Waves and - Science Curriculum Office welcomes you to our ... Web viewSample Problem: A light ray of ... Light sent down a fiber optics tube will continue down the tube with little

Physics Grade 10 Advanced level

OPTICS AND LIGHT

UNIT 5: Light and optics

2

Light and optics Unit 5

Core Standards …………………………………..… 3

Objectives ………………………………..………… 4

Reflection of light ………...………………………… 5

Refraction of light ………………………………..... 14

Thin Lens ………………………………………….. 25

Total internal reflection ………………………….. 41

Dispersion of light ……………………………….. 47

Natural phenomena of Dispersion and Refraction… 48

Questions …………..…………………..….………… 52

29.1-

29.2

Contents

29.3

29.7

29.5

29.6

3


References …………………………..…..………..… 55

10A.29.1 Know that light travels in straight lines and can be reflected by plane

surfaces, and explain how images are formed in plane mirrors. Explain common applications of this phenomenon

10A.29.2 Know that light is refracted as it passes from one medium to another. Explain the geometry of refraction, calculate the refractive index of a medium and interpret it in terms of change in the velocity of light.

10A.29.3 Show how images are formed by converging and diverging lenses and understand the concept of focal length. Explain common applications of these phenomena.

10A.29.5 Explain total internal reflection and its application in fibre optics.

10A.29.6 Show and explain the dispersion of light.

10A.29.7 Explain, in terms of refraction and dispersion, natural phenomena such as rainbows, mirages, the colour of the sky, the colour of sunsets and the difference between real and apparent depth of water.

4


By the end of the unit, most students know that light travels in straight lines and how it is reflected and refracted; they are aware of some of the applications of these properties. They understand dispersion and recognise some of its natural consequences, and know how the eye receives and focuses light.

Students who progress further know how curved mirrors form an image. They understand refraction in terms of a change in the velocity of light and can explain total internal reflection. They understand the concept of focal length, can show how images are formed by converging and diverging lenses and know how long and short sight can be corrected.

5


When light travels from one medium to another, part of the light can be reflected at the media interface.

السطح عند ينعكس أن يمكن منه جزءا فإن آلخر، وسط من الضوء ينتقل عندما. للوسط البيني

Reflection is the change in direction of light wave at a surface that causes it to move away from the surface.

الموجة االنعكاس اتجاه تغير الموجة الضوئيةهو إبعاد إلى يؤدي مما السطح عند. السطح عن

- Reflection off of a smooth surface is called specular reflection or regular reflection such as a mirror or a water surface.

أملس سطح عن الخارج االنعكاس يسمىالمنتظم كمثال باالنعكاس يحدث وهذا ،

. الماء سطح أو المرآة في

-Reflection off of a rough surface is called diffuse reflection or irregular reflection such as paper or unpolished wood.

سطح عن الخارج االنعكاس يسمىالمنتظم خشن غير ،باالنعكاس

أو الورقة في كمثال يحدث وهذا. الالمع غير الخشب

29.1 Reflection of light

الضوء انعكاس

6


The incident ray is the ray of light falling on the reflecting surface.الساقط .الشعاع العاكس السطح نحو يتجه الذي الشعاع هو

The normal is the line drawn perpendicular to the reflecting surface at the point of incidence.

المقام الخط العمود سقوط هو نقطة من العاكس السطح على عموديا المرسومالساقط .الشعاع

The reflected ray is the ray of light leaving the reflecting surface.المنعكس .الشعاع العاكس السطح يغادر الذي الشعاع هو

The angle of incidence is the angle between the incident ray and the normal. Its symbol is θ.

السقوط المقام، زاوية والعمود الساقط الشعاع بين المحصورة الزاوية هيبالرمز لها .θويرمز

The angle of reflection is the angle between the reflected ray and the normal. Its symbol is θ'.

االنعكاس المقام، زاوية والعمود المنعكس الشعاع بين المحصورة الزاوية هيبالرمز لها .'θويرمز

Elements of reflectionاالنعكاس عناصر

7


Normal

Reflected rayIncident ray

Reflecting surface

Plane (Flat) mirrors form virtual images that are the same distance from the mirror’s surface as the object is.

تشكل المستوية ( المرايا وهمية ) خيالية بعد صورا بنفس المرآة من بعدها ويكون ، . المرآة من الجسم

Law of reflection

االنعكاس قانون

The angle of incidence and the angle of reflection are always equal.

. السقوط زاوية تساوي االنعكاس زاويةθ'=θ

Plane )flat( mirrors

المستوية المرايا

8


The image formed by rays that appear to come from the image point behind the mirror—but never really do—is called a virtual image.

) الخيالية ) المرآة، الصورة خلف من قادمة أنها تبدو التي األشعة خالل من تتشكلوتسمى واقعية، غير ( لكنها وهمية ) خيالية .صورة

A virtual image can never be displayed on a physical surface. ) الوهمية ) الخيالية .الصورة مادي سطح على تعرض أن أبدا يمكن ال

Image Formation by a Flat Mirror

In an image formed by a mirror the left of the object appears on the right and the right appears on the left. This is known as lateral inversion.

( على ( تظهر للجسم اليسرى الجهة المرآة، بواسطة تتشكل التي الخيالية الصور فييسمى ما وهذا األيسر، الجانب على تظهر للجسم اليمنى والجهة األيمن، الجانب

الجانبي .االنعكاس

Lateral Inversion

الجانبي االنعكاس

9


Lateral inversion is used to describe an image in a plane mirror. Left becomes right and vice-versa.

