البصريات الهندسية هي فرع خاص من البصريات الفيزيائية ، والتي لا تتعامل مع طبيعة الضوء ، ولكنها تدرس قوانين حركة الأشعة الضوئية في الوسائط الشفافة. دعونا نلقي نظرة فاحصة على هذه القوانين في المقالة ، ونقدم أيضًا أمثلة على استخدامها في الممارسة.
انتشار الأشعة في الفضاء المتجانس: خصائص مهمة
يعلم الجميع أن الضوء عبارة عن موجة كهرومغناطيسية ، والتي بالنسبة لبعض الظواهر الطبيعية يمكن أن تتصرف مثل تيار من الطاقة الكمية (ظاهرة التأثير الكهروضوئي وضغط الضوء). البصريات الهندسية ، كما لوحظ في المقدمة ، تتعامل فقط مع قوانين انتشار الضوء ، دون الخوض في طبيعتها.
إذا تحرك الشعاع في وسط شفاف متجانس أو في فراغ ولم يواجه أي عوائق في طريقه ، فإن شعاع الضوء سوف يتحرك في خط مستقيم. أدت هذه الميزة إلى صياغة مبدأ أقل وقت (مبدأ فيرما) من قبل الفرنسي بيير فيرمات في منتصف القرن السابع عشر.
ميزة أخرى مهمة لأشعة الضوء هي استقلاليتها. هذا يعني أن كل شعاع ينتشر في الفضاء دون "شعور"شعاع آخر دون التفاعل معه.
أخيرًا ، الخاصية الثالثة للضوء هي التغيير في سرعة انتشاره عند الانتقال من مادة شفافة إلى أخرى.
الخصائص الثلاث المحددة لأشعة الضوء تستخدم في اشتقاق قوانين الانعكاس والانكسار.
ظاهرة الانعكاس
تحدث هذه الظاهرة الفيزيائية عندما يصطدم شعاع ضوئي بعائق معتم أكبر بكثير من الطول الموجي للضوء. حقيقة الانعكاس هي تغيير حاد في مسار الشعاع في نفس الوسط.
افترض أن شعاعًا رفيعًا من الضوء يسقط على مستوى معتم بزاوية θ1إلى N الطبيعي المرسوم على هذا المستوى من خلال النقطة التي يصطدم بها الشعاع. ثم ينعكس الشعاع بزاوية معينة θ2إلى نفس الوضع الطبيعي N. ظاهرة الانعكاس تخضع لقانونين رئيسيين:
- الحادث المنعكس شعاع الضوء وكذبة N طبيعية في نفس المستوى
- زاوية الانعكاس وزاوية وقوع شعاع الضوء متساويان دائمًا (θ1=θ2).
تطبيق ظاهرة الانعكاس في البصريات الهندسية
تُستخدم قوانين انعكاس شعاع الضوء عند إنشاء صور لأشياء (حقيقية أو خيالية) في مرايا ذات أشكال هندسية مختلفة. أكثر أشكال هندسة المرآة شيوعًا هي:
- مرآة مسطحة ؛
- مقعر ؛
- محدب.
من السهل جدًا تكوين صورة في أي منها. في المرآة المسطحة ، يتضح دائمًا أنها تخيلية ، لها نفس حجم الكائن نفسه ، مباشر ، فيهالجانب الأيسر والأيمن معكوس.
الصور في المرايا المقعرة والمحدبة مبنية باستخدام عدة أشعة (موازية للمحور البصري ، مروراً بالبؤرة وعبر المركز). يعتمد نوعها على مسافة الجسم من المرآة. يوضح الشكل أدناه كيفية بناء الصور في المرايا المحدبة والمقعرة.
ظاهرة الانكسار
يتكون من كسر (انكسار) للشعاع عندما يعبر حدود وسيطين شفافين مختلفين (على سبيل المثال ، الماء والهواء) بزاوية مع السطح لا تساوي 90 س.
تم تقديم الوصف الرياضي الحديث لهذه الظاهرة من قبل الهولندي سنيل والفرنسي ديكارت في بداية القرن السابع عشر. للدلالة على الزوايا θ1و θ3للأشعة الساقطة والمنكسرة بالنسبة إلى N الطبيعي للمستوى ، نكتب تعبيرًا رياضيًا لـ ظاهرة الانكسار:
1 الخطيئة (θ1)=n2 الخطيئة (θ3).
الكميات n2و n1هي مؤشرات الانكسار للوسائط 2 و 1. وهي توضح مقدار سرعة الضوء في الوسط يختلف عن ذلك في الفضاء الخالي من الهواء. على سبيل المثال ، بالنسبة للماء n=1.33 ، وبالنسبة للهواء - 1.00029. يجب أن تعلم أن قيمة n هي دالة لتردد الضوء (n أكبر للترددات الأعلى من الترددات المنخفضة).
تطبيق ظاهرة الانكسار في البصريات الهندسية
يتم استخدام الظاهرة الموصوفة لبناء الصور فيعدسات رقيقة. العدسة هي جسم مصنوع من مادة شفافة (زجاج ، بلاستيك ، إلخ) يحدها سطحان ، أحدهما على الأقل به انحناء غير صفري. هناك نوعان من العدسات:
- جمع
- تشتت.
العدسات المتقاربة تتكون من سطح كروي محدب (كروي). يحدث انكسار أشعة الضوء فيها بطريقة تجعلهم يجمعون كل الأشعة المتوازية في نقطة واحدة - البؤرة. تتشكل الأسطح المتناثرة بواسطة أسطح مقعرة شفافة ، لذلك بعد مرور أشعة متوازية من خلالها يتشتت الضوء.
يشبه بناء الصور في العدسات في تقنيتها بناء الصور في المرايا الكروية. من الضروري أيضًا استخدام عدة حزم (موازية للمحور البصري ، مروراً بالبؤرة ومن خلال المركز البصري للعدسة). يتم تحديد طبيعة الصور التي تم الحصول عليها حسب نوع العدسة ومسافة الكائن إليها. يوضح الشكل أدناه تقنية الحصول على صور كائن في عدسات رقيقة لحالات مختلفة.
أجهزة تعمل وفق قوانين البصريات الهندسية
أبسطها هو العدسة المكبرة. إنها عدسة واحدة محدبة تكبر الأشياء الحقيقية حتى 5 مرات.
جهاز أكثر تعقيدًا ، والذي يستخدم أيضًا لتكبير الأشياء ، هو مجهر. يتكون بالفعل من نظام عدسات (عدستان متقاربتان على الأقل) ويسمح لك بالحصول على زيادة فيعدة مئات من المرات.
أخيرًا ، الأداة البصرية الثالثة المهمة هي التلسكوب المستخدم لمراقبة الأجرام السماوية. يمكن أن يتكون من نظام العدسة ، ثم يسمى تلسكوب الانكسار ، ونظام المرآة - تلسكوب عاكس. تعكس هذه الأسماء مبدأ عملها (الانكسار أو الانعكاس).
