انواع الاستقطاب والمجموعة الرابعة للمسائل – فيزياء السادس

🔷 ما هو الاستقطاب؟

الاستقطاب هو ظاهرة فيزيائية تحدث عندما تقتصر اهتزازات الموجة الكهرومغناطيسية – مثل الضوء – على اتجاه واحد فقط عمودي على اتجاه الانتشار.
الضوء العادي (غير المستقطب) يهتز في جميع الاتجاهات العمودية على خط سيره. أما الضوء المستقطب، فإن اهتزازه يكون محصورًا في مستوى واحد فقط.

🔷 أنواع الاستقطاب

1. الاستقطاب الخطي (Linear Polarization)

• فيه تهتز الموجات في اتجاه واحد ثابت.
• يتم باستخدام مرشحات خاصة مثل “مرشح بولارويد”.

2. الاستقطاب الدائري (Circular Polarization)

• فيه تدور اهتزازات الموجة بشكل دائري حول اتجاه الانتشار.
• ينتج عن تراكب موجتين مستقطبتين خطيًا بزاويتين قائمتين وباختلاف في الطور.

3. الاستقطاب البيضاوي (Elliptical Polarization)

• يشبه الاستقطاب الدائري لكن الاهتزازات تشكل قطعًا ناقصًا.
• هو الشكل العام للاستقطاب، ويشمل الاستقطابين الخطي والدائري كحالات خاصة.

🔷 طرق الحصول على الضوء المستقطب

1. الاستقطاب الانتقائي (Selective Absorption)

• يتم عن طريق مواد خاصة مثل مرشحات البولارويد، التي تمتص الاهتزازات في جميع الاتجاهات ما عدا اتجاه واحد.
• تمرر هذه المواد فقط المركّبة من الموجة التي تهتز في اتجاه معيّن، وبالتالي يصبح الضوء الخارج منها مستقطبًا خطيًا.
• تُستخدم هذه الطريقة في النظارات الشمسية لمنع الانعكاسات المزعجة.

✅ مثال:
عند ارتداء نظارات شمسية مزوّدة بعدسات مستقطبة، يتم امتصاص الضوء المنعكس المزعج، خاصة من الأسطح الأفقية مثل الماء أو الطريق.

2. الاستقطاب بالانعكاس (Polarization by Reflection)

• عندما ينعكس الضوء عن سطح غير معدني (مثل الماء أو الزجاج) بزاوية معينة تسمى زاوية بروستر (Brewster’s angle)، يصبح الضوء المنعكس مستقطبًا جزئيًا أو كليًا.
• في هذه الزاوية، يكون الشعاع المنعكس عموديًا على الشعاع المنكسر، ويكون الضوء المنعكس مستقطبًا في الاتجاه الأفقي.

✅ تطبيق عملي:
التصوير الفوتوغرافي – حيث تُستخدم فلاتر استقطابية لتقليل التوهج وتحسين التباين.

🔷 ملخص سريع

🟦 الملاحظة الأولى:

معامل الانكسار باستخدام زاوية بروستر (الاستقطاب):

$$n = \tan(\theta_p)$$

• حيث:
  $\theta_p$ = زاوية بروستر (زاوية الاستقطاب)
  هذا القانون يستخدم عندما ينعكس الضوء بزاوية تؤدي إلى استقطابه الكامل.

🟥 الملاحظة الثانية:

معامل الانكسار باستخدام الزاوية الحرجة:

$$n = \frac{1}{\sin(\theta_c)}$$

• حيث:
  $\theta_c$ = الزاوية الحرجة
  يُستخدم هذا القانون عند الانتقال من وسط كثيف إلى وسط أقل كثافة، ويكون الزاوية الحرجة هي التي عندها ينكسر الضوء على طول الحد الفاصل.

⬛ الملاحظة الثالثة:

معامل الانكسار باستخدام الأطوال الموجية:

$$n = \frac{\lambda_{\text{هواء}}}{\lambda_n}$$

• حيث:
  $\lambda_{\text{هواء}}$ = الطول الموجي للضوء في الهواء
  $\lambda_n$ = الطول الموجي للضوء في الوسط الشفاف
  هذا القانون يربط بين معامل الانكسار وتغير الطول الموجي للضوء عند دخوله وسطًا مختلفًا.

✅ السؤال:

في امتحان 2015/ت
إذا كانت الزاوية الحرجة بين وسطين هي:

$$\theta_c = 34.4^\circ$$

احسب زاوية بروستر $\theta_p$ علماً بأن:

$$\sin(34.4^\circ) = 0.565 \quad \text{و} \quad \tan(60.5^\circ) = 1.77$$

✅ الحل:

أولاً نحسب معامل الانكسار $n$ باستخدام الزاوية الحرجة:

$$n = \frac{1}{\sin(\theta_c)} = \frac{1}{0.565} \approx 1.77$$

ثم نستخدم هذا المعامل لحساب زاوية بروستر $\theta_p$:

$$n = \tan(\theta_p) \Rightarrow \theta_p = \tan^{-1}(n)$$ $$\theta_p = \tan^{-1}(1.77) \approx 60.5^\circ$$

✅ الإجابة النهائية:

$$\theta_p = 60.5^\circ$$