( اليسار ( المستوية؛ المرآة في الخيالية الصورة لوصف يستخدم الجانبي االنعكاس. بالعكس والعكس يمين، يصبح

10


11


This is used on ambulances so that if a person is in front of an ambulance and looks in the mirror they will be able to read the word ambulance.

أمام شخص هناك كان لو بحيث اإلسعاف سيارة في الجانبي االنعكاس من يستفادكلمة ( يقرأ أن يستطيع فإنه المرآة في وينظر باتجاهها) ambulanceاإلسعاف

الصحيح.

The image formed by a plane mirror is always:1. virtual,

( وهمية حقيقية) غير2. upright,

(معتدلة مقلوبة) غير3. lateral inversion (left-right reversal),

جانبيا (منعكسة واليسار) اليمين انعكاس4. the same shape and size as the object,

وحجم و شكل شكل نفس الجسم حجمالصورة5. at the same distance behind the mirror as the

object is in frontالصورة المرآة بعد عن الجسم بعد نفس المرآة عن

Apparatus األدوات Ray box with lens & single slit, lab power supply set on 12V, protractor, sharp pencil, piece of A4 plain paper, ruler, plane mirror.

جهد ( فرق مصدر مفرد، وشق العدسة مع األشعة منقلة، )12Vصندوق ، مستوية ورقة حاد، رصاص .A4قلم مستوية مرآة مسطرة، ،

Image Characteristics in Plane Mirrors

) المستوية ) المرايا في الخيالية الصور خصائص

Activityنشاط Law of Reflection Experiment

االنعكاس قانون تجربة

12


Procedure اإلجراءات Initial set-up األولية اإلعدادات

1. Near the longer edge of a sheet of A4 plain paper, draw line AB (see diagram below).

خط .ABارسم أدناه المخطط في كما

2. Mark the approximate mid-point of this line as point O.

النقطة مثل الخط هذا منتصف في نقطة .Oضع

3. Use the protractor to construct line CD which passes through O at 90o

to line AB.

خط لرسم المنقلة بالنقطة CDاستخدم يمر الخط Oبحيث على عموديا .ABويكون

4. Use the protractor to construct line EO, a line that is at an angle of 10o to line DO.

خط لرسم المنقلة خط) 10oبزاوية (EOاستخدم .DOمع

5. Draw further lines, like EO, at the following angles to line DO (the normal): 20o, 30o, 40o, 50o, 60o, 70o & 80o.

خط مثل أخرى خطوطا خط EOارسم مع التالية ,DO: (20o, 30o, 40o, 50oبالزوايا60o, 70o & 80o)

Measurements القياسات 1. Place the plane mirror so that its back reflecting surface

lies on top of line AB and point O.

خط أعلى يقع العاكس غير السطح يكون بحيث المستوية المرآة ضعAB والنقطةO.

2. Place the ray box at one end of line EO (similar to what is shown in the diagram). Arrange its position so that it sends a sharp ray of light along line EO towards the mirror.

13


للخط األولى النهاية عند األشعة صندوق ). EOضع اضبط ( التالي المخطط في كما. المرآة نحو ضوؤه يتجه بحيث الخط طول على موضعه

3. You should be able to see a reflected ray coming off the mirror, if not try tilting the mirror downwards towards the ray box.

حاول تستطع لم إذا للمرآة المغادر المنعكس الشعاع رؤية على قادرا تكون أن عليك. األشعة صندوق نحو األسفل باتجاه المرآة إمالة

4. Use a sharp pencil to mark the path of this reflected ray on your paper.

. ورقتك على المنعكس الشعاع هذا مسار لوضع الحاد الرصاص قلم استخدم

5. Use the protractor to measure the angle of reflection and enter your value in the table.

. التالي الجدول في القيمة وسجل االنعكاس زاوية لقياس المنقلة استخدم

6. Repeat stages 2 to 5 for the other lines at angles 20o to 80o to the normal (line DO).

من المراحل الزوايا (5إلى 2كرر عند األخرى الخط) 80oإلى) (20oللخطوط معDO.

7. If you have time: repeat for angles of incidence of 15o, 25o, 35o, 45o, 55o, 65o, 75o and 85o.

أخرى ( سقوط لزوايا القياسات كرر كافيا الوقت كان ,15o, 25o, 35o, 45o, 55oإذا65o, 75o and 85o.(

Diagram of Apparatus األدوات مخطط

14


plane mirror

ray box

normal

reflected ray

angle of reflection R

A

angle of incidence I

C

D

B

E

point O, the intersection of lines AB & CD

A4 SHEET OF PAPER

Table of Results النتائج جدول

Angle of incidence in degrees

بالدرجات السقوط زاوية

Angle of reflection in degrees

بالدرجات االنعكاس زاوية102030405060708015253545556575

15


85

Graph البياني الرسم1. Draw a graph of: Angle of reflection in degrees (Y/vertical axis) against Angle of incidence in degrees (X/horizontal axis).

محور على بالدرجات االنعكاس لزاوية بيانيا رسما مع Yارسممحور على بالدرجات السقوط .Xزاوية

2. Draw a best fit line for your points. Label this line ‘results’.

" : . نتائج الخط هذا على واكتب لنقاطك مالئم خط أفضل ."ارسم

3. Add a second line, labelled ‘expected’ showing what you would expect to happen if the law of reflection had been obeyed perfectly.

