مقدمة في الضوء الهندسي، يعتبر علم الضوء الهندسي من العلوم المهمة وله تطبيقات عديدة، وسنتحدث في هذا المقال عن علم الضوء الهندسي، والخصائص الهندسية للضوء، وتطبيقات بعض خواصه.
جدول المحتويات
حول علم تقنية الضوء
- يتعامل هذا العلم مع دراسة وتحليل انتشار الضوء من خلال وسائط شفافة متجانسة وغير متجانسة.
- يمكن أن تكون هذه الوسائط أسطح عاكسة جزئيًا أو كليًا.
- للضوء العديد من الخصائص الهندسية والفيزيائية والكمية والموجة، وتشمل خواصه الهندسية انعكاس وانكسار الضوء والسرعة المحدودة.
- ومجرد الانتشار، وفي هذا المقال سنتحدث عن الضوء الهندسي وخصائصه.
- تعتبر دراسة هذا العلم ذات أهمية كبيرة في بناء الأجهزة البصرية مثل ب- أنواع مختلفة من المجاهر والتلسكوبات والمجاهر والتلسكوبات والمنشور الثلاثي.
انظر أيضًا: ما الفرق بين الضوء والضوء؟
سرعة انتشار الضوء
- ينتقل الضوء، الذي يتكون من موجات كهرومغناطيسية، في فراغ بسرعة تصل إلى 3 * 10 بقوة ثمانية أمتار في الثانية، ويُشار إلى سرعته بالرمز ج.
- تختلف طاقة موجات الضوء باختلاف الطول الموجي، فكلما زاد طول الموجة، زادت طاقتها، والشمس هي أكبر مصدر للطاقة الضوئية.
- في حين أن سرعة الضوء في الوسائط أبطأ من السرعة في الفراغ، فإنها تعتمد على الطول الموجي ويرمز لها بالرمز v.
ظاهرة انعكاس الضوء
- الانعكاس هو ارتداد شعاع الضوء عندما يصطدم بسطح أملس.
- تحدث هذه الظاهرة لجزء من الضوء عندما يصل شعاع الضوء إلى المستوى الذي يفصل بين وسيطين.
- انعكاس الضوء له قانون للتعبير عنه: إذا كان هناك سطح مستو وعاكس، يُشار إليه بالرمز (S).
- يتم تقديم شعاع ضوء غير عمودي له مثل زاوية منشأ الشعاع.
- بافتراض أن شعاع AM هو الشعاع القادم إلى السطح والعمودي على السطح، NM.
- كلاهما يشكلان مستوى الشعاع الوارد، لذا فإن الشعاع المنعكس MB يقع في نفس المستوى.
- وبالتالي، فإن زاوية الانعكاس تساوي زاوية سقوط الشعاع، ويتم قياس الزاويتين فيما يتعلق بالمتوسط الطبيعي للسطح NM، باختصار 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 المستوى العمودي على مستوى السطح، أي.
- تتم المقارنة بين شدة الإشعاع بزاوية سقوط الشعاع وفي الحالة التي تكون فيها موازية للسطح بالعلاقة التالية
- لتوضيح هذا القانون بمثال، نفترض أن الضوء ينعكس بواسطة عدسة زجاجية، بحيث يمكن حساب نسبة الضوء باستخدام هذه العلاقة
- مع العلم أن معامل انكسار الهواء هو n1 = 1 وأن معامل انكسار الزجاج n2 = 1.5.
ما هي ظاهرة انكسار الضوء؟
- يُعرَّف الانكسار بأنه تغيير في مسار شعاع الضوء أثناء مروره عبر وسيطين من كثافات مختلفة.
- عندما تنتقل أشعة الضوء من وسيط شفاف إلى وسط آخر، تنكسر الأشعة، مما يعني أنها تنحرف عن مسارها، وينطوي انكسار الضوء وانعكاسه على قانونين يعرفان باسم سنيل، ديكارت.
- ينص قانون سنيل على أنه إذا كان مؤشر انكسار السطحين هو n1 و n2 وكانت زاوية منشأ الشعاع هي نفسها، فإن زاوية الانكسار تُحسب بالعلاقة التالية
- يكون الشعاع المنكسر في نفس مستوى الشعاع الأصلي، وينص القانون على أنه كلما ارتفع مؤشر الانكسار، قلت زاوية الانكسار والعكس صحيح.
- ويترتب على القانون أنه عندما يدخل شعاع الضوء إلى وسط ذي معامل انكسار أعلى، أي n2> n1، يقترب الشعاع المنكسر من العمودي على السطح.
- عندما يدخل الشعاع إلى وسط ذي معامل انكسار منخفض، أي n2
- إذا كانت الحزمة متعامدة على السطح بين الوسيطتين، فإن هذا يؤدي إلى انتقال الحزمة بدون انكسار.
