الفيزياء علوم

بحث عن سرعة الضوء

يشير مفهوم الضوء إلى موجات من الأشعة الكهرومغناطيسية التي تتراوح بين الأشعة فوق البنفسجية والأشعة تحت الحمراء. يعتبر الضوء عنصرا رئيسيا في الطيف الكهرومغناطيسي، وتتراوح موجات الضوء بين 380 نانومتر و730 نانومتر. وتعتبر الشمس مصدرا رئيسيا للضوء للكائنات الحية.

في العصور القديمة قبل اختراع المصابيح للإضاءة، كان الإنسان يعتمد على النار كمصدر رئيسي للضوء، وكانت بعض الكائنات الحية مثل الحشرات مثل الفراشات المضيئة تمتلك ضوءا داخل أجسامها. تنقسم مصادر الضوء إلى طبيعية وصناعية، ومن أبرز المصادر الطبيعية القمر والنجوم. أما المصادر الصناعية للضوء، فيشمل المصابيح مثل المصباح الفلورسنت والمصباح المتوهج والمصباح الهالوجيني ومصباح الزئبق.

مفهوم سرعة الضوء

يشير مفهوم سرعة الضوء إلى السرعة التي ينتجها انتقال الضوء عبر مسافة محددة في فترة زمنية.
تقدر سرعة الضوء في الثانية الواحدة، وفيها يقطع الضوء مسافة تصل إلى 299,792,457.4 متر وتعادل 300 ألف كيلومتر.
تمثل سرعة الضوء السرعة الأعلى على كوكب الأرض والتي تفوق السرعات الأخرى مثل سرعة الصوت.
في الأزمنة القديمة، كان من الصعب العثور على قيمة سرعة الضوء، حيث حاول الكثير من العلماء قياسها.

أسماء العلماء من حاولوا قياس سرعة الضوء

فيما يلي يمكنك التعرف على أبرز العلماء الذين حاولوا قياس سرعة الضوء في العصور القديمة:

العالم رومر

تمكن العالم رومر من قياس سرعة الضوء في عام 1675م، وذلك باستخدام أدوات الرصد الفلكي الخاصة بالقمر إيو، وهو أحد أقمار كوكب المشترى.
قمر أيو يحتاج إلى فترة زمنية تصل إلى 42.5 ساعة حتى يكتمل دورانه حول كوكب المشترى، أما كوكب المشترى فيحتاج فقط إلى 12 سنة ليكمل دورته الكاملة حول الشمس من كوكب الأرض.
نظرا لفترة دورة كوكب المشترى، يصل الزاوية في حركته إلى 7.5 درجة، بينما تصل زاوية حركة كوكب الأرض إلى 90 درجة.
عمل العالم رومر على إثبات أن القمر يدور بشكل ثابت في دورته، وذلك لأنه إذا تغير دورانه بحيث تقل سرعته، فقد يحدث أن يسقط القمر على المشترى، وإذا زادت حركته، فقد ينفصل عن المشترى.
لم يتوصل العالم رومر إلى أن سرعة دوران القمر ثابتة، مما دفعه إلى تحليل جميع البيانات المتعلقة بالقمر بشكل منتظم، واكتشف تغيرا في وقت دوران القمر، فإذا كان المشتري على بعد بعيد عن الأرض، يحتاج دوران القمر إلى وقت أطول.
يقل الوقت الذي يحتاجه القمر للدوران حول الأرض عندما يكون المشترى قريبا منه، ولم يتمكن رومر من إثبات وجود دورة ثابتة للقمر آيو، وكان يتوقع حدوث خسوف للقمر في المكان الذي يقع فيه ظل المشترى.
لاحظ رومر أن خسوف القمر يحدث بشكل متأخر عندما يزيد المسافة بين المشتري والأرض.
رومر كانت الوسيلة التي ساعدت هويجنس في اكتشاف سرعة الضوء التي تصل إلى 2.3*108 م/ث في الثانية الواحدة، ولاحظ أن هذه السرعة ليس لها حدود.

العالم جاليليو جاليلي

ومن بين العلماء الآخرين الذين حاولوا حساب سرعة الضوء كان العالم جاليليو جاليلي الذي قام بتنفيذ تجربة في الجبال.
كانت التجربة تتمثل في وقوف شخصين على جبلين يقع أحدهما على بعد 10 كم من الآخر، ومن ثم يقوم شخص منهما بتشغيل فانوس، ويجب على الشخص الآخر أن يشغل الفانوس الآخر عند رؤية الضوء الصادر منه.
أثناء تشغيل الفانوس الأول والفانوس الثاني، يتم حساب الفترة الزمنية بينهما، وهي الوقت اللازم للضوء لقطع المسافة بين الجبل الأول والجبل الثاني. ومع ذلك، لم تنجح محاولة جاليليو في قياس الضوء بهذه الطريقة.