" قانون " ق طب كان إذا سيحدث ماذا تتوقع والذي ، متوقع وسمه ثانيا خطا أضف تماما .االنعكاس

Conclusions االستنتاجات Do your results verify the law? Explain.

اشرح القانون؟ حققت نتائجك .هل

29.2 Refraction of light

الضوء انكسار

16


When light travels from one medium to another, part of the light can be transmitted across the media surface and refracted.

البيني السطح عبر تنتقل أن يمكن منه جزءا فإن آلخر، وسط من الضوء ينتقل عندما. وتنكسر للوسط

Refraction of light is the bending of light as it travels from one medium to another.

.االنكسار مختلفين وسطين بين مروره عند الضوء انحناء هو

The incident ray is the ray of light which travels through the first medium.الساقط .الشعاع األول الوسط خالل من ينتقل الذي الشعاع هو

The normal is the line drawn at rights angles to the surface at the point of incidence.

المقام الوسطين العمود بين الفاصل السطح على عموديا المرسوم الخط عندهو. السقوط نقطة

Elements of refraction

االنكسار عناصر

17


NormalIncident ray

Refracted ray

The refracted ray is the ray of a light which travels into the second medium.

المنكسر .الشعاع الثاني الوسط خالل ينتقل الذي الشعاع هو

The angle of incidence is the angle between the incident ray and the normal. Its symbol is θ1.

السقوط المقام، زاوية والعمود الساقط الشعاع بين المحصورة الزاوية هيبالرمز لها .θ1ويرمز

The angle of refraction is the angle between the refracted ray and the normal. Its symbol is θ2.

االنكسار المقام، زاوية والعمود المنكسر الشعاع بين المحصورة الزاوية هيبالرمز لها .θ2ويرمز

• Refraction occurs when light’s velocity changes.عندما االنكسار المتجهة يحدث السرعة .تتغير للضوء

• As a light ray travels from one medium into another medium where its speed is different, the light ray will change its direction unless it travels along the normal.

18


فإنه سرعته، تختلف حيث آلخر وسط من الضوء ينتقل سيتغير عندما إذا اتجاهه إال. المقام العمود طول على مر

• Refraction can be explained in terms of the wave model of light. يفسر أن .االنكساريمكن للضوء الموجي النموذج حسب

• The speed of light in a vacuum, c, is an important constant used by physicists.

الفراغ ( في الضوء .)cسرعة الفيزيائيون يستخدمه مهم ثابت هي

• Inside of other mediums, such as air, glass, or water, the speed of light is different and is usually less than c.

فإن الماء، أو الزجاج أو الهواء، مثل الفراغ غير األخرى األوساط الضوء داخل سرعةأقل وتكون الفراغ (تختلف في سرعته ).cمن

Spoon appears bent in water due to refraction.

منحنية أن تظهر الملعقةاالنكسار بسبب الماء في

Pencil appears bent in water due to refraction.

أنه يظهر الرصاص قلماالنكسار بسبب منحن

Using a laser to demonstrate refraction from air to water.

لبيان الليزر ضوء استخدامإلى الهواء من االنكسار

الماء

Some Effects of Refractionاالنكسار ظواهر بعض

19


The index of refraction for a substance is the ratio of the speed of light in a vacuum to the speed of light in that substance.

االنكسار في معامل سرعته إلى الفراغ في الضوء سرعة بين النسبة هو للمادةالمادة.

n= cv

index of refraction = speed of light in a vacuumspeed of light in medium

The index of refraction

االنكسار معامل

20


Indices of Refraction )n( for Various Substancesمختلفة لمواد االنكسار معامل

where:ni: index of refraction of first medium األول الوسط انكسار معامل

The Law of refraction

االنكسار قانون

• Snell’s Law determines the angle of refraction.

االنكسار زاوية يحدد سنل .قانون

ni sin θi=nr sin θr

21


sin θi: sine of the angle of incidence السقوط زاوية جيبnr: index of refraction of second medium الثاني الوسط انكسار معاملsin θr: sine of the angle of refraction االنكسار زاوية جيب

Sample Problem:

A light ray of wavelength 589 nm (produced by a sodium lamp) traveling through air strikes a smooth, flat slab of crown glass at an angle of 30.0º to the normal. Find the angle of refraction, r.

الموجي ( طوله ضوئي زجاجي) nm 589شعاع لوح على ويسقط الهواء عبر ينتقل.30.0ºبزاوية ( . االنكسار) زاوية مقدار احسب المقام العمود مع

Given: i = 30.0º ni = 1.00 nr = 1.52Unknown: r = ?Use the equation for Snell’s law.

ni sin θi=nr sin θr1 sin 30°=1 .52sin θr

θr=19 .2°

• When light passes from a medium with a smaller index of refraction to one with a larger index of refraction )like from air to glass(, the ray bends toward the normal.

انكساره معامل آخر وسط إلى صغيرا انكساره معامل وسط من الضوء يمر عندما : ) مثال الزجاج كبيرا إلى الهواء سينكسر) من الشعاع فإن .مقتربا ، المقام العمود من

• When light passes from a medium with a larger index of refraction to one with a smaller index of refraction )like from glass to air(, the ray bends away from the normal.

انكساره معامل آخر وسط إلى كبيرا انكساره معامل وسط من الضوء يمر عندما : ) مثال الهواء صغيرا إلى الزجاج سينكسر) من الشعاع فإن ، .مبتعدا المقام العمود من

22


23


Apparatus األدوات Ray box & single slit, lab power supply set on 12V, protractor, sharp pencil, piece of A4 plain paper, ruler, semicircular perspex block.

