تجارب علمية

أهداف التجربة

إيجاد الحرارة النوعية لسائل بطريقة التبريد.

الأساس النظري  للتجربة
إذا وضع جسم ساخن في وسط بارد، فإن درجة حرارة الجسم تتناقص مع مرور الزمن، وهذه ظاهرة مألوفة، ويعتمد معدل فقدان الحرارة من الجسم إلى الوسط على ما يلي:
1- طبيعة سطح الجسم.
2- مساحة سطح الجسم.
3- الفرق في درجة الحرارة بين الجسم والوسط المحيط به.
وحتى نتخلص من تأثير العاملين: الأول والثاني، فإننا نستعمل السطح نفسه مرتين. ولذلك تستعمل إناءً فلزياً مرتين، نملؤه في المرة الأولى بالماء، وبسائل آخر (كاز مثلاً) في المرة الثانية. وبعد تحييد (تثبيت) هذين العاملين، نستعمل المعادلة:
∆ ط    =       هـ (∆ د)
∆ ز             
مرتين: مرة والإناء مملوء بالماء، ومرة أخرى والإناء مملوء بالسائل (الكاز).
المواد والأدوات والأجهزة اللازمة

مسعر؛ مصدر حرارة؛ مخبارٍ مدرج؛ ميزان ذو كفتين؛ كأس، صندوق فارغ، ساعة يد، ماء، كاز، ثيرمومتر.
خطوات إجراء التجربة

1- جد كتلة المسعر فارغاً باستعمال الميزان ذي الكفتين ولتكن (ك).
2- املأ المسعر بالماء، ثم جد كتلة الماء والمسعر (ك1).
3- ضع الماء في الكأس، ثم سخنه إلى درجة (60ْس) ثم أفرغه في المسعر، ضع المسعر في الصندوق (كما في الشكل 34)، حرك الماء، سجل درجة الحرارة [العمل في مجموعات: المجموعة من ثلاثة طلاب.. الأول معه الساعة، والثاني يقرأ ميزان الحرارة، والثالث يسجل على الجدول].
4- يُحرك الماء دقيقة، وتقرأ درجة الحرارة، وتسجل في الجدول.
5- استمر حتى تصل درجة الحرارة 30ْس.
6- جفف المسعر بعد أن تفرغ الماء منه تجفيفاً جيداً.
7- املأ المسعر بالسائل الآخر (كاز) ثم جد كتلة المسعر والسائل (ك2).
8- أعد الخطوات نفسها التي عملتها سابقاً، وسجل في الجدول.
9- على ورقة رسم بياني، ارسم  العلاقة بين الزمن ودرجة الحرارة. [ الزمن على محور السينات، ودرجة الحرارة على محور الصادات]. مستعملاً لونين: لون ازرق للماء، ولون احمر للسائل (أو أي لونين).
10- اختر على الرسم البياني درجتي حرارة د1 ، د2.
11- حدد فترة التبريد المقابلة لكل سائل ∆ ز1 للماء و ∆ز2 للسائل.

ملحوظات :
1- هذه التجربة لا تفترض صحة قانون نيوتن في التبريد أو أي قانون آخر له.
2- الحرارة النوعية للماء 4185 جولاً/ كغ. ْس.
الحرارة النوعية للنحاس 418 جولاً/ كغ. ْس.
يمكنك أن تحصل على الحرارة النوعية للمواد الأخرى من كتاب الفيزياء.
3- لتحويل الحرارة النوعية من سعر/ غم. ْس إلى جول/ كغم ْس ، اضرب في 4185 .
الحرارة المفقودة (∆ ط) تحسب من المعادلة:
4- ∆ ط = كتلة المسعر × حرارة مادته النوعية × (د2 – د1) + كتلة السائل × الحرارة النوعية للسائل ×  (د2 – د1).
من المعادلة :   ∆ ط    =       هـ (∆ د)، وبتحديد قيمتي (ز1 ) و (ز2)
         ∆ ز             

جد قيمة الحرارة النوعية للسائل.
         الأسئلة
                  

1- ما أهمية الصندوق وغطاء المسعر وقطع الفلين في التجربة؟ وضح إجابتك.
2- ما مصادر الخطأ في التجربة؟ وكيف تعلل كلاً منها؟
3- إن لم يتوافر في مدرستك مسعر – أو عدد كاف] من المساعر، فما البدائل التي تقترحها؟
4- ما اقتراحاتك لإعادة التجربة إعادة جيدة يتناسب مع موجودات مختبر مدرستك، وموجودات البيئة المحلية المتوافرة.

تحذير: أياك أن تستعمل هذه الطريقة مع سوائل مثل: البنزين، الأثير وما شابها من السؤال ذات درجات الغليان المنخفضة، لماذا؟ وضح إجابتك.
أعد هذه التجربة (إن تمكنت ) لإيجاد الحرارة النوعية لسائل آخر (الزيت مثلاً).

التجربة  الحادية العشر            انكسار الضوء في المنشور

أهداف التجربة
1- قياس زاوية الانحراف الصغرى في المنشور.
2- قياس معامل انكسار الضوء الأبيض في المنشور.


