الانعكاس والانكسار
المصدر: ديريك ويلسون ، أسانثا كوراي ، دكتوراه ، قسم الفيزياء وعلم الفلك ، كلية العلوم الفيزيائية ، جامعة كاليفورنيا ، إيرفين ، كاليفورنيا
ينتقل الضوء…
1. تحديد مؤشر انكسار الماء باستخدام قانون سنيل (قانون الانكسار) وإيجاد الزاوية الحرجة للانعكاس الداخلي الكلي.
- احصل على خزان انكسار متخصص بمصدر ضوء.
- املأ خزان الانكسار بالماء وقم بتشغيل مصدر الضوء. قم بتوجيه الشعاع من مصدر الضوء إلى نصف الخزان المملوء بالماء. قد يكون من الضروري تعتيم الأضواء في الغرفة.
- استخدم المنقلة الموجودة على خزان الانكسار لقياس زاوية سقوط الحزمة (الزاوية المقاسة في نصف الخزان المملوء بالماء) وزاوية الانكسار (الزاوية المقاسة في نصف الخزان المملوء بالهواء) لواجهة الماء والهواء في الخزان.
- استخدم الزوايا المقاسة ومعامل الانكسار للهواء (n الهواء = 1.00) لحساب معامل الانكسار للماء.
- كرر الخطوات السابقة لبعض زوايا السقوط التي تتراوح من 0 درجة إلى أقل بقليل من 90 درجة.
- مع زيادة زاوية السقوط ، سيلاحظ المرء أنه لم يعد من الممكن رؤية شعاع الضوء المنكسر في نصف الحاوية التي تحتوي على الهواء. قم بتدوير مصدر الضوء ببطء حول الخزان حتى يتم الوصول إلى النقطة التي يختفي عندها شعاع الضوء لأول مرة من الهواء. هذه هي الزاوية الحرجة للانعكاس الداخلي الكلي.
- إذا تم تدوير مصدر الضوء بشكل أكبر ، فيجب ملاحظة أن الشعاع ينعكس مرة أخرى في الماء.
- حرك مصدر الضوء بحيث يدخل الشعاع نصف الخزان المملوء بالهواء أولا قبل الانتقال إلى الماء. سجل بعض زوايا الحدوث والانكسار في ظل هذه الحالة. لاحظ أنه في السابق ، كانت زاوية السقوط هي الزاوية التي ينتقل بها الضوء عبر الماء. نظرا لأن الضوء يمر الآن عبر الهواء أولا ، فإن زاوية السقوط الجديدة هي الزاوية التي ينتقل بها عبر الهواء ، وزاوية الانكسار الجديدة هي الزاوية التي ينتقل بها عبر الماء.
- لاحظ أن الانعكاس الداخلي الكلي لا يحدث في هذا التكوين. يحدث الانعكاس الداخلي الكلي فقط عندما ينتقل الضوء من وسط ذو مؤشر انكسار مرتفع إلى وسط بمؤشر انكسار أقل.
2. قياس البعد البؤري للعدسة وإنشاء صور حقيقية وافتراضية لشيء ما.
- احصل على عدسة محدبة وعدسة مقعرة وورقة بيضاء ومسطرة وجسم مميز صغير. كما أنه يساعد في الحصول على مقعد بصري مع حوامل للعدسات والأشياء بالإضافة إلى جهاز لتثبيت الورقة عموديا.
- ضع العدسة المحدبة بين الكائن وقطعة الورق، كل ذلك في خط وعلى نفس الارتفاع.
- حرك الكائن والورق حتى تظهر صورة حادة للكائن على الورق. الصورة على الورقة هي صورة حقيقية.
- قم بقياس المسافة من العدسة إلى الكائن والمسافة من العدسة إلى الورق. استخدم معادلة العدسة الرفيعة لتحديد البعد البؤري للعدسة.
- ضع الورق جانبا وحرك الكائن بالقرب من العدسة حتى تصبح المسافة بين العدسة والجسم أقل من البعد البؤري للعدسة.
- انظر من خلال العدسة: يجب رؤية نسخة مكبرة من الكائن. هذه الصورة هي صورة افتراضية.
- استبدل العدسة المحدبة بالعدسة المقعرة. انظر من خلال العدسة المقعرة: الآن تظهر نسخة متضخمة من الجسم. هذه أيضا صورة افتراضية.
تسجيل الدخول أو للوصول إلى المحتوى الكامل. تعرّف على المزيد حول وصول مؤسستك إلى محتوى JoVE هنا
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!
View the full transcript and gain access to JoVE Science Education videos
Q1: What is refractive index and how does it affect light propagation?
Refractive index (n) is a characteristic of a medium defined as the ratio of the speed of light in vacuum to the speed of light in that medium. Since air has a lower refractive index than water, light travels more slowly through water. This difference in refractive index between two media causes light to bend when transitioning between them, a phenomenon called refraction.
Q2: How does Snell's Law relate angle of incidence to angle of refraction?
Snell's Law provides a mathematical relationship between the angle of incidence, angle of refraction, and the refractive indices of two media. The angle of incidence is measured between the incident light and the normal to the interface in the first medium, while the angle of refraction is measured in the second medium. This law allows calculation of how light bends when traveling between materials with different refractive indices.
Q3: What is the critical angle and when does total internal reflection occur?
The critical angle is the specific angle of incidence at which the refracted light travels along the interface, making the angle of refraction equal to 90 degrees. This occurs only when light travels from a denser medium to a less dense one. When the angle of incidence exceeds the critical angle, total internal reflection occurs, and light is completely reflected back into the first medium instead of refracting.
Q4: What is the difference between real and virtual images formed by lenses?
Real images form when light rays physically converge after passing through a lens, and can be captured on a screen, as in cameras or microscopes. Virtual images form when light rays appear to diverge, and the eye constructs a point of origin behind the lens; they cannot be projected onto a screen. The Thin Lens Equation determines image type: positive calculated distance indicates a real image, while negative distance indicates a virtual image.
Q5: How do convex and concave lenses differ in image formation?
Convex lenses can form both real and virtual images depending on object distance relative to focal length. When object distance exceeds focal length, a real image forms; when less than focal length, a magnified virtual image forms. Concave lenses always cause light rays to diverge, producing only demagnified virtual images regardless of object position. Both lens types use refraction to bend light and create images.
Q6: How is total internal reflection used in optical fiber technology?
Optical fibers transmit data as light pulses through a core surrounded by cladding and protective coating. The cladding guides light along the core using total internal reflection, which keeps light signals contained within the fiber over long distances. This property enables fiber optic cameras used by doctors to view confined spaces in the human body and supports telecommunications applications like telephone signal transmission.
Q7: What role do reflection and refraction play in optical microscopy?
Optical microscopy uses visible light that is refracted through or reflected from a sample, then passes through single or multiple lenses to magnify the view. Refraction bends light to focus it on the sample, while reflection captures light from the sample surface. The combination of these optical phenomena through lenses allows visualization of objects too small for the naked eye, with images detected directly by the eye or captured digitally.