مصدر مفرد، وشق األشعة جهد (صندوق رصاص )12Vفرق قلم منقلة، ، مستوية ورقة .A4حاد، دائرية شبه زجاجية كتلة مسطرة، ،

Procedure اإلجراءات Initial set-up األولية اإلعدادات

1. Place the semicircular perspex block at the centre of a sheet of A4 plain paper and draw its outline (see diagram below). Next remove the perspex block.

ورقة منتصف في الدائرية شبه الزجاجية الكتلة وارسم A4ضع.( التالي ( الشكل الحظ الكتلة أزل ثم خطا،

2. Find the mid-point of one of the straight side and mark it on the paper as point O.

النقطة ولتكن الورقة على عالمة وضع المستقيم للجانب المنتصف نقطة .Oأوجد

3. Use the protractor to construct line NM which passes through O at 90o to this side.

Activityنشاط Relationship Between Angles of Refraction and Incidence Experiment:

واالنكسار السقوط زاويا بين العالقة تجربة

24


خط لرسم المنقلة النقطة NMاستخدم خالل من يمر هذا) 90oبزاوية (Oالذي معالجانب.

4. Use the protractor to construct line AO, a line that is at an angle of 40o to line NM.

خط لرسم المنقلة بزاوية (AOاستخدم يميل الخط) 40oالذي .NMمع

Measurements القياسات 1. Replace the Perspex block.

. الزجاجية الكتلة استبدل

2. Place the ray box at one end of line AO.

الخط نهاية عند األشعة صندوق .AOضع

Arrange its position so that it sends a sharp ray of light along line AO towards the perspex block.

موضعه الخط اضبط طول .AOعلى الزجاجية الكتلة نحو ضوؤه يتجه بحيث

This ray enters the block at an angle of incidence of 40o.

سقوط ( بزاوية الزجاجية الكتلة سيدخل الشعاع ).40oهذا

3. You should be able to see a ray coming out of the other side of the perspex block.

. الزجاجية للكتلة اآلخر السطح من الخارج الشعاع رؤية على قادرا تكون أن عليك

4. Use a sharp pencil to mark the path of this ray on your paper.

. ورقتك على الشعاع هذا مسار لرسم الحاد الرصاص قلم استخدم

5. Remove the perspex block. Join up, with a straight line, point O and the ray emerging from the perspex block.

النقطة مع الجديد الشعاع مع المستقيم الخط وصل الزجاجية، الكتلة .Oأزل

25


Ray box

Normal

Angle of incidence A

M

A4 SHEET OF PAPER

O

N Angle of refraction

Semicircular perspex block

Incident ray

Refracted ray

6. Measure the angle of refraction.

. االنكسار زاوية مقدار قياس سجل

7. Insert your angle measurement in the 2nd column of the results table, next to angle of incidence = 40o.

السقوط ( زاوية مقابل النتائج جدول من الثاني العمود في للزاوية قياسك سجل40o.(

8. Repeat the above for the following angles of incidence: 10o, 20o, 30o, 50o, 60o, 70o & 80o.

) : أخرى سقوط زوايا مع سبق ما ).10o, 20o, 30o, 50o, 60o, 70o & 80oكرر

9. If you have time; repeat for also angles of 15o, 25o, 35o, 45o, 55o, 65o & 75o.

) : بالزوايا الخطوات كرر كافيا، الوقت كان ).15o, 25o, 35o, 45o, 55o, 65o & 75oإذا


26


Table of Results النتائج جدول

Angle of incidence in degrees

بالدرجات السقوط زاوية

Angle of refraction in degrees

االن بالدرجات كسارزاوية102030405060708015253545556575

Conclusions االستنتاجات Four students made the following predictions about this experiment:

: التجربة هذه حول التالية التوقعات وضعوا طالب أربعة

First: Predicted that the angle of refraction would always be less than the angle of incidence.

السقوط: زاوية من أقل دائما تكون االنكسار زاوية أن توقع .األول

27


Second: Predicted that the angle of refraction would always be half of the angle of incidence.

السقوط: زاوية نصف دائما تكون االنكسار زاوية أن توقع .الثاني

Third: Predicted that the bigger than angle of incidence the more different would be the angle of refraction.

السقوط: زاوية من اختالفا واألكثر األكبر هي االنكسار زاوية أن توقع .الثالث

Fourth: Predicted that if the angle of incidence were doubled the angle of refraction would also be doubled.

ستتضاعف: االنكسار زاوية فإن السقوط زاوية تضاعفت إذا أنه توقع .الرابع

Use your results to comment on the truth of each of the above predictions.

. السابقة التوقعات على للتعليق نتائجك استخدم

28


A thin lens consists of a piece of glass or plastic, ground so that each of its two refracting surfaces is a segment of either a sphere or a plane

االنكسار سطحي أن حيث ، زجاج او بالستيك قطعة من تتكون الرقيقة العدساتمستوي سطح او دائرة من جزء عن عبارة

Lenses are commonly used to form images by refraction in optical instruments (cameras, telescopes, etc.)

األجهزة في االنكسار بواسطة الصور تكوين في العدسات استخدام يشيع(......... كاميرات،التليسكوب، ( البصرية

Convex lens - thicker at the centre than at the edge.

: المحدبة المركز العدسة في سمكا أكثر الحافة على منها

Concave lens - thinner at the centre than at the edge.

