ما المقصود بزاوية السقوط .. وزاوية الإنعكاس
ما العلاقة بين زاوية السقوط وزاوية الانكسار
في علم البصريات يمكن تعريف زاوية السقوط على أنها الزاوية بين سقوط شعاع على سطح ما والخط العمودي على السطح عند نقطة السقوط، فعندما يمر الضوء من بين وسيط إلى آخر وبكثافات مختلفة عندها ينحرف مسار الضور وهذه الظاهرة تسمى انكسار الضوء مثل الانعكاس، كما ان هناك مكونات متشابهة في الانكسار مثل:
- الشعاع الساقط
- الشعاع المنكسر
- الشعاع الطبيعي
- نقطة الإصابة
وهذه الزاوية متكونة عند نقطة السقوط بين الشعاع الساقط والعادي تسمى زاوية السقوط، والزاوية المتكونة بين الشعاع المنكسر والعادي تسمى زاوية الانكسار.
ما هي زاوية السقوط
يشكل الشعاع الساقط والشعاع المنعكس زاويتين عند نقطة السقوط، والزاوية المتكونة بين الشعاع العمودي والشعاع الساقط عند نقطة السقوط تسمى زاوية السقوط، والزاوية المتكونة بين الشعاع العمودي والشعاع المنعكس عند نقطة السقوط تسمى زاوية الانعكاس.
- يسمى شعاع الضوء الذي يصطدم بالسطح المصقول الشعاع الساقط.
- يسمى الشعاع الذي ينعكس بعيدًا الشعاع المنعكس.
- النقطة التي يصطدم عندها الضوء بالسطح تسمى نقطة السقوط.
- إذا تم رسم خط عمودي على تلك النقطة فيسمى الخط العمودي.
صيغة زاوية السقوط
زاوية السقوط تساوي الزاوية المنعكسة وذلك من خلال قانون الانعكاس، كما أن زاوية السقوط وزاوية الانعكاس متساويان دائمًا، وذلك لأن كلاهما على نفس المستوى وذلك مع المستوى الطبيعي.[1]
تعتمد المقدار الذي يغيره شعاع الضوء في اتجاهه على كل من زاوية السقوط ومقدار تغير السرعة الخاصة بها، وبالنسبة لشعاع بزاوية سقوط معينة يؤدي هذا التغيير الكبير في السرعة إلى تغيير كبير في الاتجاه وبالتالي تغيير كبير في الزاوية وهذا ما تحدده العلاقة الرياضية الدقيقة هي قانون الانكسار أو قانون سنيل، عالم الرياضيات الهولندي ويليبرورد سنيل الذي اكتشف هذا القانون في عام 1621 لذلك سمي هذا القانون على اسم سنيل، كما وجد
العالم
الفيزيائي العربي ابن سهل قانون الانكسار في عام 984 واستخدمه في عمله على أنعكاس المرايا المحترقة والعدسات.
والانكسار للوسائط هما الزاويتان بين الأشعة والعمودي ويسمى الشعاع الوارد بالشعاع الساقط، ويسمى الشعاع الخارج بالانكسار الشعاع والزوايا المرتبطة بها هي زاوية السقوط وزاوية الانكسار، وأظهرت تجارب سنيل أن قانون الانكسار يخضع للامتثال وأنه مؤشرًا مميزًا للانكسار ويمكن تخصيصه لوسط معين ولم يكن سنيل مدركًا أن سرعة الضوء تتنوع في وسائط مختلفة وهي حقيقة أساسية تستخدم عندما نشتق قانون الانكسار.[2]
قانون الانعكاس
ينص قانون الانعكاس على أن زاوية الانعكاس تساوي زاوية السقوط، كما نتوقع رؤية انعكاسات على الأسطح الملساء، من الممكن أيضاً رؤية الأنعكاسات على السطح الخشن ولكن في هذه الحالة الضوء يضرب أجزاء مختلفة من السطح بزوايا مختلفة كما أنه ينعكس في العديد من الاتجاهات المختلفة أو بشكل منتشر، والضوء المنتشر هو ما يسمح لنا برؤيته من أي زاوية ويمكن رؤيتها من جميع الجوانب، من ناحية أخرى تتمتع الانعكاسات على المرآة بأنها تعكس الضوء بزوايا محددة يحدث مزيج من هذه التأثيرات.