الأساس النظري  للتجربة

إذا سقط شعاع ضوئي على وجهة منشور بزاوية () فإن الشعاع ينكسر، ويمر بداخل المنشور، ثم يسقط مرة أخرى على الوجه الآخر، وينكسر مرة ثانية إلى الهواء، بزاوية الخروج () أنظر الشكل (36).
الزاوية المحصورة بين امتداد الشعاع الساقط وامتداد الشعاع الساقط وامتداد الشعاع النافذ (ح) تسمى زاوية الانحراف، وتعتمد زاوية الانحراف على ثلاثة عوامل هي: زاوية رأس المنشور، ومعامل انكسار المادة المصنوع منها، وزاوية السقوط.
سوف نثبت العاملين الأولين وندرس العلاقة بين زاوية رأس المنشور وزاوية الانحراف.
المواد والأدوات والأجهزة اللازمة
منشور، دبابيس، منقلة، مسطرة، قلم، ورق أبيض، صفيحة من الفلين (الكرتون، البولسترين).
العمل:
1- ضع المنشور على الورقة البيضاء وتحتها صفيحة الفلين.
2- ارسم خطين حول وجهي المنشور.
3- ارفع المنشور ومن نقطة (د) أقم عموداً على (أ حـ) . (أ د  2 د جـ) كما في الشكل (37).
بالمنقلة، ارسم زاوية (20ْ) مع العمود، حدد ضلعها (د هـ)، اغرس دبوساً في النقطة (هـ) وآخرون في النقطة (د).
4- انظر من الوجه الآخر للمنشور، غير مكان النظر حتى ترى صورتي الدبوسين (هـ) و (د) على استقامة واحدة، اغرس الدبوس (و) ملاصقاً لوجه المنشور بحيث يكون (و) وصورتا (هـ) و (د) على استقامة واحدة، ثم على بعد منه، اغرس الدبوس (ن ) بحيث ترى الدبوسين (ن) و (و) وصورتي الدبوسين (د) و (هـ) على استقامة واحدة.
5- ارفع المنشور، علم مكان كل دبوس (×) تصل ن وثم مده على استقامته، ومد هـ د على استقامته، والزاوية الحادة بين الامتدادين هي زاوية الانحراف (ح). استعمل المنقلة لتجد قيمة (ح).
6- كرر الخطوات السابقة (2 –5) بزيادة زاوية السقوط () إلى:
    30ْ، 40ْ ، 50ْ ، 60ْ، 70ْ  . وجد زاوية الانحراف (ح) لكل منها. ورتب نتائجك كما في الجدول (9).
7- على ورقة الرسم البياني، ارسم العلاقة بين زاوية السقوط () وزاوية الانحراق (ح).
 [ ( ) على محور الصادات].
     من الرسم، حدد المنطقة التي تكون زاوية الانحراف فيها أقل ما يمكن؛ ولنفرض أنها بين زاويتي السقوط (40ْ –50ْ). خذ قيماً وسيطة ( 34ْ ، 46) ثم أجر التجربة عليها، حدد قيمة زاوية الانحراف الصغرى (ح*) على الرسم.
8- قس زاوية رأس المنشور.
جد معامل انكسار مادة المنشور من المعادلة:


ملحوظتان:
1- عمل لوح الفلين الذي يوضع تحت الورقة يسهل تثبيت الدبابيس.
2- عند رسم الخطوط، ترفع الورقة عن لوح الفلين كي لا تتمزق.
         الأسئلة
                  
1- ما العلاقة بين زاوية السقوط وزاوية الخروج عندما تكون زاوية الانحراف في نهايتها الصغرى؟
2- إذا سقطت الأشعة على الوجه الآخر للمنشور (أ ب)، فهل تتوقع أن تتغير النتيجة؟ لماذا؟
3- ما اقتراحاتك للحصول على نتائج أكبر دقة؟
الجدول (9)
رقم المحاولة    1       2       3       4       5       6
زاوية كلا السقوط ( )                                                       
زاوية الانحراف (ح)                                                  

التجربة الثانية عشر              انكسار الضوء في العدسات

أهداف التجربة
تهدف هذه التجربة إلى إيجاد البعد البؤري لعدسة مقعرة.


الأساس النظري  للتجربة
إذا سقطت أشعة متوازية وموازية للمحور الأساسي لعدسة مقعرة، فإن العدسة تكسر هذه الأشعة، وتجعلها تتفرق، بحيث تمر امتداداتها في بؤرة العدسة. أما إذا سقطت أشعة متجمعة على عدسة مقعرة، فإن العدسة تكسر هذه الأشعة، وتجعلها تخرج لتتلاقى في نقطة أبعد.
انظر الشكل (38).
الأشعة المتجمعة تتلاقى في نقطة (أ) وعندما وضعت عدسة مقعرة في مسارها انكسرت الأشعة وخرجت لتتجمع في نقطة (حـ). أي أن الخيال الحقيقي المتكون في نقطة (أ) أصبح جسماً وهمياً بالنسبة للعدسة المقعرة عنها مسافة = ( -أ م)، وتكون لهذا الجسم الوهمي خيال حقيقي في نقطة (حـ).
الخلاصة أن العدسة المقعرة تعمل للجسم الوهمي خيالاً حقيقياً.
وباستخدام قانون العدسات.
1       =       1       +       1       ، نحسب البعد البؤري للعدسة المقعرة.
ع                 س                ص    

المواد والأدوات والأجهزة اللازمة
عدسة مقعرة؛ عدسة محدبة، شمعة، مسطرة مترية؛ شاشة؛ حاملاً عدسة.