: المقعرة المركز العدسة في سمكا أقل الحافة على منها

29.3 Thin Lenses

الرقيقة العدسات

Convex and concave lenses

والمقعرة المحدبة العدسة

bend the light inwar

ds 29


convex lens المحدبة العدسة

(converging lens)

( المجمعة ( العدسة

concave lens المقعرة العدسة

(diverging lens)

( المفرقة (العدسة

You may remember ‘converging’ as ‘concentrating’.

a. Converging lensالمجمعة العدسة

OR Diverging

تشتت

Converging

تجمع

bend the light

outwards

30


التركيز من التجمع تذكر يمكن

They have positive focal lengths

موجب المجمعة للعدسة البؤري البعد

You may remember ‘diverging’ as ‘dividing’.

االنقسام و التفرق بين الفرق تذكر يمكن

They have negative focal lengths

للعدسة البؤري البعدسالب المفرقة

Diagram shows Light converges or diverges as some parts of the wavefronts lag behind.

جبهة من أجزاء بقاء مع للعدسة عبورها عند الموجة تفرق أو تجمع يوضح الشكلالعدسة خلف تغير دون الموجة

b. Diverging lens

المفرقة العدسة

Recall that light travels more slowly in glass than in airالهواء من أكثر الزجاج في ببطء ينتقل الضوء أن تذكر

principal focus

optical centre

31


principal axisFF' C

Convex lens:

• Parallel rays are refracted inwardsالم. • للداخل تواألشعة تنكسر ازية

Refracted rays meet at a point called the principal focus F.

تسمى نقطة في تتقابل المنكسرة البؤرةالخطوط

Centre of the lens is called the

optical centre C. يسمى العدسة .مركز البصري المركز

The distance of

F from C is the focal length f of the lens. من البصري إلىالبؤرة المسافة البؤري تسمى المركز البعد

principal focus

optical centre

F

focal

length

C32


A convex lens has 2 principal foci, One on each side

على واحد ، بؤريين مركزين لها المحدبة العدسةحقيقيتان وتكونان جانب كل

The line through the optical centre and 2 foci is called the principal axis.

يسمي والبؤرتين البصري المركز خالل يمر الذي .الخط الرئيسي المحور

Concave lens

Parallel rays are refracted outwards. الم للخارج تاألشعة تنكسر وازية

Refracted rays appear to spread from a point called the principal focus F.

من تتشتت انها تظهر المنكسرة الخطوطتسمى .البؤرةنقطة

• Centre of the lens is called the optical

centre C.

يسمى • العدسة مركز. البصري المركز

The distance of F from C is the focal length f of the lens.

F' Fprincipal axisC

33


من البصري إلىالبؤرة المسافة البؤري تسمى المركز البعد

A concave lens has 2 principal foci, One on each side

، بؤريين مركزين لها المقعرة العدسةخياليتان وتكونان جانب كل على واحد

The line through the optical centre and 2 foci is called the principal axis.

يسمي والبؤرتين البصري المركز خالل يمر الذي المحور الخطالرئيسي.

Questions:

A light ray is incident on a convex lens. عدسة على يسقط ضوء شعاعمحدبة

Which one represents the path of the light ray? شعاع يسلك سوف مسار أيالضوء؟

XYZ

34


A. Path X.

B. Path Y.

C. Path Z.

A light ray is incident on a concave lens. على يسقط ضوء شعاعمقعرة عدسة

Which one represents the path of the light ray? شعاع يسلك سوف مسار أيالضوء؟

A. Path X.

B. Path Y.

C. Path Z.

When the light from a point of an object enters our eyes, we can see the point.

النقطة نرى أن نستطيع ، لجسم نقطة من العين الضوء يدخل عندما

XYZ

Image formation by a lens

العدسة بواسطة المتكونة الصور

35


نقطة عند تتجمع الضوء أشعة

لوح على استقبالها يمكن التي الصورة

حقيقية تسمى

OI screen

Light rays converge to a point.

O I

Image can be captured by a screen.Hence called ‘real’.

a. Real images

الحقيقية الصور

36


نقطة عند تتشتت الضوء أشعة

الصورة عندما من أشعة تأتي ال

الصورة تسمىخيالية صورة

screenO I

Light rays diverge from a point.

OIconvex lens

No rays actually come from the image.Hence called ‘virtual’.

b. Virtual images

الخيالية الصور

37


Since only convex lenses converge light rays, real images can only be formed by convex lenses.

تتكون أن يمكن الحقيقية ،الصور الضوء أشعة تجمع المحدبة العدسات أن بماالمحدبة العدسات بواسطة

In ray diagrams, we use symbols to represent lenses.

العدسات عن للتعبير الرموز الشعاع،استخدم مخططات في

screenO I

Graphical construction of image formation

الصور لتكوين البنائية الرسوم

a. Construction rules

) البناء ) الرسم قواعد

FC

F' CF

38


convex lenses

المحدبة العدسة

concave lenses

المقعرة العدسة

Rule 1

A ray parallel to the principal axis is refracted through F.

الموازي الساقط الشعاعينكسر الرئيسي للمحور

. بالبؤرة مارا

Rule 2

A ray passing through F' is

refracted parallel to the principal axis.

الشعاع الساقط

مارا بالبؤرة

. الرئيسي للمحور موازيا ينكسر

Rule 3

Construction rules for convex lenses

) المحدبة ) للعدسات الرسم البناء قواعد

CF' F

CF' F

39


A ray passing through C travels straight on.

