المفاهيم الأساسية

علم الفيزياء

علم البصريات

الضوء

الانعكاس

مقدمة

هل زرت بيت مرايا من قبل، وشاهدت صورةً غريبة ومضحكة لنفسك؟ في هذا النشاط يمكنك إنشاء بيت مرايا مصغر خاص بك. جرب وشاهد الصور المنعكسة المضحكة التي يمكنك أن تصنعها.

معلومات أساسية

نرى الأجسام عندما يرتد الضوء المنعكس منها على أعيننا. حينها، يستخدم المخ إشارات العينين لإعادة تكوين صورة الجسم.

في أثناء عملية إعادة تكوين الصورة، يفترض المخ عددًا من الأمور، أحدها أنَّ أشعة الضوء تحركت في خطٍّ مستقيم من الجسم إلى العين. ورغم أنَّ أشعة الضوء تتحرك عادةً في خط مستقيم، فإنَّها في بعض الحالات يمكن أن تغير اتجاهها أولًا قبل وصولها إلى العين، على سبيل المثال، عندما يدخل شعاع ضوء مادة شفافة كالماء، أو يخرج منها، أو يرتد عن مادة لامعة كالمرآة. لكنَّ مخك يُجري عملية إعادة تكوين الصورة كالمعتاد، ويتعامل مع الصورة كما لو كانت قد تكونت عن طريق أشعة تحركت في خطٍّ مستقيم. ونتيجةً لذلك، قد يعيد مخك بناء صورة تبدو مختلفةً عن الجسم الأصلي، أي أنَّ مخك يتعرض لما يشبه الخدعة!

يشبه انعكاس الضوء على سطحٍ ما كرةً ترتد بعد سقوطها على أرضية. إذا كانت هذه الأرضية مسطحة، وأسقطتَ الكرة في خطٍّ مستقيم، فإنَّ الكرة سترتطم بالأرضية وتعكس اتجاهها، مرتدةً إلى الأعلى في خطٍّ مستقيم. يُسمَّى هذا الاتجاه «الخط العمودي» على السطح. وإذا أسقطت الكرة بزاوية من هذا الخط العمودي، فسوف ترتد في الجانب الآخر منه، لكن بمقدار الزاوية نفسه. ينطبق المبدأ نفسه على الضوء المنعكس (أو المرتد) من سطحٍ ما. في هذه الحالة، يُعرف شعاع الضوء المقترب من السطح بـ«الشعاع الساقط». إذا وقع الشعاع الساقط على السطح العاكس بزاويةٍ معينة، فإنَّ الشعاع المنعكس يرتد من السطح العاكس بالزاوية نفسها، لكن على الجانب الآخر من الخط العمودي. بعبارةٍ أخرى، يشكل الشعاعان الساقط والمنعكس شكل حرف «V» متماثل تمامًا، والخط العمودي يصبح هو خط التماثل.    

تعكس المرايا تقريبًا كل الضوء الذي يسقط على سطوحها. إضافةً إلى ذلك، فسطوحها ملساء للغاية، وعادةً ما تكون مستوية، فتعكس الضوء عنها بإحكام، ما يُكوِّن صورةً جيدة لكن «معكوسة» للأجسام. تنتج عن هذا صورةٌ نقية على شبكية العين، وبالتالي يُعاد تكوين الصورة بوضوح. أما الأسطح اللامعة غير الملساء تمامًا فيمكن أن تؤدي إلى صور غير واضحة أو مشوَّشة.

لهذا تمكِّنك المرايا من رؤية نفسك أو الأجسام الموجودة خلفك. لكن هل تعرض لك دائمًا صورةً دقيقة؟ جرب هذا النشاط لترى كيف يمكن أن تخدعك المرايا.  

