كتاب البصريات

انتشار الضوء وانعكاسھ
Propagation and Reflection of Light
انتشار الضوء في خطوط مستقيمة. ?
القياس الضوئي. ?
انعكاس الضوء عند سطح مستوى – المرآة المستوية. ?
انعكاس الضوء عند سطح كرى – المرايا الكرية. ?
أسئلة الفصل.
1 انتشار الضوء في خطوط مستقيمة: -1
إذا اعتبرنا مصدراً ضوئياً نقطياً يصدر حزمة ضوئية من خلال ثقب صغير، فإنه يمكننا رؤية
حدود هذه الحزمة الضوئية بنفث دقائق من الدخان أو الطباشير في مسارها، وإذا وضعنا في طريقها
حاجزاً به ثقب أضيق من الأول، فإننا نحصل على حزمة ضوئية ضيقة. وإذا نجحنا في وضع ثقب
صغير جداً في طريق الضوء المنبعث من المصدر النقطي بحيث نحصل على أضيق حزمة ضوئية
ممكنة، فإنها عندئذ تسمى "شعاعاً ضوئياً". والواقع أنه لا يمكن الحصول عملياً على شعاع ضوئي،
- 2 -
وإنما نتحدث عنه من الناحية النظرية فقط لنفيد من تصوره في وصف سلوك الضوء وتحديد
مساراته وتكوين صور الأجسام.
ومن أهم خصائص الضوء أنه ينتشر، أو ينتقل خلال الأوساط المتجانسة في خطوط
مستقيمة، ويستدل على ذلك بتكوين الظلال عندما يعترض مسار الأشعة الضوئية عائق معتم. فإذا
1/ أ) أما إذا كان مصدر - كان مصدر الضوء نقطياً كان الظل هو المسقط الهندسي للعائق، (شكل 1
الضوء ممتداً، فإن المسقط الهندسي للعائق يتكون من منطقة ظل داخلية ومنطقة شبه ظل خارجية
1/ب). - متدرجة العتمة، (شكل 1
وقد كان الحسن بن الهيثم أول من برهن عملياً على صحة مبدأ الانتشار المستقيم للضوء
وتك ? ون الصور المقلوبة للمرئيات بتجربة الغرفة المظلمة، أو الخزانة ذات الثقب، فهو يقول في
المقالة الأولى من كتابه "المناظر": "إذا كان في موضع واحد عدة س?ر?ج في أمكنة متفرقة وكانت
جميعها مقابلة لثقب واحد، وكان ذلك الثقب ينفذ إلى مكان مظلم، وكان مقابل ذلك الثقب في المكان
المظلم جدار، فإن أضواء تلك السرج تظهر على ذلك الجدار متفرقة،وبعدد تلك السرج وكل واحد
منها مقابل لواحد من السرج على السمت (الخط) المستقيم الذي يمر بالثقب، وإذا ستر واحد من
السرج بطل من الأضواء التي في الموضع المظلم الضوء الذي كان يقابل ذلك السراج فقط، وإن رفع
الساتر عن السراج عاد ذلك الضوء إلى مكانه.
وتتوقف درجة وضوح الصورة المتكونة بهذه الطريقة على سعة الثقب وشدة استضاءة
.(2- الجسم"، (شكل 1
- 3 -
2 القياس الضوئي: -1
تختلف المصادر الضوئية عن بعضها البعض في كمية الضوء المنبعث منها. وفي النظام
المتري تقاس قوة (أو شدة) إضاءة مصدر نقطي بوحدة تسمى "الشمعة العيارية" (أو كاندلا، ورمزها
.(cd
ويعرف الفيض (أو التدفق) الضوئي بكمية الضوء المنبعث من مصدر ضوئي في الثانية.
ولما كان مقدار هذا الفيض صغيراً جداً بالنسبة للوحدات المطلقة التي تستخدم لقياس الطاقة بصفة
1، وتعرف بأنها الفيض الضوئي m عامة، فقد اتفق على وحدة خاصة له تسمى "ليومن"، ورمزها
الذي ينبعث في الثانية من مصدر نقطي شدته شمعة عيارية واحدة، خلاف وحدة الزوايا المجسمة
عمودياً على جزء من سطح كروي مساحته متر مربع واحد ويبعد عن المصدر (sr (استريديان
مسافة متر واحد.
