مقدمة في الضوء الهندسي، علم الضوء الهندسي هو علم مهم له تطبيقات عديدة، في هذا المقال سنتحدث عن علم الضوء الهندسي، والخصائص الهندسية للضوء، وتطبيق بعض خواصه.
حول علم تكنولوجيا الضوء
- يتعامل هذا العلم مع دراسة وتحليل انتشار الضوء من خلال وسائط شفافة متجانسة وغير متجانسة.
- يمكن لهذه الوسائط أن تعكس الأسطح جزئيًا أو كليًا.
- للضوء العديد من الخصائص الهندسية والفيزيائية والكمية والموجة، وتشمل خصائصه الهندسية انعكاس وانكسار الضوء وسرعة محدودة.
- والانتشار المباشر، وفي هذا المقال سنتحدث عن الضوء الهندسي وخصائصه.
- تعتبر دراسة هذا العلم ذات أهمية كبيرة في تطوير الأدوات البصرية مثل أنواع مختلفة من المجاهر والتلسكوبات والمجاهر والتلسكوبات والمناشير المثلثة.
انظر أيضًا: ما الفرق بين الضوء والضوء؟
سرعة انتشار الضوء
- ينتشر الضوء، وهو عبارة عن موجات كهرومغناطيسية، في الفراغ بسرعة تصل إلى 3 * 10 مرفوعة بقوة 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.
- بينما سرعة الضوء في الوسائط أقل من سرعته في الفراغ، وتعتمد على الطول الموجي، ويرمز لها بالرمز v.
ظاهرة انعكاس الضوء
- يُعرَّف الانعكاس بأنه ارتداد شعاع ضوئي عندما يصطدم بسطح أملس.
- تحدث هذه الظاهرة لجزء من الضوء عندما يصل شعاع الضوء إلى المستوى الذي يفصل بين الوسيطتين.
- انعكاس الضوء له قانون يعبر عن هذا. إذا كان هناك سطح مستو وعاكس، يشار إلى ذلك بالرمز (S).
- يتم تطبيق شعاع ضوء غير عمودي عليه، بحيث تكون زاوية منشأ الشعاع متساوية.
- بافتراض أن شعاع AM هو شعاع ينبثق عند السطح وعمودي عليه، NM.
- كلاهما يشكلان مستوى الحزمة المقابلة، وبالتالي فإن الحزمة المنعكسة MB تكون في نفس المستوى.
- نتيجة لذلك، تكون زاوية الانعكاس مساوية لزاوية سقوط الشعاع، ويتم قياس الزاويتين بالنسبة للعمودي على سطح NM، وباختصار، مفهوم قانون الانعكاس.
- يتم تحديد شدة الحزمة المنعكسة Ir بواسطة مؤشرات الانكسار لكل من الوسائط n1 و n2.
- إذا كانت شدة الحزمة I0، فإن الحزمة تكون متعامدة مع مستوى السطح، أي
- مقارنة بين شدة الاشعاع في حالة زاوية سقوط الشعاع وفي حالة موازاة السطح وذلك من خلال العلاقة التالية
- لتوضيح هذا القانون بمثال، نفترض أن هناك ضوءًا ينعكس بواسطة عدسة زجاجية، لذلك يمكن حساب جزء الضوء من خلال 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 وسيط شفاف إلى آخر، تنكسر الأشعة، مما يعني أنها تنحرف عن مسارها، ويرتبط انكسار الضوء وانعكاسه بقانونين يعرفان باسم snell، descartes.
- ينص قانون سنيل على أنه إذا كانت مؤشرات الانكسار لسطحين هي n1 و n2 وكانت زاوية الشعاع الساقط متساوية، يتم حساب زاوية الانكسار من العلاقة التالية
- يكون الشعاع المنكسر في نفس مستوى الشعاع الأصلي، ويترتب على القانون أنه كلما زاد معامل الانكسار، قلت زاوية الانكسار، والعكس صحيح.
- ويترتب على القانون أنه إذا دخل شعاع الضوء إلى وسط ذي معامل انكسار أعلى، أي n2> n1، فإن الشعاع المنكسر يقترب عموديًا على السطح.
- إذا كان الشعاع يمر عبر الوسط بمؤشر انكسار أقل، أي n2
- إذا كان الشعاع عموديًا على السطح بين الوسطين، فإنه يتسبب في مرور الشعاع بدون انكسار.
- يمكن توضيح هذا القانون بمثال، بافتراض أن شعاع الضوء يمر من الهواء إلى الماء بزاوية سقوط.
- يتم عرض جزء من هذه الحزمة ويتم تنفيذ الباقي.
