرها يختم الحكم. 4. ج: فالبعد البؤري الأقصر (10cm10\,\mathrm{cm}) يعلّم العدسة الأسمن الأقوى كسرًا. 5. تشويش في البعيد مع رؤية قريبة سهلة: قصر بصر — فالعين تكسر بقوة زائدة. وتوصف العائلة المفرِّقة. 6. القراءة على مدّ الذراع: العين المسنّة الطويلة البصر الضعيفة التبئير. وتوصف عدسات قراءة مجمِّعة. 7. عدسات القراءة تضيف قوة كسر مرصودة للصفحات القريبة؛ فإذا صُوّبت إلى الجبال، وأشعّتها تصل متوازية ولا تحتاج إلى عون، أفرطت القوة المضافة في الكسر — فتتركّب الصور قبل الشبكية، وتتشوّش القمم. 8. إضافة تصحيح إلى عين مبئَّرة جيّدًا تخلّ بتوازنها: فالعدسة التجريبية تكسر ضوءًا يضطرّ عين الطفل بعد ذلك إلى مصارعته، فتتركّب الصور خارج الشبكية — ولوحة الفحص السابحة احتجاج العين السليمة. 9. العدسة الأمامية تجمع أشعّة النجم المتوازية في صورة حقيقية صغيرة قرب بؤرتها؛ وعدسة العين مكبّرة معلّقة داخل بعدها البؤري من تلك الصورة، تكبّرها في عين الراصد. 10. كل نجم لا يسلّم إلا همسًا من الضوء لكل سنتيمتر مربّع؛ والعدسة بعرض الصحن تجمع السنتيمترات بالمئات، فتقمع ملء صحن طعام من الهمس في نقطة ساطعة واحدة. فالعرض شهيّة الفلكي. 11. المكبّرة بحجم القطعة النقدية، مهما اشتدّ انحناؤها، ستحصد ما يسع قطعة نقدية من ضوء النجوم حيث يلزم ما يسع صحنًا: فصور حادّة لعلّها، لكنها جائعة — والنجوم الخافتة تذهب. والمكسب: لا شيء لم تعطه عدسة العين سلفًا. الحكم: لا استبدال؛ فاطلب الزجاج المناسب. 12. مثلًا: “كل ما على هذا الرفّ يؤدّي فعلين: يجمع الضوء، ثم يسلّمه حيث تحتاج إليه العين — وعُدّة الحضارة البصرية كلها، من النظّارات إلى المراصد، هي هذان الفعلان بأحجام مختلفة.”

المصطلحات المعرَّفة في هذا الفصل

عرض كل المصطلحات (393) في المسرد