مقدمة عن الضوء الهندسي، علم الضوء الهندسي هو إحدى العلوم الهامة التي تجد تطبيقات عديدة، سنتحدث هنا عن مفاهيم علم الضوء الهندسي وخصائصه، ونتناول بعض التطبيقات العملية لتلك الخصائص.
نبذة عن علم الضوء الهندسي
- يهتم هذا العلم بدراسة وتحليل انتشار الضوء في الوسطين الشفافين وغير الشفافين بشكل متجانس.
- ومن الممكن أن تكون هذه البيئات لها سطوح عاكسة جزئيا أو كليا.
- للضوء عدة خواص هندسية وفيزيائية وكمية وموجية، ومن بين خصائصه الهندسية انعكاس الضوء وانكساره، وكذلك سرعته المحدودة.
- وانتشار الضوء في خط مستقيم، وسنتحدث في هذه المقالة عن الضوء الهندسي وخصائصه.
- وتعد دراسة هذا المجال ذات أهمية كبيرة في تصميم الأجهزة البصرية، مثل مختلف أنواع المجاهر والتلسكوبات والميكروسكوبيات والمناظير، وكذلك الدائرات المطبوعة الثلاثية الأبعاد.
شاهد أيضًا: ما الفرق بين النور والضوء؟
سرعة انتشار الضوء
- تنتشر الضوء، الذي يتألف من موجات كهرومغناطيسية، في الفراغ بسرعة تصل إلى 3 × 10 مرفوعة لأس ثمانية متر في الثانية الواحدة، وترمز سرعته برمز c.
- تختلف طاقة أمواج الضوء حسب طول موجتها، حيث تزداد طاقتها كلما زاد طول الموجة، والشمس تعتبر أكبر مصدر للطاقة الضوئية.
- تكون سرعة الضوء في وسط ما أقل من سرعته في الفراغ، وتعتمد على طول الموجة، وترمز لها بالرمز v.
ظاهرة انعكاس الضوء
- يعرف الانعكاس بأنه انعكاس الشعاع الضوئي عند لمسه لسطح مصقول.
- تحدث هذه الظاهرة بسبب تفريغ جزء من الضوء عند وصول الحزمة الضوئية للمستوى الفاصل بين وسطين.
- لأن قانون انكسار الضوء يعبر عنه، فإذا كان هناك سطح مستو وعاكس يرمز إليه بالرمز (S).
- يتم تسليم شعاع ضوئي غير عمودي عليه، بحيث يكون زاوية دخول الشعاع.
- فرضا أن الشعاع AM هو الشعاع القادم إلى السطح، وهو عمودي على السطح NM.
- كلاهما يشيران إلى مستوى وصول الشعاع، وبالتالي يكون الشعاع المنعكس MB في نفس الاتجاه.
- وينتج عن ذلك تساوي زاوية انعكاس الشعاع مع زاوية وصوله، وتتم قياس الزاويتين بالعمود على سطح NM، وهذا هو مفهوم قانون الانعكاس بشكل مبسط.
- ويتم تحديد شدة الشعاع المنعكسة Ir بواسطة معاملي الانكسار في كلا الوسطين، n1 و n2.
- إذا كانت شدة الشعاع I0، فإن الشعاع سيكون عموديا على مستوى السطح، أي.
- يتم مقارنة قوة الإشعاع في حالة وجود زاوية وصول للشعاع وعندما يكون موازيا للسطح، باستخدام العلاقة التالية
- وحتى نوضح هذا القانون بمثال، لنفترض أن هناك ضوء ينعكس على عدسة زجاجية، يمكن 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
- يعرف انكسار الضوء بتغيير مسار الشعاع الضوئي عند مروره عبر وسطين ذوي كثافة مختلفة.
- عندما تنتقل الأشعة الضوئية من وسط شفاف إلى وسط آخر، تحدث ظاهرة الانكسار، أي تنحرف عن مسارها، وترتبط هذه الظاهرة بقانوني الانكسار والانعكاس للضوء واللذين يعرفان باسم سنيل وديكارت.
- يتناول قانون سنيل معامل انكسار السطحين كـ n1 وn2، وعند زاوية دخول الشعاع، يتم حساب زاوية الانكسار باستخدام العلاقة التالية
- ويتم أن يكون الشعاع المنكسر في نفس مستوى وصول الشعاع، ووفقا للقانون يلاحظ أن كلما زاد معامل الانكسار، قلت زاوية الانكسار، والعكس صحيح.
- ووفقا للقانون، عندما يمر الضوء من وسط ذو معامل انكسار أعلى من ذلك في الوسط الأول (أي n2 > n1)، يتحرك الشعاع المنكسر باتجاه العمود على السطح.
- في حالة توجه الشعاع نحو وسط ذي معامل انكسار أقل، أي n2 < n1، يبتعد الشعاع المنكر عن العمودية على السطح.
- إذا كان الشعاع عموديا على السطح بين الوسطين، فإنه يمر من خلاله دون أن ينكسر.
- يمكن أن يتم توضيح هذا القانون من خلال مثال، على سبيل المثال حزمة ضوئية تنتقل من الهواء إلى الماء بزاوية السقوط.
- ويحدث انعكاس جزئي لتلك الحزمة، ويتم توجيه الجزء المتبقي.
- يمكن تحديد اتجاه الأشعة المنعكسة والأشعة المنكسرة عن طريق معرفة أن زاوية وصول الشعاع وزاوية انعكاسه متساويتان.
