هلام الليزر

يمكن للجيلاتين أن يفعل أكثر بكثير من مجرد الاهتزاز والهزهزة.

يمكن استخدام الجيلاتين لأكثر كثيرًا من مجرد تحلية، فيمكن أن يعمل أيضًا بصفته عدسة مدخنة –مما يسمح لك بمشاهدة الانعكاس الداخلي الكلي– أو مرشح ألوان.

الأدوات والخامات

• أطباق بترية.

• صناديق مربعة مفتوحة من أعلى ومصنوعة من البلاستيك الشفاف.

• عبوتان من الهلام Jello® –واحدة حمراء والأخرى زرقاء.

• عبوة من الجيلاتين الشفاف (ماركة Knox® يسهل العثور عليها في محلات السوبر ماركت).

• مؤشرات ليزر حمراء وخضراء.

• منقلة.

التجميع

1. أعد الجيلاتين الأحمر والأزرق والشفاف وفقًا لوصفة «جيللو جيجلرز» Jello Jigglers™ (الموجودة على عبوات Jello®).

2. اسكب نحو 1.25 سم (نصف بوصة) من الجيلاتين الأزرق في طبق بتري دائري.

ماذا تفعل وماذا تلاحظ؟

أمسك الليزر الأحمر بشكل مسطح على الطاولة بحيث يكون شعاع الضوء موازيًا للطاولة. سلط الليزر عبر منتصف الطبق الدائري الذي يحتوي على الجيلاتين الأحمر –ينتقل شعاع مرئي بشكل جميل من خلاله. ثم سلط الليزر خلال الجيلاتين الأزرق. لاحظ أن الشعاع يصبح باهتًا بمجرد أن يصطدم بالجيلاتين. سلط الليزر من خلال طبق الجيلاتين الشفاف. لاحظ أنه يمكنك رؤية الشعاع بوضوح شديد.

سلط الليزر الأخضر خلال الطبق الدائري الذي يحتوي على الهلام الأزرق ولاحظ الشعاع وهو ينتقل عبر الهلام. سلط الليزر الأخضر من خلال الهلام الأحمر ولاحظ أن الشعاع يصبح باهتًا بمجرد دخوله إلى الهلام.

أمسك الليزر بشكل موازٍ للطاولة وسلِّطه من خلال جانب واحد من طبق مربع يحتوي على جيلاتين أحمر أو شفاف. (استخدم الليزر الأحمر للجيلاتين الأحمر؛ واستخدم الليزر الأخضر أو الأحمر للجيلاتين الشفاف). ابدأ بالشعاع العمودي على الحافة؛ لاحظ أنه يمر عبر الجيلاتين في خط مستقيم. الآن دوِّر الليزر بحيث يضرب الشعاع الحافة المسطحة للطبق بزاوية ما. أثناء ذلك، لاحظ كيف ينحني الشعاع في اتجاه مركز الطبق. استخدم المنقلة لقياس زاوية السقوط بين الشعاع وخط عمودي على الحافة المسطحة، وزاوية الانكسار بعد دخوله الجيلاتين.

بعد ذلك، خذ طبق البتري المستدير الذي يحتوي على الجيلاتين الأزرق. أمسك الليزر الأخضر بالتوازي مع سطح الطاولة، وسلِّطه عبر منتصف الحافة المنحنية للطبق (يجب أن يبدو كما لو أن الليزر يشطر الدائرة). الآن، بدءًا من الموضع الأصلي لليزر، حرك الليزر في خط مستقيم إلى اليمين ثم إلى اليسار، بحيث يتحرك الشعاع باتجاه الحواف الخارجية للطبق. بينما تفعل ذلك، لاحظ كيف ينحني الشعاع في اتجاه مركز الطبق. ملحوظة: أمسك مؤشري الليزر بالتوازي معًا وسلط كلا الشعاعين عبر الحافة المنحنية للطبق، ثم استخدم قطعة من الورق الأبيض أو الورق المشمع شاشةً للعثور على النقطة المحورية حيث يتقاطع الشعاعان –انظر قسم «ما الذي يحدث؟» أدناه للحصول على مزيد من المعلومات.)