المواد المستخدمة

  • ورقة عاكسة، يمكن الحصول عليها من متجر للحرف اليدوية، أو متجر للمستلزمات الورقية. ويمكن استخدام رقائق ألومنيوم جديدة وغير متجعدة، لكن لأنَّ الصور مشوشة، فإنَّ المشاهدات لن تكون واضحةً بدرجةٍ كافية.
  • شبشب قديم بإصبع لا تحتاجه ويمكن لك إتلافه. وإذا لم يكن متوافرًا، استخدم نعلًا قديمًا أو ورقًا مقوّى سميكًا.
  • سيخان.
  • أجسام صغيرة ملونة، مثل التماثيل الصغيرة، أو ألعاب الأطفال الصغيرة، أو بطارية، أو ممحاة... إلخ. (وإذا كنتَ تستخدم رقائق الألومنيوم، فمن الأفضل أن تختار أجسامًا ذات ألوانٍ زاهية).
  • ملعقة من الفولاذ المقاوم للصدأ، جديدة بقدر الإمكان. (اختياري)
  • غراء. (اختياري)
  • أكواب وأوانٍ ومغارف من الفولاذ المقاوم للصدأ، وغيرها من أدوات المطبخ. (اختياري)

التحضير

  • لتصنع مرآةً قابلة للطي، قص مستطيلًا من ورقتك العاكسة لتغطية نعل الحذاء (أو أي دعامة أخرى ستستخدمها).
  • ضع الحذاء على الطاولة في اتجاهٍ أفقي (بحيث يكون الجانب الطويل من الحذاء موازيًا لجانب الطاولة)، ونعله لأعلى.
  • ضع مستطيل الورقة العاكسة على الحذاء، بحيث يكون الجانب العاكس مواجهًا للأعلى.
  • اغرز أحد السيخين بعناية عبر الورقة العاكسة في الحذاء على مسافة بوصة تقريبًا من الطرف الأيمن، واغرز السيخ الثاني على مسافة بضعة سنتيمترات من الطرف الأيسر للحذاء. يجب أن يُثبَّت السيخان عموديًّا على الحذاء (في حالة الضرورة، يمكنك استخدام الغراء لتثبيت السيخين في مكانهما).

الطريقة

  • اقلب مرآتك على جانبها بحيث يكون الجانب الطويل مرتكزًا على الطاولة، والجانب العاكس مواجهًا لك. ضع جسمًا صغيرًا على الطاولة أمام المرآة. إذا كان هذا الجسم نحيفًا وطويلًا، ضعه على جانبه. هل يمكنك أن ترى الصورة المنعكسة في المرآة؟
  •  قارن انعكاس الجسم في المرآة بالجسم نفسه. هل يبدوان متماثلين؟ هل الحجم واللون متطابقان؟ هل الجسم وانعكاسه موجودان في الموضع نفسه؟
  • ادفع جانبي المرآة إلى الخلف بحيث يبرز الوسط تجاهك. هذا النوع من المرايا المقوسة يُسمَّى «المرآة المحدبة». قارن انعكاس الجسم في المرآة المحدبة بالجسم نفسه. هل يبدوان متماثلين؟ إذا لم يكونا كذلك، فما هو الاختلاف؟
  • اترك المرآة تعود إلى وضع الاستواء، ثم ادفع وسطها إلى الوراء وجانبيها إلى الأمام، بحيث يتراجع وسطها إلى الداخل. هذا النوع من المرايا المقوسة يسمى «المرآة المقعرة». قارن انعكاس الجسم في المرآة المقعرة بالجسم نفسه. هل يبدوان متماثلين؟ إذا لم يكونا كذلك، فما الاختلاف؟
  • كرر الخطوات الثلاث السابقة مع بضعة أجسامٍ أخرى. هل تلاحظ أمورًا متشابهة في كل مرة؟ متى تصبح الأجسام أطول أو أقصر؟ وفي أي اتجاه تتغير؟
  • يبرز السيخان في اتجاهٍ مستقيم من المرآة. يُسمي العلماء هذا الاتجاه بـ«الخط العمودي» على السطح. هل تلاحظ أنَّ السيخين في المرآة المستوية يكونان متوازيين؟
  • انظر ماذا يحدث للسيخين عندما تُقوِّس المرآة لتصبح مرآةً محدبة. هل ما زال السيخان متوازيين؟ إذا لم يكونا كذلك، هل يقترب طرفا السيخين من بعضهما أم يتباعدان؟
  • اصنع مرآةً مقعرة، وانظر مرةً ثانية. هل السيخان متوازيان؟ وإذا لم يكونا كذلك، هل يقترب طرفاهما من بعضٍ أم يتباعدان؟
  • تصنع أشعة الضوء الساقطة والمنعكسة شكل حرف «V» متماثل تمامًا، بحيث يكون الخط العمودي هو خط التماثل. في المرايا المستوية تصبح تلك الخطوط العمودية متوازيةً (ممثلةً في السيخين). لكن في المرايا المقعرة تقترب تلك الخطوط العمودية من بعضها وتتجه أطرافها إلى الداخل، وفي المرايا المحدبة تتباعد عن بعضها وتتجه أطرافها إلى الخارج. يتماثل هذا مع ما يحدث مع أشعة الضوء؛ إذ تتقارب عند تقويس المرآة إلى الداخل (مرآة مقعرة)، وتتباعد عندما تُقوَّس إلى الخارج (مرآة محدبة). هل يمكنك استخدام هذه المعلومات لتفسير التشوهات التي تراها في الصور المنعكسة في المرايا المقعرة والمحدبة؟
  • خذ المرآة في يديك، وأمسكها في اتجاهٍ عمودي أمامك (بحيث تكون طويلةً وغير عريضة). هل يمكنك رؤية وجهك؟ كيف سيبدو وجهك إذا قوست المرآة في اتجاه، ثم في الاتجاه الآخر؟
  • اثنِ المرآة لتجعلها محدبة. كيف يبدو وجهك في المرآة المحدبة؟ هل كان توقعك صحيحًا؟
  • اثنِ المرآة لتجعلها مقعرة. كيف يبدو وجهك في المرآة المقعرة؟ هل كان توقعك صحيحًا؟

