الانعكاس والانكسار

ينعكس الضوء ويسافر بسرعات واتجاهات مختلفة ، أو ينكسر ، اعتمادا على المادة التي ينتشر من خلالها ، مما يتسبب في العديد من الظواهر البصرية المثيرة للاهتمام.

عندما يضرب شعاع من الضوء سطح كتلة زجاجية ، يغير جزء منها اتجاهه عند الواجهة للعودة إلى الوسط الذي نشأ منه. هذا هو الانعكاس. ويغير باقي الضوء اتجاهه عند الواجهة ويسافر عبر كتلة الزجاج للحفاظ على الطاقة والزخم. هذا هو الانكسار.

تستخدم العدسات الموجودة في الأنظمة البصرية مثل المجاهر الانعكاس والانكسار لإنشاء صور يمكن أن تدركها العين البشرية.

هنا ، سنناقش أولا مبادئ ومعايير الانعكاس والانكسار. ثم سنوضح هذه الظواهر في نظام يكون فيه الهواء والماء هما الوسيطان. بعد ذلك ، سوف ندرس الطرق التي تنشئ بها العدسات الصور ، تليها بعض التطبيقات في مجال البصريات.

لفهم مبادئ ومعايير الانعكاس والانكسار ، دعونا نختار وسيلتين - الماء والهواء.

المعلمة الرئيسية الأولى التي يجب ملاحظتها هي "معامل الانكسار" ، "n" - وهي سمة من سمات الوسط الذي ينتقل الضوء من خلاله يتم تعريفه على أنه النسبة بين سرعة الضوء في الفراغ ، "c" ، إلى سرعة الضوء في الوسط ، "v". نظرا لأن n من الهواء أقل من الماء ، فإن الضوء ينتقل بشكل أبطأ عبر الماء مقارنة بالهواء.

لنفترض الآن أن الوسيطين ، الماء والهواء ، على اتصال مع بعضهما البعض على طول واجهة.

الآن عندما ينتقل الضوء من الماء إلى الهواء ويضرب الواجهة ، ينعكس بعضها على الواجهة ، والباقي ينكسر أو ينحني بزاوية تعتمد على معامل الانكسار للوسطين. يعتمد كل من الانعكاس والانكسار أيضا على معلمة أخرى - زاوية السقوط ، أو ?i.

هذه هي الزاوية بين الضوء الساقط والطبيعي لواجهة الهواء والماء داخل الوسط الأول ، الماء. يتم قياس "زاوية الانعكاس" بين الضوء المنعكس ونفس الوضع الطبيعي داخل الوسط الأول ، الماء ، وهي تساوي زاوية السقوط. في حين أن "زاوية الانكسار" ، أو r هي الزاوية بين الضوء المنكسر والطبيعي لواجهة الهواء والماء في الوسط الثاني ، الهواء.

وبالتالي فإن زاوية الانكسار تعتمد على زاوية السقوط ومقاييس الانكسار للوسيلتين. يوفر قانون الانكسار أو قانون سنيل علاقة بين كل هذه المعايير.

الآن ، إذا زادت زاوية السقوط ببطء ، فسيظهر الضوء عند نقطة ما على طول الواجهة بين الماء والهواء ، وزاوية الانكسار تساوي 90 درجة. تسمى زاوية السقوط هذه "الزاوية الحرجة". لاحظ أنه لا يمكن أن يحدث إلا إذا كان معامل الانكسار للوسط الأول أكبر من الثاني.

في ظل هذه الحالة نفسها ، إذا زادت زاوية السقوط أكثر ، فإن شعاع الضوء ينكسر بشكل حاد لدرجة أنه ينعكس تماما مرة أخرى في الوسط الأول الذي نشأ منه الضوء. هذه الظاهرة تسمى الانعكاس الداخلي الكلي.

بعد مراجعة المعلمات التي تؤثر على الانعكاس والانكسار ، دعنا نرى كيفية إجراء تجربة في مختبر الفيزياء الذي يتحقق من صحة هذه المبادئ. اجمع جميع المواد والمعدات اللازمة بما في ذلك خزان الانكسار المتخصص بشعاع ضوئي.

املأ نصف خزان الانكسار بالماء. قم بتشغيل شعاع الضوء وقم بتوجيه الشعاع إلى نصف الخزان المملوء بالماء.

