مقدمة عن الضوء الهندسي
مقدمة عن الضوء الهندسي، يُعد علم الضوء الهندسي من العلوم المهمة التي لها العديد من التطبيقات، سنتحدث في هذا المقال عن علم الضوء الهندسي، وخواص الضوء الهندسية، وتطبيقات على بعض من خواصه.
محتويات المقال
[ عرض ]
نبذة عن علم الضوء الهندسي
- يهتم هذا العلم بدراسة وتحليل انتشار الضوء خلال الأوساط الشفافة المتجانسة والغير متجانسة.
- ومن الممكن أن تكون تلك الأوساط ذات سطوح عاكسة سواء جزئيًا أو كليًا.
- وللضوء عدة خواص هندسية وفيزيائية وكمية وتموجيه، ومن خصائصه الهندسية انعكاس وانكسار الضوء، والسرعة المحدودة.
- والانتشار المستقيم، وفي هذا المقال سوف نتحدث عن الضوء الهندسي وخصائصه.
- ولدراسة هذا العلم أهمية كبيرة في تصميم الأجهزة البصرية، كالأنواع المختلفة من المجاهر والتلسكوبات والميكروسكوبيات والمقربات، والمنشور الثلاثي.
شاهد أيضًا: ما الفرق بين النور والضوء؟
سرعة انتشار الضوء
- ينتشر الضوء الذي هو عبارة عن موجات كهرومغناطيسية في الفراغ بسرعة تصل إلى 3*10 مرفوعة لأس ثمانية متر في الثانية الواحدة، ويُرمز لسرعته بالرمز c.
- وتختلف طاقة موجات الضوء وفقًا لاختلاف الطول الموجي لها، فكلما زاد الطول الموجي زاد طاقتها، وتعد الشمس هي أكبر مصدر للطاقة الضوئية.
- بينما تكون سرعة الضوء في الأوساط أقل من سرعته في الفراغ، وهي تعتمد على طول الموجة، ويرمز لها بالرمز v.
ظاهرة انعكاس الضوء
- يعرف الانعكاس بأنه ارتداد الشعاع الضوئي، عند ملامسته لسطح مصقول.
- وتحدث تلك الظاهرة لجزء من الضوء عند وصول الحزمة الضوئية المستوى الفاصل بين وسطين.
- لانعكاس الضوء قانونا يعبران عنه، فإذا كان هناك سطح مستوي وعاكس يرمز له بالرمز (S).
- ويقدم عليه شعاع ضوئي غير عمودي، بحيث تكون زاوية قدوم الشعاع.
- وبفرض أن الشعاع AM هو الشعاع القادم للسطح، والعمودي على السطح NM.
- وكلاهما يشكلان مستوى قدوم الشعاع، وبالتالي يكون الشعاع المنعكس MB في نفس المستوى.
- وينتج عن ذلك تساوي زاوية الانعكاس مع زاوية قدوم الشعاع، ويتم قياس الزاويتين بالنسبة العمودي على السطح NM، هذا باختصار مفهوم قانوني الانعكاس.
- ويتم تحديد شدة الشعاع الذي ينعكس Ir بواسطة معاملي انكسار كلا الوسطين، n1 وn2.
- فإذا كان شدة الشعاع I0، يكون الشعاع عمودي على العمودي على مستوى السطح، أي.
- فيتم المقارنة بين شدة الإشعاع في حالة وجود زاوية لقدوم الشعاع، وفي حالة كونه موازيًا للسطح، من خلال العلاقة التالية
- والتوضيح لهذا القانون بمثال، نفترض أن هناك ضوء ينعكس على عدسة من زجاج، فيمكن حساب نسبة الضوء، من خلال هذه العلاقة
- وذلك بمعرفة أن معامل انكسار الهواء n1=1، ومعامل انكسار الزجاج n2=1.5.
ما هي ظاهرة انكسار الضوء
- يُعرف انكسار الضوء بأنه تغير في مسار الشعاع الضوئي، وذلك عند مروره خلال وسطين مختلفي الكثافة.
- فعند نفاذ أشعة ضوئية من وسط شفاف إلى وسط آخر، فيحدث انكسار للأشعة، أي انحرفت عن مسارها، ويرتبط بانكسار وانعكاس الضوء قانونان يعرفا باسم سنيل، ديكارت.
- ويتطرق قانون سنيل إلى أنه إذا كان معامل انكسار السطحين هما n1 وn2، وكانت زاوية قدوم الشعاع، يتم حساب زاوية الانكسار، من خلال العلاقة التالية
- ويكون الشعاع المنكسر في نفس مستوى قدوم الشعاع، ومن القانون يُلاحظ أنه كلما زاد معامل الانكسار، قلت زاوية الانكسار، والعكس صحيح.
- وينتج من القانون أنه عندما ينفذ الشعاع الضوئي إلى وسط ذو معامل انكسار أكبر أي n2>n1، فإن الشعاع المنكسر يقترب من العمودي على السطح.
- وإذا نفذ الشعاع إلى وسط ذي معامل انكسار أقل أي n2<n1، فإن الشعاع المنكر يبتعد عن العمودي على السطح.
- وإذا كان الشعاع عموديًا على السطح بين الوسطين، يؤدي ذلك إلى نفاذ الشعاع دون أي انكسار.
- ويمكن توضيح هذا القانون بمثال، بفرض حزمة ضوئية تنفذ من الهواء غلى الماء، بزاوية قدوم.
- ويحدث انعكاس لجزء من تلك الحزمة، والجزء الباقي ينفذ.