خطوات إجراء التجربة
1- عتم الغرفة، وأشعل الشمعة ثم ضعها أمام العدسة المحدبة.
حرك الشاشة حتى يتكون عليها أوضح خيال.
2-  حدد مكان الخيال (مكان الشاشة).
3- ضع العدسة المقعرة بين العدسة المحدبة ومكان الخيال.
حرك العدسة المقعرة ومكان الخيال الحقيقي (ص) والمسافة بين العدسة المقعرة ومكان الجسم الوهمي (-س). احسب البعد البؤري للعدسة المقعرة.

4- كرر الخطوة (3) بحيث تغير في مكان العدسة المحدبة، لتجد قيمتين أخريين للبعد البري للعدسة المقعرة.
جد متوسط القيم الثلاث للبعد البؤري
         الأسئلة
                  
1- يجب أن يكون البعد البؤري للعدسة المحدبة أقل من البعد البؤري للعدسة المقعرة [ ع محدبة <| ع مقعرة| ]. لماذا؟
2- لقد حصلت على ثلاث قيم للبعد البؤري للعدسة، هل هي متساوية؟
إن لم تكن متساوية، فما سبب الاختلاف فيها؟
3- أراد طالب أن يجري هذه التجربة، ولكنه لم يجد عدسة محدبة، فما البديل الذي تقترحه؟


التجربة بديلة             إيجاد البعد البؤري لعدسة مقعرة


الأساس النظري  للتجربة
كما وردت في التجربة الأصلية.

المواد والأدوات والأجهزة اللازمة
كما وردت في التجربة الأصلية، يضاف إليها ورق لاصق.

خطوات إجراء التجربة
1- استعمل الشمعة والعدسة المحدبة والمسطرة والشاشة لتجد منها البعد البؤري للعدسة المحدبة.
2- اضغط العدستين المحدبة والمقعرة معاً، ولُفّ العدستين بالورق اللاصق لتصبحا عدسة واحدة مركبة.
3- استعمل الشمعة والعدسة المركبة والشاشة. لتجد منها بعد الجسم وبعد الخيال، ثم احسب البؤري للعدسة المركبة.
4- استعمل القانون:
1       =       1       +       1       ، لتحسب البعد البؤري للعدسة المقعرة.
ع                 ع1               ع2    
[حيث ع: البعد البؤري للعدسة المركبة.]
ع1 : البعد البؤري للعدسة المحدبة.
ع2: البعد البؤري للعدسة المقعرة.
5- كرر الخطوة (3) مغيراً موضع الجسم مرتين.
    وجد البعد البؤري لعدسة المركبة في كل مرة، ثم احسب البعد البؤري للعدسة المقعرة.
6- احسب المتوسط الحسابي للبعد البؤري المحسوب، فيكون هو البعد البؤري للعدسة المقعرة المطلوبة.
التجربة الثالثة عشرة             شقّا يَنْغ slit experiment –Youngs Double

أهداف التجربة
قياس الطول الموجي لضوء وحيد اللون بوساطة التداخل.


الأساس النظري  للتجربة
لدراسة تفصيلية للأساس النظري لهذه التجربة، يمكن العودة إلى البند (1 –8) من الوحدة الثالثة من كتاب الطالب، فقد استطاع العالم يَنْغ إجراء التداخل بين قطارين من الموجات، المارة في شقين ضيقين متجاورين، وعلى البعد نفسه من مصدر واحد، وهكذا، فإن أي تغير في الموجات الصادرة عن المصدر الأصيل، سيرافقه تغير في موجات الشقين في الوقت نفسه، وبذلك تبقى الموجات عند صدورها من الشقين في الطور نفسه، الشكل (39).

وللحصول على شقين متجاورين، يمكن أخذ شريحة زجاجية من تلك التي تستخدم في المجهر المركب وطلاءها باللون الأسود، بحيث تصبح غير منفذة للضوء، خذ شفرتي حلاقة، وضعها الواحدة فوق الأخرى، وبوساطة حديهما المتجاورين أعمل خدشاً في الطلاء الأسود على الشريحة الزجاجية، وهكذا، يمكن للضوء أن يمر في هذين الشقين المتجاورين فقط عند وضع الشريحة في طريق الضوء الساقط من مصدر معين.

