درسنامه آموزشی علوم تجربی کلاس هشتم

معماران ایران زمین در بناهایی که می‌ساختند، بسیار هنرمندانه از نور و ویژگی‌های آن استفاده می‌کردند.
دریاچه‌های آبی رنگ، جنگل‌های سبز، ابرهای سفید، غروب سرخ رنگ خورشید برای هر شخصی که آنها را می‌بیند، لذت بخش است؛ ولی با مطالعهٔ بخشی از علوم به نام نورشناسی، که رفتار نور را بررسی می‌کند، می‌توان به شناخت بهتری از دنیای قابل مشاهده دست یافت.

چشمه‌های نور

هر جسمی که از خود نور تولید می‌کند، جسم منیر یا چشمهٔ نور (منبع نور) نامیده می‌شود. خورشید، لامپ روشن و هر جسم شعله‌ور، مانند شمع روشن، نمونه‌هایی از چشمهٔ نورند؛ اما جسم‌هایی مانند مداد، کتاب و بیشتر چیزهایی که در اطرافمان می‌بینیم از خود نور مرئی تولید و منتشر نمی‌کنند و به همین دلیل جسم غیرمنیر نامیده می‌شوند.
جسم‌های غیرمنیر، نوری را که از چشمه‌های نور به آنها تابیده می‌شود به طرف چشم ما بازمی‌تابانند و ما آنها را می‌بینیم.

خورشید و لامپ روشنی که زیر نور آنها مطالعه می‌کنیم، نمونه‌هایی از چشمهٔ گستردهٔ نورند؛ همچنین ستارگانی که در آسمان شب می‌درخشند یا لامپ روشنی که در فاصلهٔ نسبتاً دوری از ما قرار دارد، از جمله چشمه‌های نقطه‌ای نورند.

نور چگونه منتشر می‌شود؟

وقتی نور از شکاف میان یک یا چند جسم کدر عبور می‌کند، مسیر نور روی زمین، باریکهٔ نوری تشکیل می‌دهد (شکل زیر). هرچه عرض شکاف کمتر باشد، باریکهٔ نوری که تشکیل می‌شود، نازک‌تر خواهد بود.

نازک‌ترین باریکهٔ نوری را که بتوان تصور کرد، پرتو نور نامیده می‌شود. هر باریکهٔ نور در عمل از تعداد بی‌شماری پرتو نور موازی تشکیل شده است (شکل 3 - الف). هرچند هرگز نمی‌توان پرتوهای نور را به‌طور جداگانه ایجاد کرد. در مبحث نورشناسی، الگوی پرتو نور برای نمایش مسیر نور روی کاغذ بسیار مفید است.
به‌طور کلی یک باریکهٔ نور می‌تواند شامل مجموعه‌ای از پرتوهای موازی، واگرا و همگرا باشد. (شکل 3 - ب، پ و ت)

تجربه‌های روزانهٔ ما نشان می‌دهد که نور در خط راست منتشر می‌شود؛ برای مثال پرتوهای نور خورشید وقتی از لابه‌لای شاخ و برگ درختان به زمین می‌رسند، نشانگر این است که نور در خط راست منتشر می‌شود.

سایه چگونه تشکیل می‌شود؟

برخی اجسام مانند شیشه و آب، نور را از خود عبور می‌دهند و بسیاری دیگر مانند چوب، سنگ و مقوا جلوی عبور نور را می‌گیرند. به جسم‌هایی که نور از آنها عبور می‌کند، جسم شفاف و به جسم‌هایی که مانع عبور نور می‌شوند، جسم کدر می‌گویند؛ همچنین به جسم‌هایی مانند کاغذ پوستی، که تنها بخشی از نور تابیده شده را عبور می‌دهند و از پشت آنها اجسام به وضوح دیده نمی‌شوند، جسم نیمه شفاف گفته می‌شود.
هرگاه جسم کدری مقابل یک چشمهٔ نور قرار گیرد در پشت جسم، فضای تاریکی ایجاد می‌شود که به آن سایه می‌گویند.
وضوح سایه در مرز آن به ابعاد چشمهٔ نور بستگی دارد. اگر چشمهٔ نور نقطه‌ای باشد یا مطابق شکل 5 - الف یک صفحهٔ کدر با روزنهٔ کوچک را بین جسم و چشمهٔ نور قرار دهیم، سایه‌ای با مرزهای واضح روی پرده تشکیل می‌شود. در غیر این صورت، علاوه بر آن نیم سایه‌ای نیز روی پرده تشکیل می‌شود.

