المفاهيم الأساسية

الفيزياء

الضوء

القياس

الرياضيات

مقدمة

هل تعلم أنه يمكنك استخدام الهاتف الذكي كأداة علمية لاستكشاف العالم من حولك؟ فالهواتف الذكية تحتوي على مستشعرات إلكترونية مدمجة، يمكنها قياس عدد من الظواهر المختلفة، مثل الصوت والضوء والحركة وغيرها. في هذا النشاط، سنستخدم مستشعر الضوء في هاتف ذكي أو «جهاز لوحي» tablet، لقياس درجة سطوع الضوء المنبعث من عدد من المصادر الضوئية والأماكن المختلفة. ما درجة سطوع مصباح القراءة في غرفة معيشتك مقارنةً بضوء الشمس المباشر؟ جرّب هذا النشاط واكتشف بنفسك!

معلومات أساسية

يبدو قياس الأشياء من حولنا -المسافة على سبيل المثال- أمرًا مألوفًا للغاية. تُستخدم وحدات القياس، مثل البوصة أو السنتيمتر، للتعبير عن المسافة بين نقطتين، ولكن هناك الكثير من الخواص الأخرى في العالم المحيط بنا، بإمكاننا تحويلها إلى كميات قابلة للقياس.

هل تعلم أنه بإمكانك قياس الضوء على سبيل المثال؟ يمكنك التعبير عن درجات الضوء المختلفة مقارنةً بأشياء أخرى، كأن تقول «داكنٌ كالليل» أو «أكثر سطوعًا من ضوء الشمس»، وإن كنت -على الأرجح- لن تستخدم الأرقام في هذه الحالة. ولكن مثلما تحتاج إلى مسطرة لقياس المسافة بين نقطتين، يمكنك أن تستعين بإحدى الأدوات لقياس وحدات الضوء الدقيقة.

يمكن قياس الضوء بطرق شتى. ومن وحدات القياس المستخدمة وحدة تُدعى «لُوكْس» Lux، تقيس كمية الضوء الساقطة على مساحة محددة. (وهذه الوحدة تختلف عن وحدة الـ«لومن» Lumens، التي تقيس إجمالي كمية الضوء المنبعث من مصدر ضوئي).

تقل قيمة اللوكس كلما ابتعدت عن مصدر الضوء، وهو أمر منطقي لو فكرّت فيه؛ فلو أنك تقف على بُعد 100 قدم من المصباح الكهربائي، ستكون الإضاءة أكثر خفوتًا مما لو كنت قريبًا من المصباح –مع أن كمية الضوء الصادرة عن المصباح والمَقيسة بوحدة اللومن لا تختلف في الحالتين.

في العادة، تتراوح مستويات اللوكس في الأماكن المفتوحة بين ما يقل عن 1/1,000 لوكس في ظلام الليل إلى ما يزيد على 30 ألف لوكس في ضوء الشمس المباشر!

هنا يأتي دور الهاتف الذكي. قديمًا، كانت هناك أجهزة مستقلة لقياس شدة الضوء (تُستخدم في التصوير الفوتوغرافي على سبيل المثال)، وهي أجهزة مزودة بمستشعر ضوء وشاشة؛ لعرض مستويات الضوء مقيسةً بوحدة اللوكس.

أما الهواتف الذكية والأجهزة اللوحية التي نستخدمها حاليًّا، فتأتي مزوّدة بمستشعرات ضوء مُدمجة، تعمل على تغيير درجة سطوع الشاشة تلقائيًّا وفق مستويات الضوء المحيطة (كزيادة سطوع الشاشة عند استخدام الجهاز في ضوء الشمس المباشر، وخفت الإضاءة في الأماكن الأكثر ظلمة، حتى تستطيع عيناك تحمّل شدة الضوء).

 كما يمكن استخدام تطبيقات إلكترونية على العديد من الهواتف الذكية لعرض قراءة شدة الضوء مَقِيسة بوحدة اللوكس. لتتعرف على المزيد حول مستويات الضوء في العالم المحيط، استخدم هاتفًا ذكيًّا أو جهازًا لوحيًّا وابدأ القياس.