نشاط إضافي: في السابق كنا نقوِّس المرايا في اتجاهٍ واحد. في رأيك كيف ستبدو الصور المنعكسة لو كانت المرايا مقوسةً في كل الاتجاهات، مثل الملعقة؟ حاول أن ترى انعكاس صورتك أو صورة جسم صغير على السطح الخارجي لملعقة معدنية. (كلما كانت الملعقة جديدة، كانت الصورة أكثر وضوحًا). ماذا تلاحظ؟ ماذا سيحدث برأيك عندما تعكس صورتك أو صورة جسم آخر على السطح الداخلي للملعقة؟ جرب. هل كان توقعك صحيحًا؟

نشاط إضافي: خذ جسمًا صغيرًا وحركه بعيدًا عن السطح الداخلي للملعقة، ثم قرِّبه منه. والآن قرِّبه للغاية، حتى يلمس السطح تقريبًا. هل لا تزال الصورة المنعكسة مقلوبةً عندما تقرب الجسم؟ لماذا يحدث ذلك في رأيك؟

نشاط إضافي: خذ مرآتك المصنوعة منزليًّا، وقوِّسها لتصبح مقعرةً. قوِّسها بعمق، وحاول تحديد النقطة التي سيلمس فيها طرفا السيخين بعضهما إذا كانا طويلين بما يكفي. ربما تلمس أسياخك بعضها بالفعل! ضع جسمًا أقرب إلى المرآة من تلك النقطة، وجسمًا آخر أبعد. اضبط موقعك وموقع الجسمين بحيث يمكنك رؤية انعكاسيهما في المرآة. هل تلاحظ شيئًا غريبًا بشأن الصورة المنعكسة للجسم البعيد؟ هل يمكن أن يساعدك ذلك في معرفة متى تنقلب الصورة المنعكسة في المرآة المقعرة، ومتى لا تنقلب؟

نشاط إضافي: خذ أجسامًا صغيرة، وانظر كيف تبدو صورتها المنعكسة في أكوابٍ وأوانٍ ومغارف لامعة مصنوعة من الفولاذ المقاوم للصدأ. هل تستطيع أن تفهم ما تراه؟

المشاهدات والنتائج

هل رأيت الصور المنعكسة المشوهة في المرايا المقوسة؟ تنتقل أشعة الضوء التي تنطلق من نقطةٍ على جسمٍ في جميع الاتجاهات. وترتد الأشعة التي تصل إلى المرآة مثلما ترتد كرةٌ من سطحٍ أملس. يصل بعض هذه الأشعة إلى العين. ويعتقد المخ أنَّ الجسم موجود في الموقع الذي تلتقي فيه هذه الأشعة الضوئية المنعكسة أو امتداداتها، وهذا هو الموقع الذي يظهر فيه الجسم عندما نراه في المرآة.  