- يمكن تحديد اتجاه الأشعة المنعكسة والأشعة المنكسرة، من خلال معرفة أن زاوية قدوم الشعاع زاوية انعكاسه متساويتان، أي.
- وبمعرفة معامل انكسار الهواء n1=1، ومعامل انكسار الماء n2=1.33، يمكن تطبيق قانون سنيل كما يأتي
- وينتج أن زاوية الانكسار هي.
ظاهرة الانعكاس الكلي
- يمكن توضيح هذه الظاهرة، إذا فرضنا وجد وسط من الزجاج، وتأتي إليها حزمة من الضوء.
- وتخرج الأشعة المنكسرة في الهواء، فإذا كانت زاوية قدوم الأشعة هي.
- فإن الجزء الأكبر من الضوء ينكسر إلى الهواء، أما الجزء الصغير منه ينعكس.
- وبالتالي يبتعد الشعاع المنكسر عن السطح العمودي أكثر من الشعاع القادم أي أن n2>n1.
- وعند زيادة زاوية قدوم الشعاع تزداد أيضًا زاوية الانعكاس أسرع من زيادة، فتزداد شدة الشعاع المنعكس، وتقل شدة الشعاع المنكسر.
- وإذا تساوت زاوية قدوم الشعاع مع الزاوية الحرجة، تكون زاوية الانكسار للشعاع الخارج للهواء.
- وعندما تكون زاوية قدوم الأشعة أكبر من الزاوية الحرجة فإن الضوء ينعكس بأكمله، وتُسمى تلك الظاهرة باسم ظاهرة الانعكاس الكلي.
شاهد أيضًا: هل الضوء مادة ولماذا؟
تطبيقات على الانعكاس والانكسار
المنشور القائم
- يعد من تطبيقات الانعكاس الكلي، وهو عبارة عن كتلة من الزجاج العادي، وله معدل انكسار n1=1.5K، وله شكل منشور قائم الزاوية ومتساوي الساقين.
- عند قدوم شعاع عمودي على وجه المنشور AC، ثم يصل إلى وجه المنشور AD.
- وتكون زاوية القدوم، أي أنها أكبر من الزاوية الحرجة، فيحدث انعكاس كلي للأشعة.
- كما يمكن استخدام المنشور كمرآه، وذلك باستخدام الوجه AD، فتنعكس كل الأشعة.
الألياف البصرية
- تُعد من التطبيقات الهامة لظاهرة الانعكاس الكلي، ويتم صناعتها من زجاج نقي جدًا من نوع خاص، وهي طويلة ورفيعة.
- ويتم نقل الضوء من مكان إلى آخر، حيث تحدث انعكاسات كلية متعاقبة داخل الليف، حتى يخرج من الطرف الآخر.
- وهناك أنواع متطورة منها تكون كمية الضوء المفقود عن طريق امتصاص الليف له قليلة جدًا.
- مما يزيد ذلك من كفاءتها، ويمكن نقل الضوء لمسافات تتخطى الكيلومترات بدون أن تتأثر شدتها.
- ويتم استخدام عدد كبير من الألياف البصرية مع بعضها البعض لتكوين كابل يُستخدم في الاتصالات.
- حيث يحمل الضوء المعلومات عبر الألياف، كما يتم استخدامها في مجال الطب.
المرايا المستوية والكروية
- هي عبارة عن أداة تعمل على عكس الضوء، بشكل يحافظ على صفاتها الأصلية، وذلك قبل ملامسة سطحها، وتختلف أنواع المرايا، وتختلف جودتها من حيث المحافظة على خواص الضوء.
- ومن أنواع المرايا المرآة المستوية: وهي عبارة عن سطح مستوى أملس ونعم.
- ويعكس معظم الأشعة الضوئية التي تقدم عليها، ومن الممكن أن تصل نسبة الضوء المنعكس حوالي 98% أو أكثر.
- أما المرآة المستوية: فهي عبارة عن سطح كروي عاكس، يتم تحديد بمركزه ونصف قطره، ولها نوعان، مرآة كروية محدبة، وتنعكس الأشعة القادمة نحو خارج التكور.
- أما النوع الثاني من المرايا الكروية: فهي المرآة المقعرة، وتنعكس فيها الأشعة الضوئية القادمة نحو داخل التكور.
العدسات المحدبة والمقعرة
- العدسة عبارة عن جسم مصنوع من الزجاج أو من مادة شفافة أخرى، تقوم بكسر الأشعة الضوئية القادمة لها بطرق عدة.
- وذلك وفقًا لنوع العدسة، ومن أنواعها العدسات المحدبة والعدسات المقعرة.
- تقوم العدسات المحدبة أو المقربة بتجميع الأشعة الضوئية القادمة نحوها.
- وتتكون من سطحين محدبين، لهما نفس نصف قطر التحدب، وهي سميكة في الوسط ويقل سمكها عند الاتجاه نحو الأطراف.
- بينما تقوم العدسات المقعرة أو المبعدة بتفريق الأشعة الضوئية القادمة نحوها.
- وهي تتكون من وجهين مقعرين، لهما نفس قطر التقعر، وتكون سميكة في الأطراف، ورقيقة في المنتصف.
شاهد أيضًا: موضوع عن انعكاس الضوء
وفي نهاية هذا المقال عن مقدمة عن الضوء الهندسي، نكون قد تحدثنا عن الضوء الهندسي، وخواصه الهندسية، وعن انعكاس الضوء وانكسار الضوء، وظاهرة الانعكاس الكلي، كما تحدثنا عن بعض من التطبيقات على خواصه.