یکی از تماشایی‌ترین سایه‌ها را روی زمین وقتی می‌بینیم که ماه از فضای بین زمین و خورشید عبور کند و هرسه در یک راستا قرار گیرند؛ این حالت، خورشید گرفتگی (کسوف) نامیده می‌شود. (شکل زیر) هر چند با مقیاس مناسبی رسم نشده است، پدیدهٔ زیبای خورشیدگرفتگی را نشان می‌دهد.

ماه گرفتگی یا خسوف پدیدهٔ طبیعی دیگری است که وقتی زمین بین ماه و خورشید قرار می‌گیرد و با آنها در یک جهت باشد، رخ می‌دهد (شکل زیر). هنگام ماه گرفتگی نور خورشید به ماه نمی‌رسد و سایهٔ زمین روی ماه می‌افتد.

بازتاب نور

تا اینجا آموختید که چشمه‌های نور مانند خورشید، لامپ روشن و شعلهٔ شمع به این دلیل دیده می‌شوند که نور ایجاد شده توسط آنها به‌طور مستقیم به چشم ما می‌رسد؛ همچنین اجسام غیرمنیر هنگامی دیده می‌شوند که نور یک چشمهٔ نور مانند لامپ روشن از سطح آنها برگردد و به چشم ما برسد (شکل زیر). برگشت نور از سطح اجسام را بازتاب نور می‌نامند.

اگر سطح یک جسم، مانند آینهٔ تخت، کاملاً صاف و هموار باشد، همهٔ پرتوهای موازی را که به آن می‌تابند به‌صورت پرتوهای موازی باز می‌تاباند. (شکل زیر) این بازتاب را بازتاب منظم می‌نامند.

سطح بسیاری از اجسامی که در اطراف ما وجود دارند، ناصاف است. حتی اگر با میکروسکوپ، سطح یک ورقهٔ کاغذ یا مقوا را مشاهده کنیم برخلاف تصور ما، بسیار ناهموار است (شکل - الف)؛ بنابراین وقتی یک دسته پرتو موازی نور به سطح صفحه می‌تابد در جهت‌های مختلف و به‌طور نامنظم بازمی‌تابند (شکل - ب) این بازتاب را بازتاب نامنظم می‌نامند.

قانون بازتاب نور

شکل زیر بازتاب یک پرتو نور را از سطح یک آینهٔ تخت نشان می‌دهد. خط عمود بر آینه در نقطهٔ تابش با خط چین نشان داده شده است. زاویهٔ بین پرتو تابش و خط عمود را زاویهٔ تابش و زاویهٔ بین پرتو بازتاب و خط عمود را زاویهٔ بازتاب می‌نامند.
برای تمامی سطوحی که نور را بازمی‌تابانند از جمله آینهٔ تخت، قانونی به نام قانون بازتاب نور وجود دارد. برای آشنایی با این قانون ابتدا آزمایش زیر را انجام دهید.

آزمایش کنید (صفحهٔ 129 کتاب درسی)

 

هدف آزمایش: بررسی قانون بازتاب نور
مواد و وسایل: آینهٔ تخت کوچک، باریکه‌ساز (مانند چراغ قوه یا لیزر مدادی)، مقوا و نقّاله
روش اجرا
1- تصویری از نقاله‌ای که در اختیار دارید، روی یک مقوا به دقت رسم کنید.
2- آینه را عمود بر مقوا و مماس بر سطح صاف نقاله قرار دهید.
3- باریکهٔ نور با زاویهٔ تابش دلخواهی به آینه بتابانید به‌طوری که پرتو بازتاب بر سطح مقوا دیده شود (شکل الف). در این وضعیت زاویه‌های تابش (زاویهٔ A) و بازتاب (زاویهٔ B) را باهم مقایسه کنید. آیا این دو زاویه با هم برابرند؟ باریکه نور را با زاویه‌ٔ 15 درجه می‌تابانیم، مشاهده می‌شود پرتو بازتاب با همان زاویه باز می‌گردد.
4- آزمایش را به ازای چند زاویهٔ تابش دیگر (مثلاً 10، 20، 30، 45 و60 درجه) تکرار کنید و نتیجه را در گروه خود به بحث بگذارید.
 