4، فإن الفيض الضوئي ? وحيث إن عدد وحدات الزوايا المجسمة حول مصدر نقطي هو
شمعة في جميع الاتجاهات هو: I مقاساً بالليومن) الذي ينبعث من مصدر شدة إضاءته ) F الكلي
F (lm) = 4? (sr) × I (cd) (1-1)
من ناحية أخرى، كلما زادت قوة إضاءة المصدر الضوئي فإن كمية الضوء التي تسقط على
السطوح القريبة تزداد أيضاً، أي أن استنارة أو استضاءة هذه السطوح تزداد. وتعرف شدة
لسطح ما بالفيض الضوئي الساقط عمودياً على وحدة المساحات من هذا السطح. E الاستضاءة
3) أي أن: - (شكل 1
1m/m (1 2)
A
E= F 2 -
- 4 -
ولكي نتخيل قيمة هذه lx وفي النظام المتري يطلق على وحدة شدة الاستضاءة اسم "لاكس"، ورمزه
1) الذي يبين بالتقريب شدة استضاءة النهار والليل وبعض المصادر - الوحدة نستعرض الجدول ( 1
عبارة عن A كاندلا، وكانت المساحة I من حولنا. وإذا كان الفيض منبعثاً من مصدر نقطي قوته
معبراً E يقع مركزها عند المصدر، فإن شدة استضاءة السطح r السطح الداخلي لكرة نصف قطرها
عنها باللاكس، هي:
cd / m (1 3)
r
I
4? r
4? I
A
E (1x) F 2
2 2 = = = -
وتدل هذه النتيجة على أن شدة الاستضاءة تتناسب عكسياً مع مربع بعد السطح عن المركز
(أو المصدر) وطردياً مع قوة المصدر الضوئي، وهو نص "قانون التربيع العكسي في الضوء".
1) قيم تقريبية لاستضائية بعضالمصادر - جدول ( 1
صيغ الإضاءة الاستضائية بوحدات ليومن /متر 2
نهار ساطع 100000
نهار ملبد بغيوم وسحب 1000
إضاءة داخلية نهارا 200
إضاءة داخلية اصطناعية ليلا 100
910 × سطح الشمس 2
- 5 -
710 × فتيلة متوجهة من التنجستن 2
سطح ورقة بيضاء في ضوء الشمس 25000
مصباح فلورسنت 6000
لهيب الشمع 5000
السماء الصافية 3200
سطح القمر 2900
نور القمر 0,2
سطح ورقة بيضاء في نور القمر 0,3
على العمودي على السطح فإن شدة استضاءة ? وفي حالة سقوط الضوء مائلاً بزاوية
السطح تكون:
cos? (1 4)
r
E I2 = -
ويختص مبحث "القياس الضوئي" (أو الفوتومترية) بدراسة طرق المقارنة بين قوى المصادر
الضوئية باستخدام الفوتومترات، وهي أجهزة يتوقف عملها على إحداث شدتي استضاءة متساويتين
من مصدرين ضوئيين، إما على سطح واحد بالتعاقب المتكرر، أو على سطحين قريبين في وقت
تحدثان نفس شدة الاستضاءة على I2 , I واحد. وفي كلتا الحالتين تتناسب قوتا إضاءة مصدرين 1
عن الحاجز، حيث إن: r2, r حاجز تناسب طردياً مع مربع بعدهما 1
2
2
2
2
1
1
r
I
r
E = I =
فيكون:
2
2
2
1
2
1
r
r
I
I =
وتوجد عدة أنواع من الفوتومترات، من أمثلتها فوتومتر "جولي" وفوتومتر "ليومر –
برودهن".
:1- مثال 1
مصباح من مصابيح الطرق معلق بارتفاع 7 متر من الأرض، وكانت استضائية الطريق تحت
المصباح مباشرة 10 ليومن/ م 2. احسب قوة إضاءة المصباح.
الحل:
I = 10 × 72 = 490 cd
:2- مثال 1