الشعاع

الساقط. ينكسر ال البصري بالمركز مارا

Rule 1

A ray parallel to the principal axis is refracted so that it appears to come from F'.

الرئيسي للمحور موازيا الساقط الشعاع

من يخرج كأنه بطريقة .Fينكسر

Rule 2

Construction rules for concave lenses

) المقعرة ) للعدسات الرسم البناء قواعد

F' F

40


A ray directed towards F is refracted parallel to the principal axis.

F' F

41


الساقط باتجاه الشعاع موازيا ينكسر البؤرة. الرئيسي للمحور

Rule 3

A ray directed towards C travels straight on.

ال البصري المركز باتجاه الساقط الشعاعينكسر.

Ray diagrams are essential for understanding the overall image formation

األشعة كيفية ضروري مخطط الصورة. تكونلفهم

Three rays are drawn رسمها أشعة ثالثة يتم :

The first ray is drawn parallel to the first principle axis and then passes through (or appears to come from) one of the focal points

بـ ل موازيااألول الشعاع يرسم مارا ينكسر الرئيسي أنها (محور يبدو تأتيأو.من البؤرة)

The second ray is drawn through the center of the lens and continues in a straight line

الشعاع ينكسر ( الثاني يرسم ال العدسة بمركز خط يستمر مارا فيمستقيم)

b. Drawing ray diagram

األشعة مخطط رسم

42


The third ray is drawn from the other focal point and emerges from the lens parallel to the principle axis

ال شعاعيرسم موازيا ينكسر بالبؤرة مارا الرئيسيمحور لل الثالث There are an infinite number of rays, these are the convenient ones

له عدد هناك حصر .، األشعة من ال التمثيل سهلة األشعة هذه ولكن

أكبر بعد على الجسم يكون عندما المجمعة للعدسة المتكونة الصورة خواص: البؤري البعد من

The image is real حقيقية .الصورة The image is inverted مقلوبة . الصورة

Ray Diagram for Converging Lens, p > f

المجمعة للعدسة األشعة مخطط

Ray Diagram for Converging Lens, p < f

المجمعة للعدسة األشعة المخطط

43


أقل بعد على الجسم يكون عندما المجمعة للعدسة المتكونة الصورة خواص: البؤري البعد من

The image is virtual ( خيالية ( حقيقية غير الصورة The image is upright معتدلة .الصورة

The image is virtual The image is upright and smaller

: المفرقة للعدسة المتكونة الصورة خواص.( خيالية ( حقيقية غير الصورة. ومصغرة معتدلة الصورة

Ray Diagram for Diverging Lens

المفرقة للعدسة األشعة مخطط

Step 1: Draw a light ray A parallel to the principal axis from the tip of the arrow.

44

O I


األولى شعاع: الخطوة ارسم من الرئيسي للمحور موازي الضوء

السهم نهاية

How to find the focus

؟ البؤرة تحديد كيفية

45

Light and optics

Step 2: By the construction, the ray A appears to come from the ______ and the extended part ________ the tip of the image.

focuspasses

Unit 5

OI

Step 3: The point where the extended refracted light ray A cross the ______________ is the focus.

principal axis

ال: الثانية خطوة

الرسم، طريق عنأنه يظهر أ الشعاع

البؤرة من يأتييمر الممتد والجزء

ب الصورة طرف

ا لخطوة

ال شعاع ثالثة: حيث النقطة ا

لض وءالمن

كسرأ الممتد

يقطعالمح

ور تكون الرئيسي

البؤرة

c. Magnification

التكبير

46


F'C

FI

O

• Total internal reflection can occur when light moves along a path from a medium with a higher index of refraction to one with a lower index of refraction.

magnification M= height of image (image size)الصورة

height of object (object size) h

magnification M = image distance الصورة

29.5 Total internal reflection

الداخلي الكلي االنعكاس

47


يحدث أن الداخلي يمكن الكلي من االنعكاس المسار طول على الضوء يتحرك عندما قليل انكسار معامل ذي آخر وسط إلى كبير انكسار معامل ذي .وسط

• Total internal reflection occurs and light is completely reflected within a substance.

الداخلي الكلي االنعكاس .يحدث المادة ضمن كامل بشكل ينعكس والضوء

• Total internal reflection occurs only if the index of refraction of the first medium is greater than the index of refraction of the second medium.

األول الوسط انكسار معامل كان إذا فقط الداخلي الكلي االنعكاس من يحدث أكبر. الثاني الوسط معامل

• Optical fibers depend on Total Internal Reflection on their work.

يسمح الداخلي الكلي البصرية االنعكاس .لأللياف بالعمل

• Light sent down a fiber optics tube will continue down the tube with little or no light loss!

منه المفقود ويكون داخله، ويستمر البصرية األلياف أنبوب على الضوء يسقط. قليال أو معدوما

• Due to its much shorter

wavelengths, visible light can carry a lot more information than electric currents. In time, all electrical wires for communications will

F'

C F IO

vu

48


be replaced by fiber optics cable for those communications that require cabling.

أكثر • معلومات حمل من تمكنه المرئي للضوء جدا القصيرة الموجيه األطوال. الكهربائية التيارات من

الضوئية باأللياف لالتصاالت المستخدمة الكهربائية األسالك استبدال يتم ولهذاالسبب.

• At the critical angle, refracted light makes an angle of 90º with the normal.

الحرجة عند زاوية (الزاوية يصنع المنكسر الضوء ،90º. المقام) العمود مع

• Snell’s law can be used to find the critical angle.

