ظاهرة الانعكاس وتطبيقاتها على المرايا

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 الى العين فتتكون صورة الجسم على شبكية العين التي تحتوي على ملايين المجسات الحساسة للضوء ليقوم كل مجس بتحويل الضوء الى اشارات كهربية عبر العصب البصري إلى مركز الابصار في الدماغ الذي يقوم بترجمة ذلك إلى صورة في ادمغتنا 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 واحساسنا بالضوء هو في مدي محدد من ذلك الطيف الكهرومغناطيسي الذي يسمى  بالمدى المرئي visible region، والشكل التالي يوضح الطيف الكهرومغناطيسي والجز المرئي منه





اضغط على الصورة للتكبير



إإن خصائص الضوء حيرت العلماء على مر العصور فأحياناً فسرت بعض الظواهر الضوئية مثل الانعكاس والانكسار على ان للضوء له خسائص جسيمية ويتصرف كالجسيمات والعلمي الذي يهتم بطبيعة الضوء الجسيمية يسمى الضوء الهندسي geometrical optics ولكن في ظواهر اخرى مثل الحيود والتداخل والاستقطاب فسر الضوء على انه موجة والعلم الذي يدرس الضوء على إنه موجة يسمى الضوء الفيزيائي physical optics.



هنا في هذه المحاضر سنركز على موضوع الضوء الهندسي وندرس ظاهرة الانعكاس والانكسار وتطبيقاتها في تكوين الصورة باستخدام المرايا والعدسات.

--------------------------------------------------------------------------------



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 اذا كان من مواد شفافة مثل الماء والزجاج وتحدث عملية الانكسار.  الاسطح اللامعة مثل اسطح المرايا المصنوعة من الفضة تمثل الاشعة المنعكسة اكثر من 90% من الشعاع الساقط.







قانون الانعكاس  Reflection Law

عند سقوط شعاع ضوئي على سطح عاكس فإننا نعرف زاوية السقوط angle of incidence qi على انها الزاوية المحصورة بين الشعاع الساقط والعمود المقام على السطح العاكس عند نقطة السقوط.  ونعرف زاوية الانعكاس angle of reflection  qr على انها الزاوية المحصورة بين الشعاع المنعكس والعمود المقام عند نقطة الانعكاس. وقد وجد بالتجربة العملية ان زاوية السقوط تساوي زاوية الانعكاس وان كلاً من الشعاع الساقط والشعاع المنعكس والعمود المقام بينهم يقعوا في مستوى واحد.

ومما سبق نوضح ان قانون الانعكاس ينص على



زاوية السقوط  qi =  زاوية الانعكاس qr







أولاً تكون الصورة بواسطة المرآة المستوية

Image formation by plane (flat) mirror

المرآة المستوية عبارة عن لوح زجاجي مستوي أحد سطحيه مغطى بمادة عاكسة للضوء،  تتكون الصورة في المرايا المستوية كما هو موضح في الشكل التالي:







الضوء الساقط على الفراشة في الشكل اعلاه ينعكس على المرآة بحيث أن زاوية السقوط تساوي زاوية الانعكاس والاشعة المنعكسة عند وسقوطها على العين تتم رؤية الصورة التي تكون معتدلة ومساوية للجسم ولكن تخيلية  virtual image حيث لا يمكن استقبال الصورة على حائل انما الصورة هي عبارة عن تخيل الدماغ لها وهنا في الشكل تم تشبيه ذلك بامتداد الاشعة الساقطة على العين على استقامتها داخل المرأة لتجمع الصورة.



الصورة المتكونة بواسطة المرآة المستوية plane (flat) mirror لها الخصائص التالية:

           معتدلة  upright

           مساوية للجسم (لا يوجد تكبير)

           خيالية virtual

           بعد الجسم عن المرآة do يساوي بعد الصورة عن المرآة di.

--------------------------------------------------------------------------------

ثانياً تكون الصورة بواسطة المرآة الكروية

Image formation by spherical mirror

من الممكن ان يكون السطح العاكس عبارة عن سطح مقتطع من كرة، فإذا كان السطح العاكس هو السطح الخارجي للكرة تسمى هذه بالمرآة المحدبة  convex mirror، اما اذا كان السطح العاكس هو السطح الداخلي من الكرة فإنها تسمى بالمرآة المقعرة concave mirror.

