مقدمة في الضوء الهندسي، يعتبر علم الضوء الهندسي من أهم العلوم وله تطبيقات عديدة. في هذا المقال سنتحدث عن علم الضوء الهندسي، والخصائص الهندسية للضوء، وتطبيقات بعض خواصه.
عن العلم في ضوء الهندسة
- يهتم هذا العلم بدراسة وتحليل انتشار الضوء من خلال وسائط شفافة متجانسة وغير متجانسة.
- يمكن أن تكون هذه الوسائط أسطح عاكسة جزئيًا أو كليًا.
- يحتوي الضوء على عدد من الخصائص الهندسية والفيزيائية والكمية والموجة، وتشمل خصائصه الهندسية انعكاس وانكسار الضوء وسرعته المحدودة.
- والتشتت المستقيم، وفي هذا المقال سنتحدث عن الضوء الهندسي وخصائصه.
- دراسة هذا العلم لها أهمية كبيرة في تصميم الأجهزة البصرية، مثل أنواع مختلفة من المجاهر، والتلسكوبات، والمجاهر والتلسكوبات، والمنشور الثلاثي.
انظر أيضًا: ما الفرق بين الضوء والضوء؟
سرعة انتشار الضوء
- تنتشر الموجات الكهرومغناطيسية الخفيفة في الفراغ بسرعة تصل إلى 3 * 10 مرفوعة بقوة ثمانية أمتار في الثانية، ويُشار إلى سرعتها بالرمز ج.
- تختلف طاقة موجات الضوء باختلاف الطول الموجي، فكلما زاد الطول الموجي، زادت طاقته، والشمس هي أكبر مصدر للطاقة الضوئية.
- بينما تكون سرعة الضوء في الوسط أقل من سرعته في الفراغ، وتعتمد على الطول الموجي، ويرمز لها بالرمز v.
ظاهرة انعكاس الضوء
- يُعرَّف الانعكاس بأنه ارتداد شعاع الضوء عندما يصطدم بسطح أملس.
- تحدث هذه الظاهرة في مجال الضوء عندما يصل شعاع الضوء إلى المستوى الذي يفصل بين الوسائط.
- إنعكاس الضوء له قانون يعبر عنه، فإذا كان هناك سطح مستو وعاكس يرمز إليه بالرمز (S).
- يتم تقديم حزمة ضوء غير متعامدة إليها، بحيث تكون زاوية منشأ الحزمة.
- بافتراض أن شعاع AM هو الشعاع الذي يأتي إلى السطح، وعمودي على السطح، NM.
- كلاهما يشكلان مستوى الشعاع الوارد، لذا فإن الشعاع المنعكس MB يكون في نفس المستوى.
- نتيجة لذلك، تكون زاوية الانعكاس مساوية لزاوية سقوط الشعاع، ويتم قياس الزاويتين بالنسبة إلى العمودي على السطح NM، وباختصار، مفهوم قانون الانعكاس.
- يتم تحديد شدة الشعاع المنعكس Ir بواسطة مؤشرات الانكسار لكل من الوسائط n1 و n2.
- إذا كانت شدة الشعاع I0، فإن الشعاع يكون عموديًا على مستوى السطح، أي.
- المقارنة بين شدة الإشعاع في حالة زاوية سقوط الشعاع، وفي حال كانت موازية للسطح، من خلال العلاقة التالية
- بتفسير هذا القانون بمثال، نعتقد أن هناك ضوءًا منعكسًا في عدسة المرآة، وبالتالي يمكن حساب كمية الضوء من خلال هذه العلاقة.
- من المعروف أن معامل انكسار الهواء هو n1 = 1، وأن معامل انكسار الزجاج n2 = 1.5.
ما هي ظاهرة انكسار الضوء؟
- يُعرَّف انكسار الضوء بأنه تغيير في مسار شعاع الضوء عندما يمر عبر وسيطين لهما كثافة مختلفة.
- عندما تمر أشعة الضوء من وسط شفاف إلى وسط آخر، تنكسر الأشعة، مما يعني أنها تنحرف عن مسارها، ويرتبط انكسار الضوء وانعكاسه بقانونين يعرفان باسم سنيل، ديكارت.
- ينص قانون سنيل على أنه إذا كان معامل الانكسار لسطحين هو n1 و n2، وكانت زاوية منشأ الشعاع، يتم حساب زاوية الانكسار بالعلاقة التالية.
- يكون الشعاع المنكسر في نفس مستوى شعاع الأصل، ويلاحظ من القانون أنه كلما زاد معامل الانكسار، كانت زاوية الانكسار أصغر، والعكس صحيح.
- يتبع القانون أنه عندما يمر شعاع الضوء عبر وسيط مع معامل انكسار أعلى، أي n2> n1، يقترب الشعاع المنكسر عموديًا على السطح.
- إذا كان الشعاع يمر عبر وسط ذي معامل انكسار منخفض أي n2
- إذا كانت الحزمة متعامدة على السطح بين الوسطين، فإنها تؤدي إلى انتقال الحزمة دون أي انكسار.
- يمكن توضيح هذا القانون بمثال، بالنظر إلى شعاع الضوء الذي يمر من الهواء إلى الماء، بزاوية وصول.
- يتم عرض جزء من هذه الحزمة، ويتم تنفيذ الباقي.