مقدار لحساب سنل قانون يستخدم أن .يمكن الحرجة الزاوية

sin θC=n rni for ni>nr

49


Apparatus األدوات Ray box with lens & single slit, lab power supply set on 12V, protractor, sharp pencil, piece of A4 plain paper, ruler, and semicircular Perspex block.

مصدر مفرد، وشق عدسة مع األشعة جهد (صندوق منقلة، )12Vفرق ، مستوية ورقة حاد، رصاص .A4قلم دائرية شبه زجاجية كتلة مسطرة، ،

Procedure اإلجراءات

Initial set-up األولية اإلعدادات1. Place the perspex block at the centre of a sheet of A4

plain paper and draw its outline (see diagram below).

الزجاجية الكتلة ورقة ضع منتصف الكتلة A4في أزل ثم خطا، وارسم.( التالي( الشكل الحظ

2. Remove the perspex block

الزجاجية الكتلة أزل

3. Find and mark the mid-point of the straight side as point O.

النقطة ولتكن المستقيم الخط منتصف عند عالمة وضع .Oأوجد

4. Use the protractor to construct line NM which passes through O at 90o to this side.

خط لرسم المنقلة بالنقطة NMاستخدم يمر زاوية (Oالذي الخط) 90oويصنع معالسابق.

Activityنشاط Total Internal Reflection & Critical Angle Experiment:

والزاوية الداخلي الكلي االنعكاس تجربةالحرجة

50


5. Use the protractor to construct line AO, a line that is at an angle of 30o to line NM.

خط لرسم المنقلة زاوية (AOاستخدم يصنع الخط) 30oالذي .NMمع

6. Draw further lines, like AO, at the following angles to line NM (the normal): 10o, 20o, 40o, 45o, 50o, 60o & 70o. These are angles of incidence )θi(

الخط مثل أخرى خطوطا الخط AOاسم مع التالية للزوايا ،NM:

)10o, 20o, 40o, 45o, 50o, 60o & 70o(

سقوط ( زوايا هي الزوايا ).θiهذه

Observations & Measurements و القياساتالمالحظات 1. Place the Perspex block back on its outline ensuring

that the white painted side is in contact with the paper.

أن من وتأكد العريض، الخط على الزجاجية للكتلة الخلفي الحد ضع. الورقة مع متصلة البيضاء المنطقة

2. Place the ray box at one end of line AO (the 30o line, similar to what is shown in the diagram).

الخط نهاية عند األشعة صندوق .AOضع

Arrange its position so that it sends a sharp ray of light along line AO towards and into the Perspex block.

موضعه الخط اضبط طول .AOعلى الزجاجية الكتلة نحو ضوؤه يتجه بحيث

3. You should be able to see a ray coming out of the other side of the Perspex block, if not try tilting the ray box downwards.

إذا الزجاجية، للكتلة اآلخر السطح من الخارج الشعاع رؤية على قادرا تكون أن عليك. األسفل باتجاه األشعة صندوق إمالة حاول تستطع لم

4. Answer the questions 1 to 4 in the “question list” below the diagram for this ray.

51


ray box normal

emerging ray

N

angle of incidence i

AM

A4 SHEET OF PAPER

O

angle of refraction r

perspex block

من األسئلة عن .4إلى 1أجب المخطط أسفل

5. Repeat the above for the other lines at angles 10o to 70o to the normal (line NM).

) : الزوايا مع األخرى للخطوط سبق ما الخط) 70oإلى) (10oكرر .NMمع

6. Find the angle of incidence that gives an angle of refraction of about 90o. This is called the critical angle )θc(.

من ( قريبة انكسار زاوية تعطي التي السقوط زاوية مقدار الزاوية) 90oأوجد هذه ، الحرجة ( الزاوية ).θcهي


52


Questions:

For each ray answer the following questions. You may wish to present your answers in table form.

. . جدول شكل على اإلجابات تقديم في ترغب قد التالية األسئلة عن أجب شعاع لكل

1. (a) Did a light ray emerge from the back of the block? (YES/NO).

الزجاجية؟ الكتلة خلف من خرج الضوئي الشعاع هل

(b) If yes; what was the angle of refraction?

االنكسار؟ زاوية مقدار كان كم نعم، الجواب كان إذا

2. (a) Was there a reflected ray at point O which emerged out of the curved side of the block? (YES/NO)

منعكس شعاع هناك للكتلة هل المنحني الجانب من النقطة خرج ؟Oعند

(b) If yes, what was the angle of reflection?

االنعكاس؟ زاوية مقدار كان كم نعم، الجواب كان إذا

3. If you answered yes to both of 1(a) & 2(a) compare the strengths of the two light rays.

الفرع على بنعم أجبت في من aإذا الضوء شدة بين فقارن السابقين السؤالينالشعاعين.

4. Where there any colour effects noticeable with the ray emerging from the straight side, the refracted ray?

ONCE YOU HAVE DONE ALL THE ANGLES UP TO 70o.

الجانب من خرج الذي المنكسر الشعاع مع للنظر الفتة ألوان آثار ظهرت أينالمستقيم؟

5. Use your calculator to find the sine of the critical angle.

. الحرجة الزاوية جيب لحساب الحاسبة آلتك استخدم

53


6. Now find the reciprocal of this number. الرقم هذا عكس أوجد .اآلن

When white light passes through a glass prism, blue is bent more than red.