من المعادلة (14)، (يرجى العودة إلى لكتاب الطالب)، نجد أنن عرض الهدبة سواء أكانت مضيئة أم معتمة يمثل بالعلاقة التالية:

عرض الهدبة =         ف   000000000000000(1)
         س     

حيث  : طول موجة الضوء المستعمل.
ف: بعد العين عن الشقين.
س: البعد بين الشقين المتجاورين.
وهكذا إذا قمت بقياس عرض الهدبة وبمعرفة ف و س، يمكن حساب الطول الموجي.
المواد والأدوات والأجهزة اللازمة

مصدر ضوئي عادي (لمبة ذات فتيلة)، عدسة محدبة، مرشحات ضوئية (أحمر، أخضر، أزرق)، شق ضيق (single slit) ؛ شقان متجاوران (double slit)؛ عينية مدرجة.

خطوات إجراء التجربة

1- رتب الأدوات الضوئية كما في الشكل (40)، بحيث يكون المصدر الضوئي في بؤرة العدسة المحدبة المستخدمة وذلك للحصول على حزمة متوازية من الأشعة.
2-  تمرر هذه الأشعة المتوازية من الفتحة الضيقة، إلى المرشح الضوئي الأحمر (مثلاً).
3- تسقط الأشعة الحمراء النافذة من المرشح على الشقين المتجاورين.
4- لاحظ الموجات المتداخلة بوساطة العينية المدرجة، فتجد أنها تتكون من مجموعة من أهداب مضيئة وأهداب أخرى معتمة كما في الشكل (41).
5- قس عرض عدد معين من الهدب، ثم احسب عرض هدبة واحدة.
6- قس بعد العينية عن الشقين (ف) والبعد بين الشقين (س)، وبتعويض هذه الكميات في المعادلة (1)، احسب طول موجة الضوء المستخدم.
7- يمكنك الآن الاستعاضة عن المرشح الأحمر بمرشحات ذات ألوان مختلفة، وأعادة قياس عرض الهدبة، وحساب الأطوال الموجية لأطياف مختلفة.
8- لاحظ أنه عند زيادة بعد العينية (ف)، فإن عرض الهدب يزداد ضمن حدود معقولة، وهذا يتفق مع المعادلة (1).
ولكن أنه إذا زيدت (ف) كثيراً، فإن شدة إضاءة الأهداب تقل إلى حد كبير، ولذلك، فمن الناحية العملية، يمكن زيادة (ف) ضمن حدود فقط.

         الأسئلة
                  
1- هل يمكن إجراء هذه التجربة والحصول على أهداب التداخل إذا استخدمت ضوء الشمس؟
2- هل يمكنك إجراء هذه التجربة باستعمال مصباحين متجاورين بدل الشقين؟
3- هل نعتبر الأهداب المعتمة مخالفة قانون حفظ الطاقة؟
4- ما مصادر الخطأ عند إجراء هذه التجربة؟
5- هل يحدث تداخل للموجات الصوتية من مصدرين متجاورين؟

الجدول (10)
رقم المحاولة    بعد العينية (ف)         البعد بين الشقين (س)   عدد الهدب      عرض الهدب   عرض الهدبة   طول الموجة
                  


التجربة الرابعة عشر             الرنين في الأعمدة الهوائية

أهداف التجربة
1- قياس سرعة الصوت في الهواء.
2-  دراسة ظاهرة الرنين.


الأساس النظري  للتجربة
تنعكس الموجات الصوتية الطولية التي تتحرك عبر أنبوب عند نهايتي هذه الأنبوب، مكونة موجات واقفة نتيجة تداخل الموجات الساقطة والمنعكسة، ويختلف شكل هذه الموجات الواقعة في الأنبوب المغلق الطرف عنه في الأنبوب المفتوحة الطرفين، لاحظ الشكل
(42).
ويمكن قياس سرعة الصوت في الهواء عند درجة حرارة معينة (درجة حرارة الغرفة مثلاً) بوساطة قياس الطول الموجي للموجات الصادرة عن جسم يهتز بتردد معلوم، كشوكة رنانة معروفة التردد. ولهذا الغرض، يمكن الاستعانة بجهاز بسيط مكون من أنبوب زجاجي طويل
 ( 1 متر) متصل بوعاء مملوء بالماء، بوساطة أنبوب مطاطي لين الشكل (43).

