المفاهيم الرئيسية

الفيزياء

الطول الموجي

الانكسار

الانعكاس

 مقدمة

هل تعلم أنه في الولايات المتحدة عادةً ما يتمكَّن الناس من عد سبعة ألوان في قوس قزح، أما في أماكن أخرى من العالم فقد لا يعد الناس سوى خمسة ألوان؟ جميعنا نرى أقواس قزح نفسها، ولكن قد يكون من الصعب عد الألوان لأن جميعها تندمج معًا بانسيابية شديدة. لذا في المرة القادمة التي ترى فيها قوس قزح في السماء حاول أن تعد كم لونًا مميزًا يمكنك أن تراه!

إذا كنت لا تريد الانتظار هذا الوقت كله، فيمكنك عد الألوان في قوس قزح مصغر تصنعه أنت بنفسك من خلال هذا النشاط! باستخدام قوس قزح المصغر هذا يمكننا استكشاف فيزياء الضوء التي تصنع هذه "الأقواس الممطرة" الجميلة.

معلومات أساسية

بالإضافة إلى ما لها من منظر جميل، تُعَد أقواس قزح مثالًا رائعًا لتشتُّت الضوء المرئي وطيف أطواله الموجية. ينتقل الضوء المرئي على هيئة موجة، مثلما تفعل موجات الصوت وأمواج المحيط. وكما هو الحال عندما نسمع أصواتًا مختلفة وفقًا لأطوالها الموجية، فإننا نرى الأطوال الموجية المختلفة للضوء كطيف من الألوان من الأحمر إلى الأزرق، وبالطريقة نفسها يمكننا اختيار حبة من حلوى الجيلي الصفراء من داخل وعاء مملوء بحلوى مختلفة الألوان. وعادةً ما يُشار إلى الألوان الموجودة في طيف الضوء المرئي بالحروف ROYGBIV، وهي حروف ترمز إلى الألوان التالية: الأحمر، والبرتقالي، والأصفر، والأخضر، والأزرق، والنيلي، والبنفسجي. هذا هو ترتيب الأطوال الموجية للضوء المرئي ابتداءً بالأحمر (الأطول) وانتهاءً بالبنفسجي (الأقصر). وهذا أيضًا هو الترتيب الذي تظهر به الألوان في قوس قزح!

تظهر أقواس قزح عندما يسطع ضوء الشمس عبر قطرات الماء المعلقة في الجو. تعمل كل قطرة ماء كمنشور صغير يكسر الضوء ويعكسه باتجاه أعيننا. عندما يدخل ضوء الشمس إلى إحدى قطرات الماء فإنه ينكسر أولًا (ينحني عند دخوله قطرة الماء)، ثم ينعكس بواسطة السطح الداخلي لقطرة الماء، فيستدير بزاوية (قريبة جدًّا من) 90 درجة، ومن ثَم ينكسر مجددًا عند خروجه من قطرة الماء وعودته للهواء. الكثير من القفز هنا وهناك! 

"انكسار الضوء" هو مصطلح يعبر عن الطريقة التي ينحني بها الضوء عند دخوله لوسائط مختلفة. ويمكنك ملاحظة انكسار الضوء بنفسك إذا ملأت كوبًا زجاجيًّا نظيفًا بالماء ونظرت من خلاله. حينها سيبدو كل شيء على الجانب الآخر من الكوب مشوهًا بعض الشيء. يحدث هذا نتيجةً لانحناء الضوء عند دخوله للجانب البعيد من الكوب، وانتقاله عبر الماء، ثم الجانب الآخر من الكوب قبل وصوله إلى عينيك.

تنحني الأطوال الموجية المختلفة في الضوء بدرجات مختلفة. تنحني الأطوال الموجية الأقصر (مثل الأزرق والبنفسجي) بدرجة أكبر بعض الشيء من الأطوال الموجية الأطول (مثل الأحمر والبرتقالي). عندما يدخل الضوء الأبيض (والذي يحتوي على جميع ألوان الضوء) إلى قطرة ماء ثم يغادرها مجددًا، ينكسر كل طول موجي مختلف للضوء بزاوية مختلفة قليلًا. ونتيجةً لذلك، يتحلل الضوء الأبيض إلى العناصر المكوِّنة له، وعندها نتمكَّن من رؤية جميع الألوان على هيئة قوس قزح جميل!

