مقدمة عن الضوء الهندسي

مقدمة في علم الهندسة خفيفة الوزن.

• يتعامل هذا العلم مع دراسة وتحليل انتشار الضوء من خلال وسائط شفافة متجانسة وغير متجانسة.
  • قد تحتوي هذه الوسائط على أسطح عاكسة جزئيًا أو كليًا.
• للضوء العديد من الخصائص الهندسية والفيزيائية والكمية والموجة ، بما في ذلك انعكاس وانكسار الضوء والسرعة المحدودة.
  • والتكاثر المستقيم ، وسنتحدث في هذه المقالة عن الضوء الهندسي وخصائصه.
• تعتبر دراسة هذا العلم ذات أهمية كبيرة في تصميم الأجهزة البصرية ، مثل أنواع مختلفة من المجاهر ، والتلسكوبات ، والمجاهر ، ونطاقات الإكتشاف ، والمنشورات المثلثية.

سرعة انتشار الضوء

• ينتشر الضوء ، وهو عبارة عن موجة كهرومغناطيسية ، في الفراغ بسرعة 3 * 10 مرفوعة إلى ثمانية أمتار في الثانية ، ويتم تمثيل سرعته بالرمز ج.
• تختلف طاقة موجات الضوء وفقًا لطولها الموجي ، فكلما زاد طول الموجة ، زادت طاقتها ، وتعد الشمس أكبر مصدر للطاقة الضوئية.
• بينما سرعة الضوء في الوسائط أقل من سرعته في الفراغ ، وتعتمد على الطول الموجي ، ويرمز لها بـ v.

ظاهرة انعكاس الضوء

• يُعرَّف الانعكاس بأنه ارتداد شعاع الضوء عندما يتلامس مع سطح مصقول.
  • تحدث هذه الظاهرة لجزء من الضوء عندما يصل شعاع الضوء إلى المستوى الذي يفصل بين وسيطين.
• انعكاس الضوء له قانون يعبرون عنه ، إذا كان هناك سطح مستو وعاكس ، فيتم الإشارة إليه بالرمز (S).
  • يتم تقديمك بشعاع غير عمودي من الضوء ، وبالتالي فإن زاوية سقوط الشعاع هي
• بافتراض أن شعاع AM هو الشعاع الوارد على السطح ، وهو عمودي على سطح NM.
  • كلاهما يشكلان مستوى الشعاع الوارد ، وبالتالي فإن شعاع MB المنعكس في نفس المستوى.
• نتيجة لذلك ، تكون زاوية الانعكاس مساوية لزاوية وصول الشعاع ، ويتم قياس الزاويتين بشكل عمودي على السطح NM باختصار ، هذا هو المفهوم القانوني للانعكاس.
• يتم تحديد شدة الشعاع المنعكس ، Ir ، بواسطة مؤشرات الانكسار لكل من الوسائط ، n1 و n2.
  • إذا كانت شدة الحزمة I0 ، فإن الحزمة تكون عمودية على المستوى العمودي على مستوى السطح ، أي.
• يتم إجراء مقارنة بين شدة الإشعاع في حالة زاوية سقوط الشعاع ، وفي حالة موازيتها للسطح ، عن طريق العلاقة التالية:
• لتوضيح هذا القانون بمثال ، افترض أن هناك ضوءًا ينعكس عن عدسة زجاجية ، لذلك يمكن حساب النسبة المئوية للضوء من خلال هذه العلاقة.
• وذلك بمعرفة أن معامل انكسار الهواء n1 = 1 ومعامل انكسار الزجاج n2 = 1.5.

ما هي ظاهرة انكسار الضوء؟

• يُعرَّف انكسار الضوء بأنه تغيير في مسار شعاع الضوء عندما يمر عبر وسيطين مختلفين الكثافة.
• عندما تخترق أشعة الضوء من وسط شفاف إلى وسط آخر ، يحدث انكسار الأشعة ، أي أنها تنحرف عن مسارها ، ويرتبط انكسار الضوء وانعكاسه بقانونين يعرفان باسم سنيل وديكارت.
• ينص قانون سنيل على أنه إذا كانت مؤشرات الانكسار للسطحين هي n1 و n2 ، وزاوية سقوط الشعاع ، يتم حساب زاوية الانكسار باستخدام العلاقة التالية
• يكون الشعاع المنكسر في نفس مستوى الشعاع القادم ، ومن القانون يُلاحظ أنه كلما ارتفع مؤشر الانكسار ، كلما كانت زاوية الانكسار أصغر والعكس صحيح.
• يترتب على القانون أنه عندما يدخل شعاع الضوء إلى وسط ذي معامل انكسار أعلى ، أي n2> n1 ، يقترب الشعاع المنكسر من العمودي على السطح.
• إذا اخترق الشعاع وسطًا ذا معامل انكسار أقل ، أي n2
• إذا كان الشعاع عموديًا على السطح بين الوسطين ، فإن الشعاع يمر دون انكسار.
• يمكن توضيح هذا القانون بمثال ، بافتراض مرور شعاع من الضوء من الهواء إلى الماء ، بزاوية سقوط.
  • ينعكس جزء من تلك الحزمة ويتم إرسال الجزء المتبقي.
• يمكن تحديد اتجاه الأشعة المنعكسة والمنكسرة مع العلم أن زاوية سقوط الشعاع تساوي زاوية انعكاسها ، أي
• ومعرفة معامل انكسار الهواء n1 = 1 ، ومعامل انكسار الماء n2 = 1.33 ، يمكن تطبيق قانون سنيل على النحو التالي
• اتضح أن زاوية الانكسار هي.