يعمل سطح الماء في الأنبوب الزجاجي حاجزاً تنعكس الموجات الصوتية الساقطة عليه، ويمكن تغيير مكان هذا الحاجز الماء بتغيير مكان وعاء الماء، حسب مبدأ الأواني المستطرقة، ويقوم عمود الهواء في الأنبوب فوق الماء بعمل الرنين مع الشوكة الرنانة، وكما تعلمت عزيزي الطالب (كتاب الطالب: الرنين في الأعمدة الهوائية) فإن الجسيمات عند تردد الرنين تهتز، بحيث يكون اتساع اهتزازاتها أكبر ما يمكن، وهو التردد الطبيعي، ويحدث هذا الرنين عندما
يكون طول عمود الهواء مساوياً                =       3    +       5    وهكذا.
         4                 4                 4      



ويمكن تحديد ذلك تجريبياً بالاستماع للزيادة الواضحة في شدة الصوت المسموع، عند فوهة الأنبوب، عند هذه الأطوال.
(ملحوظة: على الشكلين: 1 و 2 : اهتزازات جسيمات الهواء طولية طبعاً، لكنها تظهر هنا مستعرضة).
المواد والأدوات والأجهزة اللازمة
أنبوب زجاجي طوله متر واحد، مقياس متري، أنبوب مطاطي مَرِن، وعاء مملوء بالماء، مجموعة من الشوكات الرنانة (مدى ترددها  512 = 256 هرتز)، مطرقة من المطاط، ورنية.
خطوات إجراء التجربة

1- املأ الأنبوب الزجاجي بالماء إلى مستوى أقل بضعة سنتمترات عن الحافة.
2- خذ شوكة رنانة 512 هرتز مثلاً). اطرق طرف الشوكة الرنانة بوساطة المطرقة المطاطية، وضعها عند فوهة الأنبوب.
بحيث ترتفع عن الحافة بضعة ملمترات.
3- بوجود الشوكة الرنانة عند فوهة الأنبوب، غير مستوى الماء في أنبوب الرنين، حتى تسمع صوت الرنين قوياً عند فوهة الأنبوب. إن ذلك قد يحتاج إلى تكرار المحاولة في البداية.
4- سجل الطول (ل1) بين فوهة الأنبوب ومستوى الماء في الأنبوب، بعد قياسه بالمسطرة الخشبية في الجدول (11)
5- أعد التجربة مرة أخرى بعد تخفيض مستوى الماء إلى (ل2) الذي يساوي ثلاثة أمثال الطول الأول.
6- يمكن إعادة التجربة باستخدام شوكة رنانة أخرى مختلفة التردد وتدوين النتائج في الجدول (11).
7- سجل درجة حرارة الغرفة بقراءتها من ميزان حرارة في المختبر.
8- استخدم الورنية لإيجاد نصف قطر الأنبوب الزجاجي من الداخل.


         الأسئلة
                  
1- إذا كان طول الأنبوب الزجاجي 75سم، فهل يمكنك سماع الرنين الثالث باستخدام شوكة رنانة ترددها  512 هرتز؟
ولماذا؟
2- من المعادلتين: 1 ، 2، يمكن حساب تصحيح الطرف "ص"، احسب هذا التصحيح وقارن بالتصحيح الذي يمكن حسابه من المعادلة الإمبريقية (النظرية):
ص = 0.6  نق؛ ... .......(6)
ل1 +ص =    1       =    1                 ع      
         4                 4                 ت      
حيث نق = نصف قطر الأنبوب الزجاجي من الداخل.
3- يمكن كذلك حساب تصحيح الطرف بطريقة الرسم البياني، حيث:


أي أن : ل1     ع       -        ص    
         4ت                      
وبذلك ، لو حققنا بالتجربة الرنين الأول لمجموعة من الشوكات الرنانة المختلفة

الترددات، ثم رسمنا علاقة بيانية بين ل1 و      1       ، فإننا نحصل علاقة
         ت      
خطية ،ميل الخط يساوي         ع       والمقطع الصادي يساوي ص "تصحيح
         4      
النهاية"،لاحظ الشكل (44).

4- كيف تتغير سرعة الصوت في الهواء بتغير درجة الحرارة؟
5-إذا أهملنا تصحيح الطرف، فما نسبة الخطأ في سرعة الصوت نتيجة لذلك؟
6- فسر ظاهرة الرنين.

 تجربة مقترحة

        يمكنك دراسة الرنين في الأعمدة الهوائية في أنبوب مفتوح الطرفين، وذلك بأن تأخذ أنبوبين، قطرت إحداهما أصغر قليلاً من قطر الأخرى، لاحظ الشكل (45). بحيث تنزلق داخلها دون أن تسقط، والآن، خذ شوكة ذات تردد معين وابدأ زلق إحدى الأنبوبين حتى نحصل على الرنين الأول، ثم كرر التجربة بحيث تحصل على الرنين الثاني، وبالرغم من اختلاف الرنين في الأنبوب مفتوح الطرفين عنه في الأنبوب مغلق الطرف ( في الفوهتين يكون هناك بطنا للموجات)، فإن افرق بين طولي الأنبوبة عن الرنين الثاني والأول يكون مساوياً لنصف طول الموجة أيضاً، وهكذا، وبمعرفة تردد الشوكة، يمكن حساب سرعة الصوت في الهواء، ويمكنك مراجعة الكتاب المدرسي للتحقق من ذلك.



التجربة الخامسة عشرة                    تجربة ميلد Meld’s Experiment

أهداف التجربة
تحقيق خصائص الموجات الواقعة في الأوتار.