وأخيرًا، خذ طبقًا مربعًا يحتوي على جيلاتين أحمر أو شفاف. أمسك أي من مؤشري الليزر بالتوازي مع الطاولة (استخدم الليزر الأحمر للجيلاتين الأحمر؛ واستخدم إما الليزر الأحمر أو الأخضر للجيلاتين الشفاف)، وسلط الشعاع من خلال حافة واحدة للصندوق ولاحظ الشعاع الذي يخرج من الجانب البعيد. والآن، سلط الشعاع على أحد جوانب الصندوق بحيث يصطدم بالجانب المجاور بزاوية خاطفة –ستلاحظ أنه لا يوجد ضوء يخرج من الصندوق عبر هذا الجانب! (قد تحتاج إلى التجربة بعض الشيء للعثور على الزاوية الخاطفة الصحيحة.) تسمى أكبر زاوية حيث لا يهرب أي ضوء «الزاوية الحرجة».

ما الذي يحدث؟

الجيلاتين مادة غروانية –تتعلق جزيئاته الكبيرة في المحلول بحيث لا تستقر فيه– ومن ثم ينثر ما يكفي من شعاع الليزر لجعله مرئيًّا. لا تمتص الصبغة الحمراء الموجودة في الجيلاتين الأحمر الضوء الأحمر، لذا يمكنك رؤية الشعاع الأحمر عندما يلمع من خلاله. بينما يمتص الجيلاتين الأزرق (الذي هو في الواقع سماويًّا) الضوء الأحمر (لكن ليس الأزرق أو الأخضر)، لذا فإن الشعاع الأحمر غير مرئي.

عندما يدخل الضوء الجيلاتين، يتسبب التغيير في الوسط في تغيير سرعة الضوء وتغير معامل الانكسار. يؤدي هذا التغيير في السرعة إلى «انكسار» اتجاه الشعاع أو انحنائه. عند الانتقال من مادة عالية السرعة مثل الهواء إلى مادة منخفضة السرعة مثل الجيلاتين، فإن الشعاع ينحني في الجيلاتين أو باتجاهه.

سوف يتقارب الضوء الذي ينتقل عبر عدسة محدبة. إذا سلطت شعاعين متوازيين من خلال الجيلاتين، فقد رأيت أن أشعة الضوء المتوازية سوف تتجمع عند نقطة على الجانب البعيد من العدسة المنحنية (في هذه الحالة، الجانب المنحني من الطبق) –وهذا ما يسمى «النقطة البؤرية». أيها المعلمون! قد يكون هذا هو الوقت المناسب لتقديم انعكاس الضوء. سلط الليزر من خلال «عدسة» الجيلاتين –حدد مساره إلى داخل الجيلاتين ثم إلى خارجه. سلط شعاع ليزر إلى الخلف على طول هذا المسار –أي، سلطه في المسار الذي خرج منه الشعاع الأصلي. سيكون مسار الضوء الذي يتبعه الشعاع المعكوس هو نفسه تمامًا.)

عندما ينتقل الضوء من مادة أبطأ (أو أكثر كثافة بصريًّا) إلى وسط أسرع، فقد ينعكس بطريقة مشابهة لقشط الحجر عن سطح الماء. إذا اصطدم الشعاع بزاوية صغيرة بالنسبة للسطح، فإن الضوء سوف ينعكس تمامًا –وهذا يسمى «الانعكاس الداخلي الكلي». إذا كانت الزاوية أقرب إلى العمودي، فإن الشعاع سيخرج من جانب الطبق.

المضي قدمًا

عندما ينتقل شعاع ضوء من وسيط عالي السرعة إلى وسيط أقل سرعة، يتصرف تصرفًا مشابهًا لطريقة تصرف السيارة أثناء انتقالها من الأسفلت المرصوف إلى القاذورات الناعمة أو الحصى الرخو. ستغير السيارة اتجاهها من خلال الانحدار بزاوية في الحصى، بالطريقة نفسها التي ينكسر بها شعاع الضوء بالتحول في اتجاه مماثل نحو المادة منخفضة السرعة.

Exploratorium, 2020 

by the Exploratorium 2020 ©