من أكثر األزرق الضوء ينحرف زجاجي، منشور خالل من األبيض الضوء يمر عندمااألحمر

Colors between blue and red are bent proportional to their position in the spectrum.

الطيف في لموقعهم تبعا واألزرق األحمر اللون بين األلوان تنحرف The variation in refractive index with color is called dispersion.

يسمى اللون مع االنكسار معامل اختالفتشتت

The index of refraction varies slightly with the frequency of light; in general, the higher the frequency, the higher the index of refraction.

29.6 Dispersion of light

الضوء تشتت

54


معامل زيادة تعني التردد زيادة الضوء،عموما تردد مع قليال يتغير االنكسار معاملاالنكسار

A rainbow is an example of dispersion in nature.

الطبيعة في التشتت على مثال قزح قوس Tiny rain droplets act as prisms separating the colors in the white light

rays from the sun.

الشمس من األبيض الضوء ألوان تفرق كمنشور الصغيرة المطر قطرة تعمل

29.7 Natural phenomena of Dispersion and Refraction

والتشتت لالنكسار الطبيعية الظواهر

Rainbowقزح قوس

55


Atmospheric Refraction and Miragesوالسراب الجوي الغالف انكسار

Atmospheric Refractionالجوي الغالف انكسار

56


A mirage can be observed when the air above the ground is warmer than the air at higher elevations

من حرارة اكثر االرض من القريبة الهواء طبقات تكون عندما السراب يحدث . الجو في العليا الطبقات في الهواء طبقات

The rays in path B are directed toward the ground and then bent by refraction

المسار في .Bاألشعة االنكسار بسبب تنحني األرض لى المتجهة المتجهة The observer sees both an upright and an inverted image

. المقلوبة والصورة المعتدلة الصورة المشاهد يرى

Atmospheric Refraction and Sunsetsوالغروب الجوي الغالف انكسار

57


Light rays from the sun are bent as they pass into the atmosphere . الجوي الغالف خالل عبورها عند تنحني الشمس من الضوئية األشعة

It is a gradual bend because the light passes through layers of the atmosphere

. الجوي الغالف طبقات عبر الضوء عبور بسبب تدريجيا تنحني الضوئية األشعة Each layer has a slightly different index of refraction

. مختلف انكسار معامل لها طبقة كل The Sun is seen to be above the horizon even after it has fallen

below it. غروبها بعد حتى االفق في مرتفعة الشمس ترى

Because of refraction, water looks less deep than it really is. Its apparent depth is less than its real depth.

Real and apparent depth

الظاهري والعمق الحقيقي العمق

58


. من أقل الظاهري العمق الحقيقي العمق من أقل الماء عمق يبدو االنكسار بسبب . الحقيقي العمق

Questions

59


1- Which of the following incident rays is mentioned in the construction rules?

الصور؟ تكوين قوانين في ذكرت الساقطة األشعة من أي

2- Which of the following light rays is correct?

AF F

’

BF F

’

CF F

’

60


الصحيح؟ المنكسر الشعاع يمثل التالية األشعة من أي

3- Light travels from air into an optical fiber with an index of refraction of 1.44.

انكسار ( معامل له بصري ليف إلى الهواء من ضوء ).1.44ينتقل

)a( In which direction does the light bend?

الضوء؟ ينحني سوف اتجاه أي في

)b( If the angle of incidence on the end of the fiber is 22°, what is the angle of refraction inside the fiber?

هي ( البصري الليف نهاية عند السقوط زاوية كانت زاوية). °22إذا مقدار فكمالبصري؟ الليف داخل االنكسار

4- By using the indices of refraction what is the angle of refraction if a ray of light in air enters a plane of crown glass at an angle of 45° from the surface?

في الضوئي الشعاع كان إذا االنكسار زاوية مقدار كم االنكسار معامالت باستخدامبزاوية ( الزجاجي السطح يدخل .°45الهواء السطح) من

5- A ray of light is incident on a reflecting surface at 70° with respect to the surface. What is the angle of the reflected ray?

F’

FABC

61


بزاوية ( عاكس سطح على سقط ضوئي زاوية°) 70شعاع مقدار كم السطح، معاالنعكاس؟

6- A light ray in water is incident on the water-air interface at an angle of 45°. What is the angle of reflection in the water and refraction into the air?

سقوط ( بزاوية والهواء الماء بين البيني السطح على سقط الماء في ضوئي شعاع45. الهواء°). في واالنكسار الماء في االنعكاس زاوية مقدار ما

7- Find the critical angle for a fiber optic material with index 1.50.

انكسار ) معامل له بصري ليف لمادة الحرجة الزاوية مقدار ).1.50أوجد

Resources:

62


Books:

1- Holt Physics (Raymond A. Serway, Ph.D. & Jerry S. Faughn, Ph.D.)

2- How to solve Physics Problems (Robert Oman & Daniel Oman)

3- Complete physics (Stephen Pople)

Websites:1. http://www.physics.tamu.edu/ 2. http://www.etsu.edu/cas/physics/ 3. http://www.ktaggart.co.uk/physics 4. http://www.school-for-champions.com 5. http://www.fife-education.org.uk/scienceweb/

http://www.fife-education.org.uk/scienceweb/

http://www.school-for-champions.com/

http://www.ktaggart.co.uk/physics

http://www.etsu.edu/cas/physics/

http://www.physics.tamu.edu/

Documents

Waves and - Science Curriculum Office welcomes you to our ... Web viewSample Problem: A light ray of ... Light sent down a fiber optics tube will continue down the tube with little