في المرآة المستوية، تكون الأسياخ -التي تمثل الخط العمودي على السطح- متوازيةً. يُنتج هذا أشعةً منعكسة تلتقي عند نقطة خلف المرآة، لذلك تظهر الصورة في الجانب الآخر من المرآة. ويكون الانعكاس بالحجم نفسه ويظهر على المسافة نفسها من المرآة مثل الجسم الحقيقي.

لكن في المرآة المحدبة، تتباعد الأسياخ عن بعضها مشيرةً نحو الخارج. في هذه الحالة ترتد أشعة الضوء بالطريقة نفسها بالنسبة للخط العمودي، لكن نظرًا إلى أنَّ الأسياخ تتجه بعيدًا عن بعضها، فإنَّ الأشعة تنتشر بدرجة أكبر من انتشار الأشعة المنعكسة من مرآة مستوية. تلتقي هذه الأشعة أيضًا في نقطة خلف المرآة، لكن ليس على المسافة نفسها مثلما يحدث في المرآة المستوية. ولهذا يظهر الجسم المنعكس في مرآة محدبة أقرب إلى المرآة وأصغر من حجمه الحقيقي.

وفي المرآة المقعرة، تشير الأسياخ باتجاه بعضها، فتنتشر أشعة الضوء المنعكسة بدرجةٍ أقل مما يحدث في المرايا المستوية. ويبدو انعكاس الجسم القريب من المرآة أكبر وأبعد مما هو عليه في الواقع. وإذا كانت الأسياخ طويلةً بدرجة كافية، ستجد أنَّها تلتقي في نقطةٍ قبل المرآة. وإذا قرَّبت الجسم إلى النقطة التي تلتقي فيها الأسياخ، فإنَّ الأشعة المنعكسة ستنتشر بدرجةٍ أقل. ونتيجةً لذلك، سيبدو الجسم أكبر وأبعد. وكلما اقترب الجسم أكثر من تلك النقطة تصبح الصورة المنعكسة أكبر، إلى درجة أنَّ مرآتك قد تعرض فقط جزءًا منها. وبمجرد أن تتجاوز نقطة تلاقي الأسياخ، يحدث شيءٌ غريب، وهو أنَّك ترى الجسم مقلوبًا، يتبادل الجانبان الأيمن والأيسر من الصورة مكانيهما (إذا كانت مرآتك في اتجاهٍ أفقي)، أو يتبادل الجانبان الأعلى والأسفل مكانيهما (إذا أمسكت المرآة في اتجاهٍ عمودي). يحدث ذلك لأنَّ أشعة الضوء تتقابل قبل المرآة، لذلك فإنَّ شعاع الضوء الذي يخرج من الجزء الأيمن من الجسم يرتد منعكسًا نحو اليسار، وكذلك يرتد الشعاع الخارج من الجزء الأعلى إلى الأسفل. وبما أنَّ السطح الداخلي للملعقة مقوس في الاتجاهين الأفقي والرأسي، يتبادل الجانبان الأيمن والأيسر من الصورة مكانيهما، وكذلك الأعلى والأسفل.   

More to Explore
The Reflection of Light, from Optics 4 Kids
Concave Mirror—Why Is Your Reflection Upside Down on a Spoon?, from It's AumSum Time
Why Is a Convex Mirror Used as a Rear View Mirror?, from It's AumSum Time
Can You Create an Infinite Number of Reflections?, from Scientific American
Use a Drop of Water as a Magnifying Glass, from Science Buddies
Sight-Line Science: Candle in the Mirror, from Scientific American
STEM Activities for Kids, from Science Buddies

Science Buddies