الأساس النظري  للتجربة
إذا شد وتر طويل وأعطى عند إحدى نهايتيه حركة اهتزازية باتجاه عمودي على طوله، فإن موجات تنقل على امتداد الوتر، وتكون حركة كل جزء من الوتر عمودية على طوله، وتسمى هذه الموجات الموجات المستعرضة، وتعطى سرعة هذه الموجات في الوتر بالعلامة التالية:

حيث : ش التوتر في الوتر.  
       ك كتلة وحدة الأطوال للوتر (الكثافة الطولية).

إذا أرسلت موجات مستعرضة عبر وتر مشدود مثبت عند نهايته، فإن هذه الموجات تنعكس عند هذه النهاية المثبتة وهكذا، فإن هذا الوتر يقع تحت تأثير مجموعتين من الموجات المتشابهة التي تتحرك باتجاهين متعاكسين؛ وتنتج عن تداخلها موجات واقفة.

يبين الشكل (46) طريقة للحصول على موجات واقفة في وتر مشدود باستخدام شوكة رنانة، مصدراً للاهتزازات (الموجات). وعلى أي حال، فإن الوتر سوف يهتز بأكبر إزاحة (اتساع) إذا كان تردد الشوكة الرنانة مساوياً لإحدى ترددات الرنين للوتر المشدود، وعندها، يقال: إن الوتر في حالة رنين مع الشوكة الرنانة، وكما مر بك في كتاب الطالب، تردد الوتر يعطي بالعلاقة:


ويستعان عادة بشوكة رنانة كهربائية يربط بها وتر منتظم مشدود، كما في الشكل (46)
المواد والأدوات والأجهزة اللازمة
مسطرة مترية؛ بطارية 6 فولط؛ مجموعة أثقال؛ حامل لتعليق الأثقال بالوتر؛ ميزان لتحديد كتلة وحدة الأطوال للوتر.
خطوات إجراء التجربة

1- جهز التجربة كما في الشكل : (46)، ثم صل الشوكة الكهربائية بالمصدر الكهربائي (البطارية) بحيث تبدأ الشوكة الكهربائية الاهتزاز.
2- في أثناء اهتزاز الشوكة، يمكن تغيير التوتر في الوتر، بحيث تتكون موجات واقفة.
3- غير الأثقال المعلقة بطرف الوتر، حتى تصل على أكبر إزاحة للوتر.
4- سجل قيم التوتر (س) للازمة لكي يهتز الوتر كما في الجدول (12)، يعمل جزء واحد ثم جزءان، ثلاثة، أربعة، خمسة، ستة.
5- خذ طولاً معيناً من الوتر، وضعه في الميزان لتحديد كتلته؛ وبذلك، احسب كتلة وحدة الأطوال للوتر (ك).
6-  ارسم علاقة بيانية بين التوتر "ش" ومربع طول الموجة الواقعة لتحصل على مستقيم، (لماذا؟). ومن ميل هذا الخط وكتلة وحدة، يمكنك حساب تردد الشوكة الرنانة .
         الأسئلة
                  
 1- عندما يهتز الوتر مكونا حلقة واحدة، فهل تكون نهاية الوتر المربوطة بفرع الشوكة الرنانة عقدة تكوينا تاما؟ 
2- إذا احتوى الوتر على مجموعة من العقد على مسافات مختلفة من بعضها لاحظ الشكل (47)، فهل تتكون موجات واقفة في الوتر؟ لم؟ أو ، لم لا ؟
3- بين من الأبعاد أن المعادلة (2) صحيحة ( تحليل بعدي).
4- فسر كيفية عمل الشوكة الرنانة الكهربائية.
5- هل يختلف تردد الشوكة الرنانة باختلاف درجة الحرارة؟
رقم المحاولة    التوتر  عدد الحلقات    طول الموجة ()       2
1
2
3                                   

التجربة السادسة عشرة           الرنين في الأوتار

أهداف التجربة
تحقيق قوانين اهتزاز الأوتار بوساطة الصونومتر.


الأساس النظري  للتجربة
سبق أن درست في كتاب الطالب أن تردد النغمة "ن" لوتر مهتز يعطى بالعلاقة:

حيث: ن : عدد صحيح بدل على رتبة النغمة، ويساوي  1، 2 ، 3 ... ..............(1)
       ل: طول الونر المهتز.
      ش: التوتر في الوتر.
     ك: كتلة وحدة الأطوال للوتر، أو الكثافة الطولية للوتر.
ويستدل من المعادلة (1) أن التردد لنغمة معينة (الأساسية، مثلاً؛ حيث ن =1) يعتمد على ثلاثة عوامل، هي : طول الوتر، والتوتر فيه، وكتلة وحدة الأطوال له، ويمكن التحقق من هذا تجريبياً بدراسة هذه العوامل على انفراد، باستخدام جهاز سبق وصفه في كتاب الطالب، يعرف بالصونومتر الشكل (48).

المواد والأدوات والأجهزة اللازمة
الصونومتر؛ مجموعة مختلفة من الأسلاك؛ مجموعة مختلفة من الكتل؛ مجموعة شوكات رنانة مختلفة التردد (مداها من 512 – 256)؛ مسطرة مترية؛ ميزان حساس.