لاحظ في الشكل التالي أن المرآة المحدبة convex mirror تفرق الأشعة بينما المرآة المقعرة concave mirror تجمع الأشعة.i





البعد البوئري للمرأة الكروية Focal length of spherical mirror

افترض مصدر ضوئي بعيد جداً مثل اشعة الشمس تسقط على سطح مرآة مقعرة concave mirror وحيث ان المصدر الضوئي بعيد جداً فإن الأشعة الساقطة على المرآة تكون متوازية كما في الشكل ادناه، تنعكس الأشعة عن السطح العاكس بحيث تكون زاوية السقوط تساوي زوية الانعكاس ونجد ان جميع الأشعة تتجمع في نقطة واحدة تسمى نقطة التركيز البؤرة focus point ويرمز لها بالرمز F والمسافة بين نقطة التركيز وبعدها عن المرآة A يسمى البعد البؤري للمرأة focal length ويرمز له بالرمز f.







يوضح الشكل مرآة مقعرة تسقط عليه اشعة متوازية فتتجمع في البؤرة وعلى الشكل نلاحظ المحور الرئيسي للمرآة principal axis وهو المحور الأفقي العمودي على المرآة والمار في مكزها، مركز المرأة يسمى مركز التقعر center of curvature ويرمز له بالرمز  C وهو مركز الكرة التي اقتطعت منها المرآة والمسافة بين مركز التكور والمرآة يسمى نصف قطر التقعر raduis of curvature ويرمز له بالرمز r يتقاطع مع المرآة



نستنتج ان الأشعة المتوازية التي تسقط على المرآة المقعرة تنعكس دائماً مارة بالبؤرة. ولكن ما العلاقة بين البعد البؤري f ونصف قطر التقعر r.  للأجابة على هذا التساؤل دعنا نستعين بالشكل التالي







لنأخذ شعاع ضوئي يسقط موازي للمحور الضوئي للمرآة عند النقطة B على سطح المرآة ينعكس ماراً بالبؤرة  F.  من الشكل السابق نجد أن المسافة CB تساوي r (نصف قطر التقعر) وCB عمودي على سطح المرآة عند النقطة B، من الشكل السابق نجد ان المثلث CBF متساوي الساقين أي ان النسافة CF تساوي المسافة FB، كما أن FB يساوي FA وحيث ان FA هي البعد البؤري f نستنتج من ذلك ان CA تساوي 2FA اي ان



r = 2f



وهذ يعني ان البعد البؤري يساوي نصف المسافة r (نصف قطر التقعر للمرآة).



الطريقة البيانية لتحديد مواصفات الصورة المتكونة عن المرآة المقعرة

يمكن تحديد مواصفات الصورة الناتجة عن المرايا الكروية عن طريق الرسم وذلك من خلال تقاطع ثلاث أشعة ضوئية رئيسية كما في الشكل التالي

حالة (1)


افترض جسم موجود على مسافة اكبر من نصف قطر التقعر فإنه لتحديد مواصفات الصورة نتبع ما يلي:

(1) نرسم شعاع من الجسم موازي للمحور الضوئي للمرآة ينعكس ماراً بالبؤرة (الشعاع الأزرق).

(2) نرسم شعاع من الجسم يمر في البؤرة فينعكس عن المرآة موازياً للمحور الضوئي (الشعاع الزهري).

(3) نرسم شعاع من الجسم إلى المرآة ماراً بمركز المرآة C فينعكس على نفسه (الشعاع الأصفر).

لاحظ أن الصورة المتكونة I هي صورة مصغرة مقلوبة وحقيقية.
 

تقاطع الأشعة الثلاثة يحدد موقع الصورة ويمكن تحديد اذا كانت الصورة مكبرة ام مصغرة مقلوبة ام معتدلة وحقيقة او تخيلية وفيما يلي بعض الحالات المختلفة للصورة عند تغير بعد الجسم عن المرأة.


حالة (2)

عندما يكون الجسم على بعد يساوي نصف قطر التقعر للمرآة فإن الصورة تكون على نفس المسافة ومساوية للجسم ومقلوبة وحقيقية.
 

حالة (3)

عندما يكون الجسم بين البعد البؤري f ونصف قطر التقعر r تكون الصورة حقيقية معتدلة مصغرة.
 

حالة (4)

عندما يكون الجسم عن مسافة أقل من البعد البؤري فإن الصورة تكون خيالية مكبرة معتدلة.
 

حالة (5)

عندما يكون الجسم على مسافة مساوية للبعد البؤري  f فإن الصورة تكون في المالانهاية، لا توجد صورة.