- يمكن توضيح هذا القانون بمثال، بافتراض أن شعاع الضوء يمر من الهواء إلى الماء بزاوية سقوط.
- ينعكس جزء من هذه الحزمة ويتم تنفيذ الباقي.
- يمكن تحديد اتجاه الأشعة المنعكسة والأشعة المنكسرة مع العلم أن زاوية سقوط 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.
ظاهرة الانعكاس الكلي
- يمكن توضيح هذه الظاهرة إذا افترضنا أن هناك وسطًا مصنوعًا من الزجاج ويضربه شعاع من الضوء.
- الأشعة المنكسرة تخرج في الهواء، لذا متى تكون زاوية الأشعة القادمة.
- ينكسر الجزء الأكبر من الضوء في الهواء، وينعكس الجزء الأصغر منه.
- وبالتالي يكون الشعاع المنكسر أبعد عن السطح الطبيعي من الشعاع الساقط، أي n2> n1.
- مع زيادة 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 متساوية.
- إذا كانت زاوية سقوط الأشعة أكبر من الزاوية الحرجة، سينعكس الضوء تمامًا، وتسمى هذه الظاهرة ظاهرة الانعكاس الداخلي الكلي.
شاهدي أيضاً: هل الضوء مادة ولماذا؟
تطبيقات على الانعكاس والانكسار
المنشور الحالي
- تطبيق للانعكاس الداخلي الكلي، وهو عبارة عن كتلة من الزجاج العادي، ولها معامل انكسار n1 = 1.5K ولها شكل موشور بزاوية قائمة ومتساوية الساقين.
- عندما يسير شعاع عموديًا على وجه المنشور AC ثم يصل إلى وجه المنشور AD.
- زاوية السقوط أكبر من الزاوية الحرجة، لذلك هناك انعكاس كامل للأشعة.
- يمكن أيضًا استخدام المنشور كمرآة، تنعكس جميع الأشعة على سطح AD.
الألياف الزجاجية
- إنه تطبيق مهم لظاهرة الانعكاس الداخلي الكلي، فهو مصنوع من نوع خاص من الزجاج شديد الوضوح وهو طويل ورفيع.
- ينتقل الضوء من مكان إلى آخر حيث تحدث الانعكاسات الداخلية الكلية المتتالية داخل الألياف حتى يخرج من الطرف الآخر.
- هناك أنواع متقدمة منها، كمية الضوء المفقودة بسبب امتصاص الألياف قليلة 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 في الاتصالات.
- عندما ينقل الضوء المعلومات عبر الألياف، فإنه يستخدم أيضًا في الطب.
مرايا مسطحة وكروية
- هي أداة تعكس الضوء بطريقة تحافظ على خصائصه الأصلية قبل أن تلامس سطحه، تختلف أنواع المرآة وتتنوع جودتها من حيث الحفاظ على خصائص الضوء.
- نوع واحد من المرآة هو مرآة مسطحة: سطح مستوٍ أملس.
- يعكس معظم أشعة الضوء التي تصطدم به، ويمكن أن تصل نسبة الضوء المنعكس إلى حوالي 98٪ أو أكثر.
- أما المرآة المستوية فهي سطح عاكس كروي يحدده مركزها ونصف قطرها، وهناك نوعان، مرآة كروية محدبة، والأشعة الساقطة تنعكس على السطح الخارجي للكرة.
- أما النوع الثاني من المرايا الكروية فهي مرايا مقعرة تعكس أشعة الضوء الساقط نحو داخل الكرة.
العدسات المحدبة والمقعرة
- العدسة عبارة عن جسم مصنوع من الزجاج أو بعض المواد الشفافة الأخرى التي تكسر أشعة الضوء التي تصطدم بها بطرق مختلفة.
- هذا يعتمد على نوع العدسة، بما في ذلك العدسات المحدبة والعدسات المقعرة.
- تجمع العدسات المحدبة أو المقربة أشعة الضوء القادمة نحوها.
- يتكون من سطحين محدبين لهما نفس نصف قطر التحدب ويكون سميكًا في الوسط وأرق نحو الأطراف.
- بينما العدسات المقعرة أو المنتشرة تنشر أشعة الضوء القادمة نحوها.
- وتتكون من سطحين مقعرين لهما نفس القطر المقعر، وسميكان عند الأطراف وأرق في المنتصف.
راجع أيضًا: موضوع انعكاس الضوء
في نهاية هذا المقال حول مقدمة للضوء الهندسي تحدثنا عن الضوء الهندسي وخواصه الهندسية وانعكاس الضوء وانكساره وظاهرة الانعكاس الداخلي الكلي وبعض تطبيقات خواصه.