باستخدام المنقلة ، قم بقياس زاوية سقوط شعاع الضوء أو الزاوية المقاسة في الماء بين شعاع الضوء والعادي لواجهة الهواء والماء. أيضا ، قم بقياس زاوية الانكسار أو الزاوية المقاسة في الهواء بين شعاع الضوء والطبيعي لواجهة الهواء والماء

الآن ، مع زيادة زاوية السقوط ، يتم الوصول إلى نقطة يظهر عندها شعاع الضوء على طول واجهة الهواء والماء. قم بتدوين زاوية السقوط هذه ، لأنها الزاوية الحرجة للانعكاس الداخلي الكلي.

بعد ذلك ، استمر في زيادة زاوية السقوط عن طريق تدوير مصدر الضوء عكس اتجاه عقارب الساعة. ينعكس الشعاع المنكسر الآن بالكامل في الماء مما يدل على الانعكاس الداخلي الكلي.

بعد ذلك ، حرك مصدر الضوء بحيث يدخل الشعاع إلى نصف الهواء من الخزان أولا قبل الانتقال إلى الماء. كرر البروتوكول الخاص بمسار شعاع الضوء الجديد لزوايا السقوط المختلفة وسجل زاوية الانكسار المقابلة.

الآن دعنا نتحدث عن العدسات ، التي تستفيد من انعكاس الضوء وانكسار الضوء لإنشاء صور حقيقية وافتراضية للأشياء. جميع العدسات ، سواء كانت محدبة أو مقعرة ، لها بعد بؤري "f" ، وهي المسافة من العدسة التي سيتم عندها تركيز أشعة الضوء التي تنشأ من مسافة بعيدة بلا حدود بعد المرور عبر العدسة. بالنسبة للعدسات المحدبة ، تكون f موجبة وللعدسات المقعرة f سالبة.

عندما يتم وضع كائن أمام العدسة ، فإنه ينشئ صورة. توفر "معادلة العدسة الرقيقة" علاقة رياضية بين البعد البؤري "f" ، والمسافة بين الكائن والعدسة ، "o" ، والمسافة بين العدسة والصورة ، "i".

هذه هي مسافة الصورة الرياضية "i" التي تخبرنا ما إذا كانت الصورة التي تشكلها العدسة حقيقية أم افتراضية. إذا كانت الصورة "i" المحسوبة رياضيا موجبة ، فستكون الصورة المتكونة حقيقية ، وإذا كانت سالبة ، فستكون الصورة افتراضية.

بالنسبة للعدسة المحدبة ، عندما تكون مسافة الكائن "o" أكبر من البعد البؤري "f" ، ستكون مسافة الصورة المحسوبة رياضيا "i" موجبة ويتم تشكيل صورة حقيقية. ويرجع ذلك إلى التقارب المادي لأشعة الضوء التي تأتي من الجسم ، مثل الصورة التي تم التقاطها بواسطة الكاميرا أو المجهر.

ومع ذلك ، عندما تكون مسافة الكائن "o" أقل من البعد البؤري "f" ، تكون مسافة الصورة المحسوبة رياضيا "i" سالبة ويتم تشكيل صورة افتراضية. وذلك لأن أشعة الضوء تبدو وكأنها تتقارب ولكنها في الواقع تتباعد جسديا ، وتبني أعيننا نقطة منشأ لها. لوحظ ذلك في حالة العدسة المكبرة ، حيث يتم تشكيل صورة افتراضية مكبرة.

بالنسبة للعدسات المقعرة ، تمر أشعة الضوء التي تأتي من الجسم عبر العدسة وتتباعد دائما. وبالتالي ، فإن "i" المحسوبة دائما ما تكون سالبة والصورة التي تم إنشاؤها تكون افتراضية دائما.

في هذا القسم ، سنقوم بالتحقق من صحة تكوين الصور الحقيقية والافتراضية باستخدام عدسات محدبة ومقعرة بسيطة. اجمع المواد المطلوبة ، وهي عدسة محدبة ، وعدسة مقعرة ، وورقة بيضاء ، وجسم مميز صغير ، ومشبك لتثبيت الورق عموديا

أولا ، ضع العدسة المحدبة بين الكائن وقطعة الورق. تأكد من أنهم جميعا في طابور وعلى نفس الارتفاع.

حرك الكائن والورق حتى تظهر صورة حادة للكائن على الورق. هذه الصورة التي تظهر على الورق هي صورة حقيقية ، حيث يمكن التقاطها على الشاشة.

الآن قم بقياس المسافة من العدسة إلى الكائن ومن العدسة إلى الورق. استخدم معادلة العدسة الرفيعة لتحديد البعد البؤري للعدسة.