خطوات إجراء التجربة
أولاً: لتحقيق العلاقة بين التردد وطول الوتر (ت      1       (
         ل      


1- ضع كتلة معينة لشد الوتر الذي يمر حول البكرة.
2- حرك الجسر الخشبي بين طرفي الوتر الثابتين، لتغيير طول الوتر كما تشاء.
3- ضع ركاباً من الورق (قطعة صغيرة من الورق على شكل حرف 8) عند منتصف الوتر.
4- اضرب شوكة رنانة ذات تردد معلوم، وضع قدمها على السطح العلوي للصونومتر.
5- حرك الجسر الخشبي في أثناء اهتزاز الشوكة، لتغيير طول الوتر، وسبب ذلك أن اتساع اهتزاز الوتر بهذه النغمة.
6- كرر هذه العملية عدة مرات، حتى تشاهد أن قطعة الورق اهتزت بعنف وسقطت عن الوتر، نتيجة وجودها عند بطن الاهتزاز للوتر؛ أي أقصى إزاحة عن موضع السكون.
7- قس طول الوتر المعتز، وسجل هذا الطول وتردد الشوكة المستخدمة.
8- أعد إجراء التجربة باستخدام شوكات رنانة أخرى وسجل مشاهداتك.
9- يمكنك التحقق من العلاقة بين التردد وطول الوتر بإحدى طريقتين:

ب- اضرب طول الوتر بتردد الشوكة المرافق له، تلاحظ أن حاصل الضرب في الحالات المختلفة يكون ثابتا؛ أي أن:
ت1 ل1 =ت2 ل2 = ت3 ل3 ثابتاً.
وهذا يعني ا، زيادة "ت" يجب أن يرافقها نقص في "ل" ليبقى حاصل الضرب ثابتاً؛ أي أن العلاقة بين التردد والطول عكسياً.

ثانياً: تحقيق العلاقة بين التردد والجذر التربيعي للتوتر.
1- ضع كتلة معينة للحصول على شد في الوتر، مع المحافظة على طول الوتر ثابتاً.
2- اضرب شوكة رنانة ذات تردد معين (ت1) ثم أبدأ بتغيير الأوزان التي تشد الوتر، حتى تلاحظ أن الركاب الورقي قد  سقط، نتيجة اهتزازه بعنف عند منتصف الوتر.
3- قد تحتاج للحصول على هذا الوضع إلى محاولات متكررة؛ وهذه طبيعة التجربة؛ إذ يحتاج الإنسان إلى الصبر والمثابرة.
4- كرر ذلك مع شوكات مختلفة التردد، وسجل في كل مرة الوزن اللازم للحصول على الرنين.
5- ارسم علاقة بيانية بين التردد والجذر التربيعي للتوتر، تلاحظ أن هذه العلاقة خطية؛ وهذا يدل على أن

 
ثالثاً: تحقيق العلاقة بين التردد وكتلة وحدة الأطوال (ت       1       (
         ك      


1- مع المحافظة على التوتر وطول الأوتار ثابتة، نأخذ أوتاراً من مواد مختلفة (لها القطر نفسه) أو من المادة نفسها، وتكون ذات أقطار مختلفة، بحيث نحصل على كثافة طولية مختلفة.
2- في هذه الحالة، يلزم وتر يمكن استخدامه مرجعاً، ويثبت بجوار الوتر المراد قياس تردده، ويشد بالقوة نفسها.
3- نضع ركاباً على الوتر المرجع عند منتصفه.
4- نشد الوتر المراد قياس تردده من المنتصف، ثم نتركه ليهتز، وتغير طول الوتر المرجع، حتى نلاحظ أن الركاب يهتز عليه بعنف، ثم يسقط، وفي هذه الحالة، يكون للوتر أن التردد نفسه؛ أي:

أي أن حاصل ضرب طول الوتر بالجذر التربيعي لكتلة وحدة الأطوال يكون ثابتاً = كتلة الوتر.
ويمكن تلخيص النتائج التي توصلنا إليها على النحو الآتي:
         الأسئلة
                  
1- بين المقصود بالموجات الواقعة والموجات المتحركة.
2- ميز الموجات المستعرضة من الطولية وأعط أمثلة.
3- بين الفرق بين سرعة الاضطراب للموجات المستعرضة وسرعة جسيم من الوسط الناقل.
4- صمم تجربة تستخدم فيها الصونوميتر لإيجاد الكثافة النسبية (الثقل النوعي) لأوزان حديدية.


التجربة السابعة عشرة            استقطاب الضوء Polari Azqation

أهداف التجربة
 دراسة اسقطاب الضوء وتحقي قانون مالوس

الأساس النظري  للتجربة

تستخدم الطبيعة الموجية للضوء عادة لتفسير ظاهرتي التداخل والحيود (كما درست في كتاب الطالب)، لكن، تعد ظاهرة الاستقطاب دليلاً قوياً على الطبيعة المستعرضة للموجات الكهرمغناطيسية، ويبين الشك ل(49) المجالين الكهربائي والمغناطيسي المرافقين لموجة كهرمغناطيسية؛ فيكونان متعامدين وعموديين على اتجاه الموجات.