- عند معرفة معامل انكسار الهواء n1=1 ومعامل انكسار الماء n2=1.33، يمكن تطبيق قانون سنيل كما يلي
- وينتج أن زاوية الانكسار هي.
ظاهرة الانعكاس الكلي
- يمكن توضيح هذه الظاهرة إذا افترضنا وجود وسط زجاجي يتلقى حزمة من الضوء.
- تنكسر الأشعة في الهواء، عندما يكون زاوية دخول الأشعة هي.
- يتم كسر الجزء الأكبر من الضوء عند اختراقه الهواء، بينما يتم انعكاس الجزء الأصغر منه.
- وبالتالي يكون انحراف الشعاع المنكسر عن السطح العمودي أكبر من انحراف الشعاع القادم، أي أن n2 > n1
- عندما يزيد زاوية وصول الشعاع، تزداد أيضا زاوية الانعكاس بشكل أسرع من الزيادة، مما يؤدي إلى زيادة شدة الشعاع المنعكس وانخفاض شدة الشعاع المنكسر.
- عندما تتساوى زاوية وصول الشعاع مع الزاوية الحرجة، يكون زاوية انكسار الشعاع خارج الهواء.
- عندما يكون زاوية وصول الأشعة أكبر من الزاوية الحرجة، يتم انعكاس الضوء بالكامل، ويطلق على هذه الظاهرة اسم انعكاس كلي.
شاهد أيضًا: هل الضوء مادة ولماذا؟
تطبيقات على الانعكاس والانكسار
المنشور القائم
- يعتبر تطبيقا للانعكاس الكلي، حيث يكون عبارة عن كتلة من الزجاج العادي، وله معامل انكسار n1=1.5K، وله شكل منشور بزاوية قائمة وأطراف متساوية.
- عندما يصل شعاع عمودي إلى وجه المنشور AC، ثم ينتقل إلى وجه المنشور AD.
- زاوية القدوم تكون أكبر من الزاوية الحرجة، مما يؤدي إلى حدوث انعكاس كلي للأشعة.
- يمكن أيضا استخدام المنشور كمرآة، عن طريق استخدام الوجه العكسي، حيث تنعكس جميع الأشعة.
الألياف البصرية
- تعتبر التطبيقات الطويلة والرفيعة من أهم التطبيقات لظاهرة الانعكاس الكلي، ويتم صنعها من نوع خاص من الزجاج النقي جدا.
- يتم نقل الضوء من مكان إلى آخر عن طريق الألياف البصرية، حيث يحدث انعكاس كلي متتابع داخل الألياف، حتى يخرج من الطرف الآخر.
- وتوجد أنواع متقدمة منها، حيث يكون الإضاءة المفقودة قليلة جدا بفعل امتصاص الليف.
- هذا يزيد من كفاءة الضوء، مما يمكنه من الانتقال على مسافات تتجاوز الكيلومترات دون تأثير على شدته.
- تستخدم الألياف البصرية بكثرة مع بعضها البعض لتكوين كابلات تستخدم في الاتصالات.
- حيث تنقل المعلومات والضوء عبر الألياف، ويستخدم في مجال الطب.
المرايا المستوية والكروية
- تعتبر المرآة أداة تعكس الضوء بحيث تحافظ على خصائصه الأصلية قبل أن تلامس سطحها، وهناك أنواع مختلفة من المرايا تختلف في جودتها فيما يتعلق بالحفاظ على خصائص الضوء.
- ومن أنواع المرايا المرآة المستوية: وهي عبارة عن سطح مستوى أملس ونعم.
- وتنعكس معظم الأشعة الضوئية التي تصله، ومن الممكن أن تصل نسبة الضوء المنعكس إلى حوالي 98% أو أكثر.
- بالنسبة للمرآة المستوية، فإنها سطح كروي عاكس، يتم تحديده بوجود مركز ونصف قطر، وهناك نوعان منها، المرآة الكروية المحدبة التي تعكس الأشعة نحو خارج التكور.
- أما بالنسبة للنوع الثاني من المرايا الكروية: فهو المرآة المقعرة، حيث تتعكس الأشعة الضوئية القادمة نحو داخل الكرة.
العدسات المحدبة والمقعرة
- العدسة هي جسم مصنوع من الزجاج أو مادة شفافة أخرى، وتقوم بتركيز الأشعة الضوئية المارة من خلالها بواسطة عدة طرق.
- وذلك حسب نوع العدسة، وتشمل العدسات المحدبة والعدسات المقعرة.
- تقوم العدسات المحدبة أو القريبة بتجميع الأشعة الضوئية الواصلة إليها.
- تتكون من سطحين منتفخين، لهما نفس نصف القطر المنتفخ، وتكون سماكتها أكبر في المنتصف وتنقص سماكتها تدريجيا في الأطراف.
- تقوم العدسات المقعرة أو المبعدة بتفريق الأشعة الضوئية الواقعة عليها.
- وتتألف من وجهين منحنيين، لهما نفس قطر الانحناء، وتكون سميكة في الأطراف ورقيقة في الوسط.
شاهد أيضًا: موضوع عن انعكاس الضوء
في نهاية هذا المقال حول مقدمة الضوء الهندسي، تحدثنا عن الضوء الهندسي وخصائصه الهندسية، وعن انعكاس الضوء وانكساره، وظاهرة الانعكاس الكلي، وأيضا تطرقنا إلى بعض التطبيقات العملية لهذه الخصائص.