ظاهرة الانعكاس الكلي

• يمكن تفسير هذه الظاهرة بافتراض وجود وسط زجاجي وضربه شعاع من الضوء.
  • تخرج الأشعة المنكسرة في الهواء ، لذلك إذا كانت زاوية وصول الأشعة
• ينكسر معظم الضوء في الهواء ، بينما ينعكس الجزء الأقل.
  • لذلك ، يكون الشعاع المنكسر بعيدًا عن السطح العمودي عن الشعاع الوارد ، أي n2> n1.
• عندما تزداد زاوية سقوط الشعاع ، تزداد زاوية الانعكاس بشكل أسرع من الزيادة ، لذلك تزداد شدة الشعاع المنعكس وتقل شدة الشعاع المنكسر.
• إذا كانت زاوية وصول الشعاع مساوية للزاوية الحرجة ، فإن زاوية انكسار الشعاع الخارج من الهواء تكون متساوية.
• عندما تكون زاوية وصول الأشعة أكبر من الزاوية الحرجة ، ينعكس الضوء تمامًا ، وتسمى هذه الظاهرة ظاهرة الانعكاس الكلي.

تطبيقات الانعكاس والانكسار

الوظيفة الحالية

• إنه تطبيق انعكاس كلي ، وهو عبارة عن كتلة زجاجية عادية ، لها معامل انكسار n1 = 1.5K ، وهي على شكل منشور متساوي الساقين بزاوية قائمة.
• عندما يكون الشعاع عموديًا على وجه المنشور AC ، فإنه يصطدم بوجه AD.
  • وزاوية الوصول ، أي أنها أكبر من الزاوية الحرجة ، بحيث يحدث انعكاس كامل للأشعة.
• يمكن أيضًا استخدام المنشور كمرآة وباستخدام وجه AD تنعكس جميع الأشعة.

الألياف البصرية

• وهو من التطبيقات المهمة لظاهرة الانعكاس الكلي ، وهو مصنوع من زجاج نقي للغاية من نوع خاص ، وهو طويل ورفيع.
• وينتقل الضوء من مكان إلى آخر ، حيث تحدث الانعكاسات الكلية المتتالية داخل الألياف ، حتى يخرج من الطرف الآخر.
  • هناك أنواع متقدمة يكون فيها كمية الضوء المفقودة من خلال امتصاص الألياف قليلة جدًا.
• هذا يزيد من كفاءته ، ويمكن أن ينتقل الضوء عبر مسافات كيلومترات دون التأثير على شدته.
• يتم استخدام عدد كبير من الألياف الضوئية معًا لتشكيل كبل يستخدم للاتصالات.
  • عندما ينقل الضوء المعلومات من خلال الألياف ، فإنه يستخدم أيضًا في الطب.

مرايا مسطحة وكروية

• وهي أداة تعكس الضوء لتحافظ على خصائصه الأصلية قبل أن تلمس سطحها ، وتختلف أنواع المرايا ، وتختلف جودتها من حيث الحفاظ على خصائص الضوء.
• من أنواع المرايا هي المرآة المسطحة: فهي سطح مستوٍ أملس.
  • يعكس معظم أشعة الضوء التي تصطدم به ، ويمكن أن تصل نسبة الضوء المنعكس إلى 98٪ أو أكثر.
• أما المرآة المستوية فهي سطح كروي عاكس يحدده مركزها ونصف قطرها ، ولها نوعان: مرآة كروية محدبة ، والأشعة الواردة تنعكس على السطح الخارجي للكرة.
• أما النوع الثاني من المرآة الكروية: فهو المرآة المقعرة ، وتنعكس أشعة الضوء الواردة منها باتجاه داخل الكرة.

العدسات المحدبة والمقعرة

• العدسة عبارة عن جسم مصنوع من الزجاج أو مادة شفافة أخرى تنكسر أشعة الضوء الواردة بطرق مختلفة.
  • وذلك حسب نوع العدسة ، وأنواعها عدسات محدبة ومقعرة.
• تجمع العدسات المحدبة أو المقربة أشعة الضوء الواردة.
  • يتكون من سطحين محدبين ، لهما نفس نصف قطر التحدب ، ويكون سميكًا في المنتصف وأرق في اتجاه الحواف.
• بينما العدسات المقعرة أو المتباينة تبعثر أشعة الضوء التي تصل إليها.
  • وتتكون من وجهين مقعرين ، لهما نفس قطر التقعر ، وسميكة في النهايات ورقيقة في المنتصف.