عاكسات الزوايا “عاكسات رجعية”
ينعكس شعاع الضوء الذي يصطدم بأي جسم يتكون من سطحين متعامدين وعكسيين بشكل موازي تمامًا للاتجاه الذي أتى منه، وهذا القانون صحيح عندما تكون الأسطح العاكسة متعامدة، ولكن لا تعتمد على زاوية السقوط، وهذا ما يسمى عاكس الزاوية حيث يرتد الضوء من الجزء الداخلي، حيث أن عاكسات الزاوية هي فئة فرعية من العواكس الخلفية، والتي تعكس جميعها الأشعة في الاتجاهات التي أتت منها وعلى الرغم من أن هندسة الإثبات لهذا أكثر تعقيدًا يمكن أيضًا بناء عاكسات الزاوية بثلاثة أسطح عاكسة ومتعامدة بشكل متبادل وتكون مفيدة في هذه التطبيقات ثلاثية الأبعاد.[3]
الإنعكاس الداخلي الكامل
قد تعكس المرآة عالية الجودة بنسبة أكثر من 90٪ من نسبة الضوء الذي يسقط عليها ولكنه يمتص الباقي من الضوء ومن المثير للاهتمام أنه يمكننا إنتاج انعكاس كلي باستخدام جانب من جوانب الانكسار، وما يحدث عندما يضرب شعاع الضوء السطح بين مادتين فإن شعاع الضوء يعبر الحدود وينكسر وينعكس الباقي، فإن الشعاع ينحرف بعيدًا عن العمود العمودي، فإن كل الضوء ممكن ان ينعكس مرة أخرى وهذه الحالة تسمى الانعكاس الداخلي الكلي، حيث تخضع الأشعة المنعكسة لقانون الانعكاس بحيث تكون زاوية الانعكاس مساوية لزاوية السقوط في الحالات الثلاث.
الألياف البصرية
تعد الألياف الضوئية أحد تطبيقات الانعكاس الداخلي الكلي المستخدمة على نطاق واسع، كما ان الألياف الضوئية تستخدم في الاتصالات حيث يتم استخدامه لنقل
إشارات
الهاتف والإنترنت والتلفزيون كما تستخدم الألياف الضوئية في نقل الضوء إلى أسفل داخل ألياف
البلاستيك
أو الزجاج، نظرًا لأن الألياف رقيقة فمن المرجح أن يضرب الضوء الداخل السطح الداخلي بزاوية أكبر من الزاوية الحرجة، لذلك يجب أن يكون معامل الانكسار خارج الألياف أصغر من الداخل، ولكن في الواقع تحتوي معظم الألياف على معامل انكسار متغير للسماح بتوجيه المزيد من الضوء على طول الألياف من خلال الانكسار الداخلي الكلي، وتنعكس هذه الأشعة حول الزوايا مما يجعل الألياف في أنابيب ضوئية صغيرة.
كما أحدثت الألياف الضوئية طفرة في التقنيات الجراحية والعديد من مجموعة من الاستخدامات الطبية التشخيصية والعلاجية كما يمكن استخدامها في إجراء الجراحة مثل الجراحة بالمنظار على مفصل الركبة أو الكتف، باستخدام أدوات القطع الملحقة بالمنظار والملاحظة بها، ويمكن أيضًا الحصول على عينات على سبيل المثال عن طريق فحص ورم في الأمعاء للفحص الخارجي، كما تسمح مرونة حزمة الألياف البصرية للأطباء بالتنقل فيها حول مناطق صغيرة يصعب الوصول إليها في
الجسم
مثل الأمعاء والقلب والأوعية الدموية والمفاصل، وأصبح نقل شعاع الليزر المكثف لحرق اللويحات المسدودة في
الشرايين
الرئيسية وكذلك توصيل الضوء لتفعيل أدوية العلاج الكيميائي، كل هذه الأشياء أصبحت أمرًا شائعًا وذلك لأنه قد أتاحت الألياف الضوئية في الواقع إجراء الجراحة المجهرية والجراحة عن بُعد حيث تكون الشقوق صغيرة ولا تحتاج أصابع الجراح إلى لمس الأنسجة المريضة.
كما تحاط الألياف الضوئية في حزم بمادة تكسية ذات معامل انكسار أقل من اللب حيث تمنع الضوء من الانتقال بين الألياف في الحزمة بدون الكسوة، ولكن يمكن للضوء أن يمر بين الألياف المتلامسة، لأن مؤشرات انكسارها متطابقة نظرًا لعدم دخول أي ضوء إلى الكسوة، ولا يمكن نقل أي شيء بين الألياف المكسوة التي تتلامس مع بعضها البعض وبدلاً من ذلك قد ينتشر الضوء على طول الألياف مما يقلل من فقدان الإشارة ويضمن تكوين صورة عالية الجودة في الطرف الآخر. مما يجعل الكسوة وطبقة الحماية الإضافية الألياف الضوئية متينة ومرنة.[4]
سرعة الضوء
سرعة الضوء عبر المادة هي أقل مما هي عليه في المحيط او الفراغ وذلك لأن الضوء يتفاعل مع الذرات الموجودة في المادة، كما أن تعتمد سرعة الضوء بشدة على نوع المادة حيث يختلف تفاعلها باختلاف الذرات والشبكات البلورية، ولكن يمكننا
تحديد
ثابت لمادة معينة يصف سرعة الضوء فيها مما يسمى هذا مؤشر الانكسار
نظرًا أيضاً لأن سرعة الضوء دائمًا أقل من المادة وتتساوي فقط في الفراغ فإن معامل الانكسار يكون دائمًا أكبر من أو يساوي واحدًا صحيح وهذا هو مؤشرات الانكسار لبعض المواد، ووفقاً أيضاً للطول الموجي المحدد للضوء، لأنها تختلف قليلاً مع
الطول
الموجي ويمكن أن يكون لهذا تأثيرات مهمة مثل
الألوان
المفصولة.[5]