مقدمة في الضوء الهندسي، يعتبر علم الضوء الهندسي من العلوم المهمة التي لها تطبيقات عديدة، وسنتحدث في هذا المقال عن علم الضوء الهندسي، والخصائص الهندسية للضوء، وتطبيق بعض خواصه.
حول علم هندسة 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 خصائصه الهندسية انعكاس وانكسار الضوء والسرعة المحدودة.
- والانتشار المباشر، وفي هذا المقال سنتحدث عن الضوء الهندسي وخصائصه.
- تعتبر دراسة هذا العلم ذات أهمية كبيرة في تصميم الأجهزة البصرية، مثل أنواع مختلفة من المجاهر، والتلسكوبات، والمجاهر والتلسكوبات، والمنشور الثلاثي.
أنظر أيضا: ما هو الفرق بين الضوء والضوء؟
سرعة انتشار الضوء
- ينتقل الضوء، وهو عبارة عن موجة كهرومغناطيسية، في فراغ بسرعة تصل إلى 3 * 10، مرفوعًا إلى قوة ثمانية أمتار في الثانية، ويُشار إلى سرعته بالرمز ج.
- تختلف طاقة موجات الضوء باختلاف طول الموجة، فكلما زاد طول الموجة، زادت طاقتها، والشمس هي أكبر مصدر للطاقة الضوئية.
- في غضون ذلك، تكون سرعة الضوء في الوسط أقل من سرعته في الفراغ، وهذا يعتمد على الطول الموجي ويُرمز إليه بالرمز v.
ظاهرة انعكاس الضوء
- يُعرَّف الانعكاس بأنه ارتداد شعاع ضوئي عندما يتلامس مع سطح مستو.
- تحدث هذه الظاهرة لجزء من الضوء عندما يصل شعاع الضوء إلى المستوى الفاصل بين الوسيطتين.
- يوجد قانون للتعبير عن انعكاس الضوء، إذا كان هناك سطح أملس وعاكس، يتم تمييزه بالرمز (S).
- يتم تقديم شعاع ضوء غير عمودي له، بحيث تكون زاوية منشأ الشعاع:
- دع AM يكون حادث الشعاع على السطح و NM عموديًا على السطح.
- كلاهما يشكلان مستوى الحزمة الساقطة، وبالتالي فإن الحزمة المنعكسة MB تكون في نفس المستوى.
- ونتيجة لذلك، فإن زاوية الانعكاس تساوي زاوية سقوط الشعاع، ويتم قياس الزاويتين بشكل عمودي على السطح NM، باختصار، فيما يتعلق بمفهوم قانون الانعكاس.
- يتم تحديد شدة حزمة الأشعة تحت الحمراء المنعكسة بواسطة مؤشرات الانكسار لوسائط اثنين، n1 و n2.
- إذا كانت شدة الحزمة I0، فإن الحزمة تكون متعامدة مع مستوى السطح، أي
- مقارنة شدة الإشعاع بزاوية سقوط الحزمة وعندما تكون موازية للسطح عن طريق العلاقات التالية:
- لتوضيح هذا القانون بمثال، نفترض أن هناك ضوءًا ينعكس على عدسة زجاجية، لذلك 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 انكسار الضوء بأنه التغيير في مسار شعاع الضوء عندما يمر عبر وسيطين من كثافات 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، وزاوية منشأ الشعاع، فإن زاوية الانكسار تُحسب باستخدام العلاقة التالية:
- يكون الشعاع المنكسر في نفس مستوى الشعاع الأصلي، وينص القانون على أنه كلما زاد معامل الانكسار، قلت زاوية الانكسار والعكس صحيح.
- ويترتب على القانون أنه عندما يمر شعاع الضوء عبر وسط ذي معامل انكسار أعلى، أي n2> n1، فإن الشعاع المنكسر يقترب من العمودي على السطح.
- إذا كان الشعاع يمر عبر وسط به معامل انكسار أقل، أي n2
- إذا كانت الحزمة متعامدة على السطح بين الموجتين الحاملة، ينتج عن ذلك إرسال الحزمة دون أي انكسار.
- يمكن توضيح هذا القانون بمثال، بافتراض مرور شعاع من الضوء من الهواء إلى الماء بزاوية وصول.