العالم إيفانسون

في القرن العشرين، توصل العالم إيفانسون إلى قيمة دقيقة لسرعة الضوء مع أقل الأخطاء، حيث كانت قيمة سرعة الضوء في الثانية الواحدة 299,792,457.4 متر في الثانية الواحدة.
أراد العالم إيفانسون الحصول على قيمة دقيقة وثابتة لسرعة الضوء، وقد ساعده في ذلك وجود الساعات الذرية ذات الدقة العالية وتقنية الليزر، ولوحظ أن سرعة الضوء الثانية تكون 299,792,458 متر في الثانية.

قياس سرعة الضوء

يتم حساب سرعة الضوء بضرب قيمة الطول الموجي في التردد، حيث أن سرعة الضوء تساوي = الطول الموجي × التردد، ويتم التعبير عن هذه المعادلة بالرموز التالية: س ض = ط × ت أو C = λ × F.
يتم إيجاد سرعة الضوء أيضًا بطريقة أخرى والتي تتمثل في: سرعة الضوء تساوي الطول الموجي مقسوما على الزمن، وتعبر عنه بالرموز التالية: س ض = ط / ز.

طريقة إيجاد سرعة الضوء عبر معامل الانكسار

نظريا، يمكن التوصل إلى قيمة سرعة الضوء من خلال معامل الانكسار باستخدام المعادلة التالية: سرعة الضوء في الفراغ مقسومة على سرعة الضوء في الوسط.
تشير المعادلة السابقة لمعامل الانكسار إلى أن القيمة الدنيا للمعامل هي 1 ولا يمكن أن تكون أقل من ذلك، وعند تجاوز السرعة لهذا الحد فإن سرعة الضوء ستكون منخفضة.
قيمة مؤشر الانكسار للهواء تبلغ 1.003، أما قيمة مؤشر الانكسار للكحول فتبلغ 1.36، أما في الزجاج فتبلغ 1.52، وفي الماء 1.33، بينما في الفراغ تكون 1، وهذا يعني أن سرعة الضوء تتغير حسب نوع الوسط.

سرعة الضوء في الماء

كما ذكرنا سابقا، قيمة معامل الانكسار في سرعة الضوء تصل إلى 1.33، ويتم الحصول على سرعة الضوء عن طريق قسمة ثابت سرعة الضوء على معامل الانكسار = 299,792,458 / 1.33 = 225407863.16 متر في الثانية.
تتغير سرعة انتشار الضوء في الماء عندما يعبره مقارنة بالهواء، ووجود هذا التغيير بينهما يؤدي إلى حدوث انكسار للضوء عندما يدخل الماء، وذلك بسبب وجود جزيئات مشتتة في الماء.
يمكن للضوء أن يصل إلى أقصى عمق في البحر وهو 150 مترا، وعند وصول الضوء لمسافة عشرة أمتار في مياه البحر، فإن المياه تمتص الطيف المرئي للضوء بطولاته الموجية.
في الضوء، يصل طول الموجة الحمراء إلى حوالي 15 مترا، بينما يصل في الطول الموجي البرتقالي إلى 50 مترا، أما في اللون الأصفر فإن طول الموجة يصل إلى حوالي 30 مترا.
بالنسبة للألوان الأخرى مثل الأخضر والأزرق والبنفسجي، فإن طول موجاتها أقصر بكثير مقارنة بطول موجات الألوان السابقة.

خصائص الضوء

يتمتع الضوء بالعديد من الخصائص التي تشمل ما يلي:

انكسار الضوء

يتم انكسار الضوء عندما يكون مساره غير مستقيم، إما بالقرب من زاوية سقوط عمودية أو بعيد عنها.
تحسب زاوية انكسار الضوء وفقا للسرعة المنخفضة عند مروره في وسط ما، ومن أبرز الوسطين المسببين لانكسار الضوء هما الماء والهواء.

انعكاس الضوء

عندما يسقط الضوء على سطح ما، يتعرض للانعكاس ويعود من الوسط المادي بزاوية سقوطه، والوسط المادي الذي يحدث فيه انعكاس الضوء هو السطح الأملس مثل المرآة.