بعد ذلك ، ضع الورقة جانبا وحرك الكائن بالقرب من العدسة حتى تصبح المسافة بين العدسة والكائن أقل من البعد البؤري للعدسة. انظر من خلال العدسة وراقب الصورة.

استبدل العدسة المحدبة بعدسة مقعرة. انظر من خلال العدسة المقعرة ولاحظ الصورة الافتراضية المكبرة.

الآن بعد أن أكملنا البروتوكول التجريبي ، دعنا نراجع كيفية تحليل البيانات التي تم الحصول عليها. في التجربة الأولى ، قمنا بقياس زاوية السقوط وزاوية الانكسار عند السطح البيني بين الماء والهواء.

باستخدام قانون سنيل واستبدال قيم هذه الزوايا في المعادلة ، جنبا إلى جنب مع معامل انكسار الهواء ، يمكننا حساب معامل انكسار الماء ، والذي يساوي 1.33.

يمكن بعد ذلك تكرار هذا الحساب لزوايا السقوط والانكسار المختلفة. سيوفر متوسط جميع مؤشرات الانكسار المحسوبة قياسا أكثر دقة لمؤشر انكسار الماء.

يمكننا أيضا حساب الزاوية الحرجة للانعكاس الداخلي الكلي باستخدام قانون سنيل. هذه هي زاوية السقوط عندما تساوي زاوية الانكسار 90 درجة. أعد ترتيب هذه المعادلة لحل الزاوية الحرجة.

باستخدام المتوسط المحسوب سابقا لمعامل انكسار الماء ، يتنبأ قانون سنيل بأن زاوية السقوط الحرجة هي 48.8 درجة. هذا قريب جدا من الزاوية المقاسة تجريبيا ، وبالتالي التحقق من قانون سنيل.

عندما يتم إسقاط شعاع الضوء من الهواء إلى الماء ، لا يحدث الانعكاس الداخلي الكلي حتى في زوايا أكبر من 48.8 درجة حيث ينتقل الضوء الآن من وسيط ذي مؤشر أقل إلى أعلى.

في التجربة مع العدسات ، كشفت معادلة العدسة الرقيقة أنه بالنسبة لمسافة جسم تبلغ 11.02 سم من العدسة ومسافة الصورة حوالي 9.21 سم ، يبلغ البعد البؤري للعدسة حوالي 5.02 سم.

في حالة ملاحظة الكائن من خلال عدسة محدبة ، على مسافة أقل من بعده البؤري ، يتم ملاحظة نسخة مكبرة من الجسم. هذه صورة افتراضية ، حيث لا يمكن التقاط هذه الصورة على الشاشة. وبالمثل ، عند استخدام العدسة المقعرة ، يتم ملاحظة صورة افتراضية غير مكبرة للكائن.

تستخدم البصريات ، وتحديدا العدسات البصرية ، في كل مناحي الحياة من التصوير الفوتوغرافي إلى التصوير الطبي إلى العين البشرية.

تستخدم الألياف الضوئية لنقل البيانات في العديد من التطبيقات الحالية ، مثل نقل إشارات الهاتف. تتكون هذه الألياف من نواة ، وكسوة ، وطبقة خارجية واقية أو عازلة ، وطبقات تقوية أخرى.

توجه الكسوة البيانات في شكل نبضات ضوئية على طول القلب باستخدام طريقة الانعكاس الداخلي الكلي. تتيح خاصية نقل البيانات هذه لكاميرات الألياف الضوئية التي يستخدمها الأطباء لعرض الأماكن الضيقة في جسم الإنسان.

الفحص المجهري هو مجال استخدام المجاهر لعرض الأشياء غير المرئية بالعين المجردة. يتضمن الفحص المجهري البصري أو الضوئي تمرير الضوء المرئي ، الذي ينكسر من خلال العينة أو ينعكس منها ، من خلال عدسات واحدة أو عدة عدسات للسماح برؤية مكبرة للعينة. يمكن اكتشاف الصورة الناتجة مباشرة عن طريق العين أو التقاطها رقميا.

لقد شاهدت للتو مقدمة JoVE للانعكاس والانكسار. يجب أن تفهم الآن مبادئ الانكسار وقانون سنيل والانعكاس الداخلي الكلي وكذلك النظرية وراء العدسات وكيفية إنشاء الصور. كما هو الحال دائما ، شكرا على المشاهدة!