- يتم عكس جزء من هذه الحزمة ويتم تنفيذ الباقي.
- يمكن تحديد اتجاه الأشعة المنعكسة والأشعة المنكسرة 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.
ظاهرة الانعكاس الكلي
- يمكن تفسير هذه الظاهرة إذا افترضنا أن هناك وسطًا زجاجيًا ويأتي إليه شعاع من الضوء.
- تظهر الأشعة المنكسرة في الهواء، لذلك إذا كانت زاوية الأشعة الساقطة كذلك
- ينكسر معظم الضوء في الهواء، وينعكس جزء صغير منه.
- لذلك، يكون الشعاع المنكسر بعيدًا عن السطح العمودي عن الشعاع الساقط، أي n2> n1.
- مع زيادة زاوية سقوط الشعاع، تزداد زاوية الانعكاس أسرع مما هو عليه، وبالتالي تزداد شدة الشعاع المنعكس وتقل شدة الشعاع المنكسر.
- إذا كانت زاوية سقوط الشعاع مساوية للزاوية الحرجة، فإن زاوية انكسار الشعاع الخارج من الهواء تساوي:
- عندما تكون زاوية سقوط الأشعة أكبر من الزاوية الحرجة، ينعكس الضوء تمامًا، وتسمى هذه الظاهرة ظاهرة الانعكاس الكلي.
أنظر أيضا: الضوء مهم ولماذا.
تطبيقات على الانعكاس والانكسار
المنشور الحالي
- تطبيق الانعكاس العام، عبارة عن كتلة زجاجية عادية، لها معامل انكسار n1 = 1.5K، ولها شكل موشور مستطيل ومتساوي الأضلاع.
- 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 الوجه AD، تنعكس جميع الأشعة.
الألياف البصرية
- من التطبيقات المهمة للانعكاس الكلي أنه مصنوع من نوع خاص من الزجاج شديد الشفافية وطويل ونحيف.
- ينتقل الضوء من مكان إلى آخر حيث تحدث الانعكاسات 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 الاتصال.
- عندما ينقل الضوء المعلومات عبر الألياف، فإنه يستخدم أيضًا في الطب.
مرايا مسطحة وكروية
- إنها أداة عاكسة للضوء تحتفظ بخصائصها الأصلية قبل لمس سطحها، وتختلف أنواع المرايا، وتتنوع جودتها من حيث الاحتفاظ بخصائص الضوء.
- نوع واحد من المرآة هو مرآة مستوية – سطح أملس ومستوٍ.
- يعكس معظم أشعة الضوء المطبقة عليه، ويمكن أن تصل نسبة الضوء المنعكس إلى حوالي 98٪ أو أكثر.
- أما المرآة المستوية فهي سطح عاكس كروي محدد بمركزها ونصف قطرها، ولها نوعان: مرآة كروية محدبة، والأشعة الواردة تنعكس على السطح الخارجي للكرة.
- أما النوع الثاني من المرايا الكروية. إنها مرايا مقعرة تنعكس فيها أشعة الضوء الواردة مرة أخرى في الكرة.
العدسات المحدبة والمقعرة
- العدسة هي جسم مصنوع من الزجاج أو مادة شفافة أخرى تكسر أشعة الضوء القادمة إليها بعدة طرق.
- هذا يعتمد على نوع العدسة، بما في ذلك العدسات المحدبة والعدسات المقعرة.
- تجمع العدسات المحدبة أو المقربة أشعة الضوء القادمة إليها.
- يتكون من سطحين محدبين لهما نفس نصف قطر التحدب، ويكون سميكًا في المنتصف وأرق في اتجاه الأطراف.
- من ناحية أخرى، فإن العدسات المقعرة أو المنتشرة تبعثر أشعة الضوء القادمة نحوها.
- وهو يتألف من وجهين مقعرين لهما نفس القطر المقعر، وأسمك في الأطراف وأرق في المنتصف.
انظر أيضًا: موضوع حول انعكاس الضوء
مقدمة عن الضوء الهندسي في نهاية هذا المقال سنتحدث عن الضوء الهندسي وخصائصه الهندسية وانعكاس الضوء وانكساره وظاهرة الانعكاس الكلي بالإضافة إلى بعض تطبيقات خواصه.