	زاویه‌ی تابش (A)	زاویه بازتاب (B)
1	10	10
2	20	20
3	30	30
4	45	45

نتیجه گیری: بر طبق قانون بازتاب نور، زاویه تابش و زاویه بازتاب در همه‌ٔ سطوح با هم برابرند.

با انجام دادن آزمایش بالا به این نتیجه می‌رسیم که زاویه‌های تابش و بازتاب باهم برابرند. این نتیجه به قانون بازتاب نور موسوم است.

تصویر در آینهٔ تخت

آیا تاکنون به این موضوع فکر کرده‌اید که تصویر یک جسم در آینهٔ تخت، که سطحی صاف و صیقلی دارد، چگونه تشکیل می‌شود؟
وقتی جسمی مقابل یک آینهٔ تخت قرار می‌گیرد، پرتوهای نور از هر نقطهٔ آن به آینه می‌تابند. این پرتوها پس از بازتاب از آینه به چشم ما می‌رسند و سبب دیده شدن جسم در آینه می‌شوند (شکل زیر). تصویری که در آینهٔ تخت تشکیل می‌شود، شبیه جسم است و به‌نظر می‌رسد، پشت آینه قرار دارد. از آنجا که می‌دانیم پشت آینه چیزی نیست، می‌گوییم تصویر تشکیل شده در آینهٔ تخت، تصویر مجازی است.

آینه‌های کروی

همان‌طور که دیدیم، آینهٔ تخت، تصویری تشکیل می‌دهد که درست به همان اندازهٔ جسم است (شکل - الف). ولی در موارد زیادی لازم است تصویر نسبت به جسم، بزرگ‌تر یا کوچک‌تر باشد. (شکل ب و پ)

آینه‌هایی که مطابق (شکل بالا - ب و پ) تصویری بزرگ‌تر یا کوچک‌تر از جسم تشکیل می‌دهند، آینهٔ کروی نامیده می‌شوند. سطح این آینه‌ها، قسمتی از سطح یک‌کره است (شکل زیر). اگر سطح بیرونی یک پوستهٔ کروی را با لایهٔ نازکی از جیوه بپوشانیم، سطح درونی آن صیقلی و بازتاب دهندهٔ نور خواهد بود.

در این صورت به آن، آینهٔ مقعر یا کاو می‌گویند (شکل -الف)؛ همچنین اگر سطح درونی پوستهٔ کروی را با لایهٔ نازکی از جیوه بپوشانیم به آن، آینهٔ محدب یا کوژ گفته می‌شود (شکل -ب). در آینه‌های کوژ سطح بیرونی یا برآمده، صیقلی و بازتاب دهندهٔ نور است.

آینه‌های کاو

اگر بخواهیم نتیجهٔ آزمایش بالا را به کمک پرتوهای نور نشان دهیم، می‌توان گفت هرگاه جسمی در فاصلهٔ دوری از یک آینه قرار داشته باشد، پرتوهایی که از آن جسم به سطح آینه می‌تابند با یکدیگر موازی‌اند. این پرتوها پس از بازتاب از آینهٔ کاو، همگرا می‌شوند و یکدیگر را در نقطه‌ای به نام کانون آینه قطع می‌کند (شکل زیر).

آینه‌های کاو کاربردهای فراوانی دارند؛ برای مثال دندانپزشکان برای دیدن لکه‌های دندان از آینهٔ کاو استفاده می‌کنند. برای این کار، آینه را طوری پشت دندان‌ها قرار می‌دهند که دندان موردنظر در فاصلهٔ بین آینه و کانون آینه قرار گیرد. در این حالت تصویری مجازی و بزرگ‌تر از دندان در آینه تشکیل می‌شود. برای بررسی ویژگی‌های تصویر در آینهٔ کاو، وقتی جسم خارج از کانون آینه قرار دارد، آزمایشی را که در ادامه آمده است، انجام دهید.

آینه‌های کوژ

وقتی پرتوهای موازی نور به سطح یک آینهٔ کوژ بتابند، پس از بازتاب از آینه از یکدیگر دور یا واگرا می‌شوند. امتداد این پرتوها در پشت آینه یکدیگر را قطع می‌کنند (شکل زیر). به این نقطه کانون مجازی آینهٔ کوژ گفته می‌شود. فاصلهٔ کانون تا آینه، فاصلهٔ کانونی نامیده می‌شود.