- يمكن تحديد اتجاه الأشعة المنعكسة والمنكسرة، مع العلم 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 متساوية.
ظاهرة الانعكاس الكلي
- يمكن تفسير هذه الظاهرة إذا افترضنا وجود وسط مصنوع من الزجاج، وسقوط شعاع من الضوء عليه.
- تخرج الأشعة المنكسرة في الهواء، بحيث عندما تأتي زاوية الأشعة.
- ينكسر معظم الضوء في الهواء، وينعكس البعض الآخر.
- لذلك، يكون الشعاع المنكسر بعيدًا عن السطح العمودي أكثر من الشعاع الوارد، أي n2> n1.
- عندما تزداد 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 عند الخروج من الهواء تكون متساوية.
- إذا كانت زاوية سقوط الأشعة أكبر من الحرجة، ينعكس الضوء تمامًا، وتسمى هذه الظاهرة ظاهرة الانعكاس الكلي.
شاهدي أيضاً: هل الضوء مادة ولماذا؟
تطبيق الانعكاس والانكسار
المنشور الحالي
- تطبيق الانعكاسية الكلية عبارة عن كتلة من الزجاج العادي، لها معامل انكسار n1 = 1.5K وهي على شكل منشور مستطيل ومتساوي الساقين.
- إذا كان الشعاع عموديًا على وجه المنشور AC ثم وصل إلى وجه المنشور AD.
- زاوية السقوط أكبر من الزاوية الحرجة، لذلك تنعكس الأشعة تمامًا.
- يمكن أيضًا استخدام المنشور كمرآة باستخدام الوجه AD، تنعكس جميع الأشعة.
الألياف البصرية
- من التطبيقات المهمة لظاهرة الانعكاس الكلي أنه مصنوع من نوع خاص من الزجاج شديد الوضوح، فهو طويل ورفيع.
- ينتقل الضوء من موقع إلى آخر حيث تحدث الانعكاسات الكلية المتتالية داخل الألياف حتى يخرج من الطرف الآخر.
- هناك أنواع متقدمة، كمية الضوء المفقودة عند امتصاص الألياف صغيرة جدًا.
- هذا يزيد من كفاءته، ويمكن للضوء أن ينتقل عبر كيلومترات دون التأثير على شدته.
- يتم استخدام عدد كبير من الألياف الضوئية معًا لتشكيل كبل يستخدم في الاتصال.
- عندما ينقل الضوء المعلومات على طول الألياف، فإنه يستخدم أيضًا في الطب.
مرايا مسطحة وكروية
- وهي أداة تعكس الضوء بشكل يحافظ على صفاته الأصلية قبل أن تلمس سطحه، وهناك أنواع مختلفة من المرايا، وتتفاوت جودتها من حيث الحفاظ على خواص الضوء.
- نوع واحد من المرآة هو مرآة مسطحة: سطح مستوٍ أملس.
- يعكس معظم أشعة الضوء المطبقة عليه، ويمكن أن تصل نسبة الضوء المنعكس إلى حوالي 98٪ أو أكثر.
- بالنسبة للمرآة المستوية: وهي سطح عاكس كروي محدد بمركزها ونصف قطرها، وتأتي في نوعين: مرآة كروية محدبة، والأشعة الواردة تنعكس للخارج من الكرة.
- أما النوع الثاني من المرايا الكروية: فهي مرايا مقعرة تنعكس فيها أشعة الضوء الساقط داخل الكرة.
العدسات المحدبة والمقعرة
- العدسة هي جسم مصنوع من الزجاج أو مادة شفافة أخرى تكسر أشعة الضوء التي تصطدم بها بطرق مختلفة.
- يعتمد ذلك على نوع العدسة، بما في ذلك العدسات المحدبة والمقعرة.
- تجمع العدسات المحدبة أو المقربة أشعة الضوء التي تسقط عليها.
- يتكون من سطحين محدبين لهما نفس نصف قطر التحدب، ويكون سميكًا في المنتصف وأرق نحو الأطراف.
- بينما العدسات المقعرة أو المتباينة تبعثر أشعة الضوء التي تصطدم بها.
- وهو يتألف من وجهين مقعرين لهما نفس القطر المقعر، وأسمك في الأطراف وأرق في المنتصف.
راجع أيضًا: موضوع انعكاس الضوء
في نهاية هذه المقدمة لمقال الضوء الهندسي، سنتحدث عن الضوء الهندسي، وخصائصه الهندسية، وانعكاس الضوء وانكساره، وظاهرة الانعكاس الكلي، بالإضافة إلى بعض تطبيقات خواصه.