- يمكن تحديد اتجاه الشعاع المنعكس والشعاع المنكسر من خلال معرفة أن زاوية وصول الشعاع وزاوية انعكاسه متساوية، أي.
- معرفة معامل الانكسار للهواء n1 = 1، ومعامل الانكسار للماء n2 = 1.33، يمكن تطبيق قانون سنيل على النحو التالي
- ويترتب على ذلك أن زاوية الانكسار هي.
ظاهرة الانعكاس الكلي
- يمكن توضيح هذه الظاهرة، إذا اعتقدنا أن هناك وسطًا من الزجاج، ويأتي إليه شعاع من الضوء.
- الأشعة المنكسرة تخرج من الهواء، لذلك عندما تأتي زاوية الأشعة.
- ينكسر جزء كبير من الضوء في الهواء، وينعكس جزء صغير منه.
- لذلك يكون الشعاع المنكسر أبعد عن السطح العمودي من الشعاع الساقط، أي n2> n1.
- إذا زادت زاوية سقوط الشعاع، تزداد زاوية الانعكاس أسرع من زيادتها، وبالتالي تزداد شدة الشعاع المنعكس، وتقل شدة الشعاع المنكسر.
- إذا كانت زاوية سقوط الشعاع مساوية للزاوية الحرجة، فإن زاوية انكسار الشعاع الخارج من الهواء تكون.
- إذا كانت زاوية وقوع الأشعة أكبر من الزاوية الحرجة، ينعكس الضوء تمامًا، وتسمى هذه الظاهرة ظاهرة الانعكاس الكلي.
شاهدي أيضاً: هل الضوء مادة ولماذا؟
تطبيقات الانعكاس والانكسار
المنشور الحالي
- تطبيق للانعكاسية الكلية، وهو عبارة عن كتلة من الزجاج العادي، ولها معامل انكسار n1 = 1.5K، ولها شكل موشور قائم الزاوية ومتساوي الساقين.
- عندما يكون الشعاع عموديًا على وجه المنشور AC ثم يصل إلى وجه المنشور AD.
- زاوية الوصول أكبر من الزاوية الحرجة، لذلك يحدث الانعكاس الكلي للأشعة.
- يمكن أيضًا استخدام المنشور كمرآة، باستخدام سطح AD، تنعكس جميع الأشعة.
الألياف البصرية
- تطبيق مهم لظاهرة الانعكاس العام، فهو مصنوع من نوع خاص من الزجاج شديد الوضوح، وهو طويل ورفيع.
- ينتقل الضوء من مكان إلى آخر، حيث تحدث سلسلة من الانعكاسات الكلية داخل الألياف، حتى يخرج من الطرف الآخر.
- هناك أنواع متقدمة منه، وكمية الضوء التي يفقدها امتصاص الألياف صغيرة جدًا.
- هذا يزيد من كفاءته، ويمكن أن ينتقل الضوء عبر مسافات تزيد عن كيلومترات دون التأثير على شدته.
- يتم استخدام عدد كبير من الألياف الضوئية معًا لتشكيل كبل يستخدم للاتصال.
- عندما ينقل الضوء المعلومات من خلال الألياف، فإنه يستخدم أيضًا في الطب.
مرايا مسطحة وكروية
- هو جهاز يعكس الضوء بشكل يحافظ على صفاته الأصلية قبل أن يلمس سطحه. تختلف أنواع المرايا، وتختلف جودتها من حيث الحفاظ على خصائص الضوء.
- أحد أنواع المرايا هو مرآة مستوية: سطح مستوٍ أملس.
- يعكس معظم أشعة الضوء المتاحة له، ويمكن أن تصل نسبة الضوء المنعكس إلى حوالي 98٪ أو أكثر.
- حول المرآة المستوية: هو سطح عاكس كروي، يتحدد بمركزه ونصف قطره، وله نوعان، مرآة كروية محدبة، والأشعة الواردة تنعكس خارج الكرة.
- أما النوع الثاني من المرايا الكروية: فهي مرايا مقعرة، حيث تنعكس أشعة الضوء الواردة إلى داخل الكرة.
العدسات المحدبة والمقعرة
- العدسة هي جسم مصنوع من الزجاج أو أي مادة شفافة أخرى تكسر أشعة الضوء التي تصل إليها بعدة طرق.
- يعتمد ذلك على نوع العدسة، بما في ذلك العدسة المحدبة والعدسة المقعرة.
- تجمع العدسات المحدبة أو المقربة أشعة الضوء باتجاهها.
- يتكون من سطحين محدبين، لهما نفس نصف قطر التحدب، ويكون سميكًا في المنتصف وأرق في الاتجاه نحو الأطراف.
- في حين أن العدسات المقعرة أو المنتشرة تبعثر أشعة الضوء الموجهة نحوها.
- وتتكون من سطحين مقعرين، لهما نفس القطر المقعر، وسميكان عند الأطراف، ورفيعان في المنتصف.
راجع أيضًا: موضوع انعكاس الضوء
في نهاية هذا المقال عن مقدمة للضوء الهندسي، سنتحدث عن الضوء الهندسي، وخصائصه الهندسية، وانعكاس الضوء وانكساره، وظاهرة الانعكاس الكلي، وكذلك بعض تطبيقات خصائصه.