المواد المستخدمة

  • هاتف ذكي أو جهاز لوحي متصل بالإنترنت، وضبط وضعيته بحيث يمكن تنزيل تطبيق إلكتروني وتثبيته.
  • شخص بالغ. (ليساعدك في التحقق من التطبيق وتنزيله)
  • مصادر ضوء مختلفة. (مصباح يدوي، مصباح كهربائي، مصباح سقف، إلخ)
  • أماكن مختلفة. (خزانة مظلمة، غرفة ذات نوافذ، منطقة خارجية مفتوحة، إلخ)
  • مسطرة. (اختياري)

التحضير

  • اطلب من شخص بالغ أن يساعدك في البحث عن تطبيق «لوكس ميتر» lux meter أو «لايت ميتر» light meter على الهاتف الذكي أو الجهاز اللوحي، توجد العديد من التطبيقات المجانية. (لاحظ أن بعض التطبيقات يكون مزودًا بخاصية الإعلانات، أو ربما تكون خاصية الشراء الإلكتروني من داخل التطبيق مفعّلة).
  • تعرّف على كيفية عمل التطبيق. بعض التطبيقات يعرض رقمًا على الشاشة فحسب، في حين يعرض البعض الآخر عدّادًا أو رسمًا بيانيًّا. كما أن هناك بعض التطبيقات التي تتيح إمكانية تسجيل البيانات. تأكّد من أن التطبيق جاهز للاستخدام: حرّك الهاتف من غرفة مظلمة إلى غرفة أخرى مضيئة، أو أمسك الهاتف بالقرب من مصباح ضوئي (توخّ الحذر لأن المصابيح الضوئية تكون ساخنة). سوف تلاحظ التبايُن في القراءات.
  • حدّد مكان مستشعر الضوء في الهاتف أو الجهاز اللوحي. ستجده عادةً أعلى الهاتف من الجهة الأمامية (جهة الشاشة). يمكنك تحديد مكان المستشعر بتمرير طرف إصبعك على سطح الهاتف في أثناء تشغيل التطبيق الخاص بقياس شدة الضوء. عندما تغطي إصبعك المستشعر، سوف تنخفض قراءة التطبيق فجأة. تأكّد من عدم تغطية المستشعر دون قصد في أثناء إجراء النشاط.
  • ملحوظة: تعرض بعض التطبيقات مستويات الضوء باستخدام وحدات أخرى مثل «قيمة التعرض الضوئي» ويُرمز إليها بالاختصار (EV)، وتُستخدم في التصوير الفوتوغرافي لقياس كمية الضوء الساقطة على الكاميرا. حتى مع استخدام هذا النوع من التطبيقات، لن يختلف أيٌّ من المفاهيم المشار إليها في هذا النشاط، وسيكون بإمكانك مقارنة مصادر الضوء المختلفة أو قياس التغيُّر في مستويات الإضاءة مع تغيُّر المسافة عن مصدر الضوء. الاختلاف الوحيد في أن القراءة المعروضة بوحدة «قيمة التعريض الضوئي» ستكون مختلفةً عن القراءة المعروضة بوحدة اللوكس.

الخطوات

  • اختبر تغيُّر القراءات بوحدة اللوكس مع تغيُّر المسافة عن مصدر ضوئي ثابت. على سبيل المثال، قف مباشرةً أسفل مصباح سقف، وأمسك بالهاتف مع توجيه الشاشة للأعلى، ثم حرّك الهاتف تارةً للأعلى وتارةً للأسفل. يمكنك أيضًا الإمساك بالهاتف من الجانب وتوجيهه نحو مصباح أرضي في أثناء السير تارةً باتجاه المصباح وتارةً بعيدًا عنه. كيف تتغير القراءات المعروضة مع تغير المسافة؟
  • الآن قارن بين عدة مصادر إضاءة صناعية على نفس المسافة. يمكنك استخدام مسطرة أو أي أداة مناسبة (أو الاستعانة بذراعك مثلًا) لقياس المسافة. لا يُشترط استخدام مسافة معينة، بشرط أن تحافظ على المسافة نفسها مع مصادر الإضاءة المختلفة. ما وجه الاختلاف بين المصباح اليدوي والمصباح الكهربائي؟ وماذا عن الضوء المنبعث من جهاز تلفاز أو شاشة حاسوب؟ أيّ مصادر الضوء في منزلك هو الأشد إضاءة؟ وأيها الأقل إضاءة؟
  • أخيراً، قِس مستويات إضاءة محيطة في عدة أماكن مختلفة. أطفئ جميع مصادر الإضاءة الصناعية. ما الفرق بين مستويات الضوء في الخارج وفي الداخل؟ وما الفرق بين غرفة أغطية نوافذها مغلقة وأخرى أغطية نوافذها مفتوحة؟ وماذا عن غرفة نومك ليلًا مقارنة بالغرفة نفسها نهارًا؟ أيّ غرفة في منزلك تتعرض لأكبر قدر من الضوء الطبيعي؟ وأيّ غرفة يصل إليها أقل قدر من الضوء؟
  • خطوة إضافية: جرّب إمالة الهاتف نحو مصدر ضوئي، ولاحظ تغيُّر القراءات مع تغيُّر زاوية الإمالة.

