الضوء الهندسي
Geometrical Optics
ظاهرة الانعكاس وتطبيقاتها على المرايا
Reflection and Mirrors
إن حاسة الابصارمن الحواس الخمسة التي انعم الله بها علينا لنرى بها الأشياء من حولنا. وتعتمد الرؤية على الضوء الذي ينعكس عن الأجسام ويدخل إلى العين فتتكون صورة الجسم على شبكية العين التي تحتوي على ملايين المجسات الحساسة للضوء ليقوم كل مجس بتحويل الضوء الى إشارات كهربية عبر العصب البصري إلى مركز الإبصار في الدماغ الذي يقوم بترجمة ذلك إلى صورة في أدمغتنا عن الجسم الذي ننظر إليه.
والضوء هو عبارة عن أمواج كهرومغناطيسية تنتشر في الفراغ بسرعة 300 مليون متر/ثانية وللضوء كأي موجة له طول موجي وتردد وإحساسنا بالضوء هو في مدي محدد من ذلك الطيف الكهرومغناطيسي الذي يسمى بالمدى المرئي visible region، والشكل التالي يوضح الطيف الكهرومغناطيسي والجزء المرئي منه.
إن خصائص الضوء حيرت العلماء على مر العصور فأحياناً فسرت بعض الظواهر الضوئية مثل الانعكاس والانكسار على إن للضوء له خصائص جسيمية ويتصرف كالجسيمات والعلم الذي يهتم بطبيعة الضوء الجسيمية يسمى الضوء الهندسي geometrical optics ولكن في ظواهر أخرى مثل الحيود والتداخل والاستقطاب فسر الضوء على انه موجة والعلم الذي يدرس الضوء على إنه موجة يسمى الضوء الفيزيائي physical optics.
ظاهرة الانعكاس
Reflection of light
الانعكاس: تكون الصورة بواسطة المرايا
Reflection: Image formation by mirrors
عندما يصطدم شعاع من الضوء على سطح عاكس فإن جزء منه ينعكس والجزء الآخر يمتص في مادة الجسم العاكس أو ينفذ منه إذا كان من مواد شفافة مثل الماء والزجاج وتحدث عملية الانكسار. الأسطح اللامعة مثل أسطح المرايا المصنوعة من الفضة تمثل الأشعة المنعكسة أكثر من 90% من الشعاع الساقط.
قانون الانعكاس Reflection Law
عند سقوط شعاع ضوئي على سطح عاكس فإننا نعرف زاوية السقوط angle of incidence ?i على أنها الزاوية المحصورة بين الشعاع الساقط والعمود المقام على السطح العاكس عند نقطة السقوط. ونعرف زاوية الانعكاس angle of reflection ?r على أنها الزاوية المحصورة بين الشعاع المنعكس والعمود المقام عند نقطة الانعكاس. وقد وجد بالتجربة العملية إن زاوية السقوط تساوي زاوية الانعكاس وان كلاً من الشعاع الساقط والشعاع المنعكس والعمود المقام بينهم يقعوا في مستوى واحد.
ومما سبق نوضح إن قانون الانعكاس بنص على
زاوية السقوط =?i زاوية الانعكاس ?r
ظاهرة الانكسار وتطبيقاتها على العدسات
Refraction and lenses
تعتبر ظاهرة الانكسار من الظواهر الضوئية التي تحدث عند انتقال الضوء من وسط إلى وسط اخر ومثل انتقال الضوء من الهواء إلى الزجاج أو العكس وتحدث ظاهرة الانكسار بسبب اختلاف سرعة الضوء في كل وسط يعبر فيه، تكون سرعة الضوء اكبر ما يمكن في الهواء وتساوي 3x108m/s ولكن تقل سرعته في الزجاج.
معامل الانكسار للوسط Index of refraction
يعرف معامل انكسار الوسط على انه يساوي سرعة الضوء في الهواء على سرعة الضوء في الوسط ويرمز له بالرمز n. وتكون n دائماً أكبر من او يساوي الواحد الصحيح لان سرعة الضوء في الهواء اكبر مايمكن.
فإذا رمزنا إلى سرعة الضوء في الهواء بالرمز c ورمزنا لسرعة الضوء في الوسط بالرمز v فإن معامل الانكسار يعطى بالمعادلة التالية:
بعض قيم معامل الانكسار هي
Air n=1.000, Water n=1.33, Glass n=1.46, 1.52, 1.58
________________________________________
Example
Calculate the speed of light in diamond.
Solution
________________________________________
قانون سنيل للانكسار Snell s law for refraction
عندما ينتقل الضوء من وسط إلى وسط آخر فإن جزء من الضوء ينكسر عند الحد الفاصل بين الوسطين، بينما ينفذ الجزء الباقي داخل الوسط وينكسر بزاوية اقل من زاوية السقوط هذا إذا كان الضوء ساقط من وسط اقل كثافة ضوئي n1 على وسط اكبر كثافة ضوئية n2 أي أن n2>n1 كما في الشكل (a)، بينما تكون زاوية الانكسار اكبر من زاوية السقوط إذا حدث وان سقط الضوء من وسط ضوئي اكبر كثافة ضوئية إلى وسط اقل كثافة ضوئية كما في الشكل (b).
(b) زاوية الانكسار اكبر من زاوية السقوط (a) زاوية الانكسار اصغر من زاوية السقوط
العلاقة بين زاوية السقوط وزاوية الانكسار أوضحها العالم Snell في قانون الانكسار وهو
يتضح من المعادلة السابقة انه عندما تكون n2>n1 فإن ?????، أما إذا كانت n1>n2 فإن ??????كما هو موضح في الشكل أعلاه.
________________________________________
Example
Light strikes a flat piece of glass at an incident angle 60o, as shown in the figure. If the index of refraction of the glass is 1.5, (a) what is the angle of refraction ?A in the glass; (b) what is the angle ?B at which the ray emerge from the glass?
Solution
(a) Using Snell s law
(b) Using Snell s law,
لاحظ ان زاوية خروج الضوء من الزجاج تساوي زاوية سقوط الضوء على الزجاج