 المواد المستخدمة

  • مقلاة خبز زجاجية غير عميقة
  • ماء
  • ورقة بيضاء
  • ورقة حمراء
  • ورقة زرقاء
  • ضوء الشمس
  • طاولة أو كرسي أو مساعد ليحمل لك المقلاة

 التحضير

  • املأ مقلاتك إلى حوالي نصفها بالماء.
  • خذ مقلاتك إلى الخارج وضعها على الطاولة بحيث تكون إحدى نهايتيها بارزةً عن حافة الطاولة. كن حريصًا لئلا تنقلب المقلاة! لتثبيت المقلاة في مكانها يمكنك استخدام مقلاة أخرى أو الاستعانة بمساعدك.

الطريقة

  • ضع ورقتك البيضاء على الأرض حيثما يسقط ضوء الشمس المار عبر مقلاتك. ما الذي يمكنك ملاحظته بشأن مظهر الماء على الورقة؟ هل ترى أية ألوان؟
  • غيِّر زاوية الورقة ببطء حتى يتشكَّل عليها قوس قزح صغير. جرب تغيير زاوية الورقة حتى تحصل على أكبر قوس قزح ممكن. أي وضع للورقة ينتج عنه أفضل قوس قزح؟ أي وضع يجعل رؤية قوس قزح من أصعب ما يمكن؟ ما أكثر الألوان وضوحًا في قوس قزح؟ ما أكثرها صعوبةً من حيث إمكانية تمييزها؟
  • لاحظ ترتيب الألوان الذي يظهر على الورقة. ما هو اللون الموجود في قاع قوس قزح؟ ما هو اللون الموجود في قمته؟
  • أمسك ورقتك البيضاء بحيث يمكنك رؤية قوس قزح عليها، ثم ضع الورقة الزرقاء برفق فوق الورقة البيضاء. ما الذي تلاحظه بشأن قوس قزح على الورقة الزرقاء؟ هل تصبح رؤيته أسهل أم أصعب؟
  • بدِّل مرارًا وتكرارًا بين الورقة البيضاء والورقة الزرقاء، ولاحظ كيف يتغير قوس قزح. أي الألوان تُعَد رؤيتها الأكثر سهولة على الورقة الزرقاء؟ أي الألوان تُعَد رؤيتها أكثر صعوبة؟ أي الألوان تُعَد رؤيتها الأكثر سهولة على الورقة البيضاء؟ أي الألوان تُعَد رؤيتها أكثر صعوبة؟ جرب كل ورقة ولاحظ ما إذا كان من الأسهل رؤية الألوان عند قمة قوس قزح أم عند قاعه.
  • اسحب الورقة الزرقاء، ولكن دع الورقة البيضاء في مكانها بحيث يظل قوس قزح مرئيًّا عليها. ضع الورقة الحمراء برفق فوق الورقة البيضاء. ما الذي تلاحظه بشأن قوس قزح على الورقة الحمراء؟ هل تصبح رؤيته أسهل أم أصعب؟
  • بدِّل بين الورقة البيضاء والورقة الحمراء مرارًا وتكرارًا، ولاحظ كيف يتغير قوس قزح. أي الألوان تُعَدُّ رؤيتها الأكثر سهولةً على الورقة الحمراء ؟ أي الألوان تُعَدُّ رؤيتها أكثر صعوبة؟ أي الألوان تُعَدُّ رؤيتها الأكثر سهولة على الورقة البيضاء؟ أي الألوان تُعَدُّ رؤيتها أكثر صعوبة؟ جرب كل ورقة ولاحظ ما إذا كان من الأسهل رؤية الألوان عند قمة قوس قزح أم عند قاعه.
    • إضافة: استخدم أقلام رصاص ملونة، أو أقلام طباشير ملون، أو أقلام التخطيط لتحديد ألوان قوس قزح الذي تراه على أوراقك البيضاء، والزرقاء، والحمراء. استخدم حاملًا ذا مشابك لتثبيت الورقة واملأ بالتلوين أماكن ألوان قوس قزح الذي تراه على كل ورقة. قارن الألوان التي رسمتها!

المشاهدات والنتائج

في هذا النشاط، قمت أنت بعمل قوس قزح مصغر خاص بك، وعلى الرغم من كونه أصغر كثيرًا من أقواس قزح التي تراها في السماء، إلا أن كليهما يستند إلى المبادئ نفسها: انعكاس الضوء وانكساره.