الملحوظات والنتائج

لعلّك لاحظت التغيُّر الواضح في قراءة شدة الضوء مَقيسةً بوحدة اللوكس مع تغيُّر المسافة عن مصدر الضوء. فهذه القراءة لن تتعدى بضع عشرات أو مئات من وحدة اللوكس إذا كنت في جانب الغرفة المقابل للمصباح الكهربائي. أما إذا كنت ممسكًا بالهاتف مقابل المصباح مباشرةً، فستصل القراءة إلى آلاف أو ربما عشرات الآلاف من وحدة اللوكس. ويرجع ذلك إلى القاعدة الرياضية المعروفة باسم «قانون التربيع العكسي» Inverse Square Law، فمع انتشار الضوء بعيدًا عن المصدر، سرعان ما تقل كمية الضوء الساقطة على كل مساحة من المساحات المحيطة. ورغم أن الشمس بعيدة عنَّا للغاية، فسنلاحظ أن قراءة شدة الضوء في ضوء الشمس المباشر تكون مرتفعة جدًّا (ربما تصل إلى عشرات الآلاف من اللوكس)، وهو ما يعطينا فكرة عن درجة سطوع الشمس نفسها!

إذا جرّبت إمالة هاتفك، فربما تكون قد لاحظت انخفاضًا في مستوى القراءة رغم أن المسافة بين الهاتف ومصدر الضوء لم تتغير. فكمية الضوء الساقطة على سطحٍ ما تتأثر هي الأخرى بزاوية هذا السطح مع مصدر الضوء؛ لأن الضوء يتحرك في خط مستقيم. وعليه، فإن السطح المتعامد (عند زاوية 90 درجة) مع أشعة الضوء سوف يستقطب أكبر كمية من الضوء. وهو ما يفسّر أهمية توجيه الألواح الشمسية بصورة مباشرة نحو الشمس، كما يفسّر أيضًا سبب انخفاض الضوء (وزيادة البرودة) عند قطبي الأرض مقارنةً بخط الاستواء.

قد يكون وجود وحدة قياس وجهاز لقياس هذه الوحدة أمرًا مفيدًا في تحديد البيئات المختلفة ومقارنتها على نحوٍ أكثر دقة. فقد تجد أن هناك نطاقًا معينًا من وحدات اللوكس تشعر معها بالراحة عند قراءة كتابٍ ما. ويمكن استخدام المفهوم نفسه عند تصميم المباني، مثل المدارس مثلًا، لضمان وصول قدرٍ كافٍ من الضوء إلى الأجزاء المختلفة في المبنى، وكذلك القدر المناسب لأنواع مختلفة من الأنشطة.

وفق نوع الهاتف أو التطبيق الذي استخدمته في هذا النشاط، ربما يكون نطاق القيم التي قستها مقيّدًا بحدٍّ معين. فبعض التطبيقات -على سبيل المثال- لا يعرض قراءة الأعداد العشرية، الأمر الذي يُصعّب قياس مستويات الضوء التي تقل عن 1 لوكس (بعبارة أخرى، حتى إذا كانت القراءة الفعلية 0.4 لوكس، فستظهر القراءة على التطبيق 0 لوكس). وينطبق ذلك على الأماكن شديدة الظلمة، كما هو الحال داخل خزانة أو في الخارج في أثناء الليل. وبالمثل، ربما يكون هناك حدّ أقصى للقراءة وفق التطبيق أو الهاتف المستخدم.

قد تجد القراءة المعروضة على التطبيق في ضوء الشمس المباشر عشرة آلاف لوكس فقط، في حين أنك تتوقع وصولها إلى ثلاثين ألف لوكس أو أكثر.

من المهم وضع ذلك في الاعتبار عند استخدام أي جهاز للقياس. فكما أن طول المسطرة لا يكفي لقياس ملعب لكرة القدم، وكما أن الترمومتر المنزلي لا يمكن أن يقيس درجة حرارة سطح الشمس، فالعديد من أدوات القياس الإلكترونية لا يعرض النطاق الكامل لجميع القياسات الممكنة.

More to Explore
Understanding Illuminance: What's in a Lux? from All About Circuits
Inverse Square Law, Light, from Hyperphysics at Georgia State University
Recommended Light Levels (Illuminance) for Outdoor and Indoor Venues (pdf), from National Optical Astronomy Observatory
Science with a Smartphone: Decibel Meter, from Scientific American
STEM Activities for Kids, from Science Buddies

This activity brought to you in partnership with Science Buddies

Science Buddies