تتكون الحزمة الضوئية العادة من عدد كبير من الموجات الناتجة من الذرات أو الجزيئات في المصدر الضوئي، وكل ذرة تشع موجة ذات مجال كهربائي باتجاه معين، ويعرف اتجاه الاستقطاب للموجة الكهرومغناطيسية عادة باتجاه المجال الكهربائي، وبما أن الحزمة الضوئية تحتوي على عدد هائل من هذه الموجات، يقال إن الضوء في هذه الحزمة غير مستقطب باعتبار أن لكل موجة اتجاه مجال يختلف عن الموجات الأخرى.

ويمكن الحصول على ضوء مستقطب من ضوء عادي (غير مستقطب) تحذف الموجات كلها التي ليس لها مجال كهربائي باتجاه معين. وهناك مواد، مثل البولارويد، تسمح بالمرور فيها فقط للموجات ذات المجال الكهربائي في اتجاه معين، وتمتص الموجات الأخرى، وتسمى الصفيحة من هذه المادة " المستقطب polariser" .

وللحصول على ضوء مستقطب، يكفي أن تعترض صفيحة من البولارويد طريق الضوء؛ فينفذ منها الضوء، وله مجال كهربائي باتجاه معين فقط، ويعرف هذا الاتجاه بمحور النفاذ لتلك الصفيحة، ومن الجدير بالذكر أنه يصعب على العين معرفة فيما إذا كان الضوء مستقطباً أم لا. ولكن، الأستعانة بصفيحة ثانية من البولارويد يمكن الكشف عن طبيعة الضوء، أكان مستقطباً أم لا، فتوضع الصفيحة الثانية بحيث يمر منها الضوء بعد مروره من الصفيحة الأولى، فإذا كان محور النفاذ للثانية موازياً لمحور النفاذ للأولى، فإن الضوء المار من الأولى يمر كذلك من الثانية وعند إدارة الصفيحة الثانية، بحيث يصنع محورها زاوية مع محور الأولى، فإذا لاحظنا أن شدة الضوء المار لا تتأثر، كان الضوء غير مستقطب، لكن، إذا لاحظنا أن شدة الضوء تقل فإن الضوء النافذ يكون مستقطباً وقد درس العالم مالوس (malus) يذلك، وأثبت أن شدة الضوء النافذ من الصفيحة الثانية (ش) تتناسب مع مربع جيب تمام الزاوية المحصورة بين محوري النفاذ للصفيحتين؛ أي أن:
 ش = ش . جتا2  ................................(1)
حيث : ش. : شدة الضوء النافذ عند  = صفراً
وتسمى الصفيحة الثانية في هذه الحالة "المحلل analyser" لاحظ الشكل (50).

المواد والأدوات والأجهزة اللازمة
مصدر ضوئي (كمصباح اليد الكهربائي)؛ صفيحتا بولارويد؛ خلية كهروضوئية؛ ميكروأميتر (أو غلفانومتر حساس)؛ عدسة محدبة (ع = 10سم).
خطوات إجراء التجربة
1- رتب أدوات التجربة، كما هو مبين في الشكل (51).
2- حرك العدسة، بحيث تجعل الضوء يغطي سطح الخلية الكهروضوئية.

3- يفضل إجراء التجربة في حجرة مظلمة، وعندها، ضع المستقطب والمحلل بحيث يعطي الأميتر أكبر قراءة، وهذا يعني أن الزاوية بين محوري النفاذ للصفيحتين ( = صفراً).
4- غير زاوية المحلل (القريب من الخلية الكهروضوئية) بخطوات كل منها 10ْ مع تدوين قراءة الميكروأميتر ف يكل خطوة ورتب النتائج في الجدول (15).
5- عند الزاوية  = 90ْ ، ربما لا تكون القراءة للأميتر صفراً، وهذا ناتج من الضوء الذي يأتي من المحيط (حيث لا تكون الحجرة معتمة تماماً) وهذا يعني أن علينا أن نصحح قراءاتنا وأن نطرح هذه القراءة من قراءاتنا السابقة كلها عند الزوايا المختلفة.
ارسم علاقة بيانية بين قراءة الأميتر ومربع جيب تمام الزاوية كالمرافقة، لتحصل على علاقة خطية بين (ش) و (جتا2 ) تعرف هذه العلاقة بقانون مالوس.
         الأسئلة
                  
1- هل يمكن استقطاب كاأنواع الموجات ؟ علل؟
2- هل يمكنك التعرف على الضوء المستقطب بالعين المجردة ؟
3- يسقط ضوء غير مستقطب على صفيحتين مستقطبتين مرتبتين، بحيث لا ينفذ منهما ضوء، فإذا أدخلت بينهما صفيحة مستقطبة ثالثة،ـ فهل يمكن رؤية ضوء من خلال المجموعة؟ علل.