انتشار الضوء

ينتشر الضوء فور سقوطه مباشرة، مما يساعد على الرؤية الواضحة من كل الاتجاهات.

امتصاص الضوء

من مميزات الضوء أنه يتعرض للامتصاص عندما يسقط على وسط شفاف، حيث يحدث تصادم بينهما ويؤدي ذلك إلى امتصاص الوسط لأطوال موجات الضوء.

حيود الضوء

يتعرض الضوء للانحراف عندما يمر بثغرة، وهذا يؤدي إلى حدوث انحراف في مسار الضوء. بالإضافة إلى ذلك، يسبب الانحراف تغييرا في خط سير الضوء حيث ينتقل في اتجاه آخر.
تشبه ظاهرة انكسار الضوء في الماء، حيث عندما يمر عبر جسم كبير أو فتحة، قد يحدث تغير في مسار موجات الماء.

تداخل الضوء

يحدث تداخل الضوء عندما تنعكس موجاته على السطح الداخلي والخارجي للوسط معا، مما يؤدي إلى تجمع هذه الموجات.
عند حدوث تداخل الضوء، يحدث زيادة أو هدم في موجات الضوء.

استقطاب الضوء

يحدث تأثير الانكسار عندما يصطدم الضوء بوسط ما ، فتنتشر موجاته ، وتتعرض للهزات عندما تكون اتجاهه طوليا.
عندما يمر الضوء عبر وسط مادي يمتصه أو عندما ينعكس عن سطح معين، يتعرض للاستقطاب والاهتزاز.

أنواع الضوء

ينقسم الضوء بشكل رئيسي إلى ما يلي:

الطيف المرئي

يبلغ الحد الأدنى للطول الموجي للضوء المرئي 400 نانومتر ويتزايد حتى يصل إلى 700 نانومتر عندما يكون له تردد محدد.
يحتوي الطيف المرئي على أطوال موجية مختلفة، فالطول الموجي للأحمر أطول من الطول الموجي للبنفسجي.

الطيف غير المرئي

يحتوي الطيف المرئي على نوعين وهما: الأمواج الطويلة والأمواج القصيرة.
تتمثل الأمواج الطويلة في أمواج الراديو وأمواج الأشعة تحت الحمراء وأمواج المايكرويف.
الأمواج القصيرة تشمل الأشعة السينية وأشعة فوق البنفسجية وأشعة جاما.

استخدامات الضوء

الضوء له أهمية كبيرة في الحياة اليومية، ويتم استفادته في العديد من الأغراض التالية:

تستخدم الأشعة السينية في تشخيص الأمراض، حيث يتم التصوير الداخلي للجسم.
استخدام الموجات الراديوية اللاسلكية للتواصل بين مكانين في مناطق مختلفة.
استفد من أشعة الأما في محطات الطاقة النووية.
يستفيد من الأشعة فوق البنفسجية في إنشاء التلسكوبات في الرصد الفلكي.
الاعتماد على الضوء في الطاقة الشمسية.
استخدام الليزر في عمليات اللحام والقطع.
استغلال ضوء الشمس في عملية التمثيل الضوئي التي تحصل بها النباتات على طعامها.
الضوء يكون دليلا للطيور لمعرفة الطريق الذي تسلكه أثناء الهجرة.
يمكن استغلال الضوء في إنارة المنازل والشوارع.
تعتمد الكائنات البحرية اللافقارية على الضوء في التكاثر.
تستخدم الأجهزة الإلكترونية مثل التلفزيون والكمبيوتر والهاتف الضوء في عملياتها.
في دراسة ترددات الضوء، يتم الاعتماد على الضوء وهذا يساعد في التقدم في علم ميكانيكا الكم.

في ختام هذا المقال، قدمنا لكم بحثا عن سرعة الضوء، حيث تعرفنا على مفهوم السرعة وأبرز العلماء الذين قاموا بقياسها، بالإضافة إلى كيفية قياسها وخصائصها وأنواعها المميزة، وأهميتها في الحياة اليومية.

وللمزيد يمكنك متابعة ما يلي من الموسوعة العربية الشاملة:

تم تقسيم سرعة الضوء في الفراغ على سرعة الضوء في الوسط
ما هي وحدة قياس الاستضاءة تفاصيل وحدة قياس الضوء
بحث عن الضوء وخصائصه وانواعه
من مصادر الضوء الطبيعي المصباح
ما هي سرعة الضوء وخصائصها

المراجع

الوسوم