 نعلم أن الانكسار يشير إلى كيفية انحناء الضوء عندما يمر عبر وسائط أو مواد مختلفة، مثل الزجاج، أو الماء، أو البلاستيك. عندما يسطع ضوء الشمس عبر الماء الموجود في مقلاتك الزجاجية، فإن الضوء ينحني. ولأن الضوء الأبيض (كضوء الشمس مثلًا) يتكون من جميع الألوان المرئية، فهذا يعني أن هذه الألوان جميعها من شأنها أن تنحني. ولأن هذه الألوان المختلفة من الضوء لديها أطوال موجية مختلفة، فإنها تنحني بزوايا مختلفة بعض الشيء. ويعمل الماء على التحليل الفعال للضوء الأبيض إلى مكوناته الملوَّنة المختلفة. يصل هذا الضوء إلى ورقتك، وعندها يمكنك رؤية جميع الألوان المختلفة المنعكسة.

 لا بد أنك قد لاحظت أن الضوء الظاهر في قوس قزح قد تغير وفقًا للون الورقة التي يسقط عليها. لاحظ أن التغيرات التي رأيتها تعتمد على درجة زُرقة الورقتين المستخدمتين واحمرارهما. إن كنت قد وجدت نتائج مختلفة بعض الشيء عما هو مذكور هنا، فلا بأس من هذا! جرب ألوانًا أخرى من الورق لترى ما ستحصل عليه من نتائج أخرى.

 باستخدام الورقة البيضاء يجب أن تكون قد تمكَّنت من رؤية جميع الألوان بوضوح. ويرجع هذا إلى أن الورقة البيضاء تعكس الضوء الأبيض -وكما نعلم، يتكوَّن الضوء الأبيض من الطيف الكامل للضوء المرئي. وبناءً عليه، يمكن رؤية جميع الألوان في قوس قزح الخاص بك. عندما استخدمت الورقة الزرقاء ربما تكون قد لاحظت أن بعض الألوان ظهرت بشكل أوضح قليلًا. إذا كان من الأسهل لك رؤية قوس قزح باستخدام الورقة الزرقاء، فربما يرجع هذا إلى عدم رؤيتك الماء منعكسًا على الورقة الزرقاء بالقدر نفسه الذي ينعكس به الماء على الورقة البيضاء. قد يجعل انعكاس الماء على الورقة البيضاء الرؤية الواضحة لقوس قزح أمرًا أكثر صعوبة. ما تفعله الورقة الزرقاء هو أنها -بدلًا من أن تعكس كل الضوء كما تفعل الورقة البيضاء- تمتص بعض الألوان وتعكس ألوانًا أخرى. بوجه عام، تمتص الصبغة الزرقاء على الورقة الضوء الأحمر، فتسمح لبعض الضوء الأخضر وجميع الضوء الأزرق بالانعكاس. ولأن العديد من الألوان المرئية في قوس قزح تتكون من بعض الضوء الأخضر والأزرق (ويتضمن ذلك بعض درجات الأصفر والوردي، والتي تحتوي على ضوء أخضر وأزرق)، قد تكون ألوان قوس قزح التي رأيتها على ورقتك الزرقاء ظهرت مشابهةً لتلك التي رأيتها على الورقة البيضاء.

 من ناحية أخرى، عندما استخدمت الورقة الحمراء، ربما تكون قد لاحظت أن قوس قزح كان مختلفًا بدرجة كبيرة. تمتص الصبغة الحمراء على الورقة الضوء الأزرق والأخضر وتعكس الضوء الأحمر فقط. ولأن الأخضر والأزرق يكوِّنان جزءًا كبيرًا من قوس قزح المرئي، فإن إزالة هذين اللونين تنتج عنها نسخة غير مستساغة من قوس قزح. ومن المحتمل أنك لم تستطع رؤية العديد من الألوان، باستثناء بعض البرتقالي والأحمر في أقصى قاع قوس قزح الخاص بك.

 استكشف المزيد

دمج الضوء لصنع الألوان – من "ساينس باديز"

ظلال التصوير بالألوان: دروس في الضوء واللون – من "ساينس باديز"

علم الحلول: كروماتوجرافية الحلوى الملونة – من ساينتفك أمريكان

أنشطة علمية لجميع الأعمار! – من "ساينس باديز"

 هذا النشاط مقدم لكم بالاشتراك مع "ساينس باديز"