كيف ترى العدسات المحدبة العالم؟
وَكَانَتْ تَعْلَمُ أَنَّهُ لا يَجِبُ عَلَيْنَا أَنْ نَفْهَمَ كُلَّ شَيْءٍ فِي الْحَيَاةِ لِنَعِيشَهَا بِشَك
أهمية فهم انكسار الضوء من خلال عدسة محدبة في حياتنا:
1. التطبيقات العملية:
- العدسات المكبرة: تُستخدم في قراءة الكتب الصغيرة والخطوط الدقيقة، وكذلك في إصلاح الإلكترونيات الدقيقة.
- النظارات: تُستخدم لتصحيح مشاكل الرؤية مثل قصر النظر وطول النظر.
- الكاميرات: تُستخدم لالتقاط الصور والفيديو.
- المجاهر: تُستخدم لفحص الأجسام الصغيرة جداً.
- التلسكوبات: تُستخدم لمراقبة الأجسام الفلكية.
- أجهزة الليزر: تُستخدم في العديد من التطبيقات الطبية والعلمية والصناعية.
2. فهم العالم من حولنا:
- تساعدنا على فهم كيفية عمل العين وكيف نرى الأشياء.
- تساعدنا على فهم كيفية عمل الأجهزة البصرية مثل الكاميرات والمجاهر.
- تساعدنا على فهم ظواهر طبيعية مثل قوس قزح.
3. تطوير التكنولوجيا:
- تُستخدم في تطوير تقنيات جديدة مثل الليزر والتصوير ثلاثي الأبعاد.
- تُستخدم في تحسين جودة الصور في الكاميرات والأجهزة الإلكترونية الأخرى.
4. مهارات علمية أساسية:
- فهم انكسار الضوء من خلال عدسة محدبة مفهوم أساسي في الفيزياء البصرية.
- يُعد هذا المفهوم ضروريًا لطلاب العلوم والهندسة والطب.
5. تنمية مهارات التفكير النقدي:
- تساعدنا على فهم كيفية عمل الأجهزة البصرية وتحليلها.
- تُساعدنا على حل المشاكل المتعلقة بالبصريات.
6. تنمية مهارات الرسم:
- تساعدنا على رسم مخططات شعاعية دقيقة للعدسات.
- تُساعدنا على فهم كيفية تكوين الصور بواسطة العدسات.
7. تنمية مهارات التواصل:
- تساعدنا على شرح مبادئ البصريات للآخرين.
- تُساعدنا على التواصل مع علماء آخرين في مجال البصريات.
8. تنمية مهارات الإبداع:
- تُساعدنا على ابتكار تقنيات جديدة تعتمد على البصريات.
- تُساعدنا على تحسين جودة الصور في الكاميرات والأجهزة الإلكترونية الأخرى.
الانكسار ونموذج شعاع الضوء -
رياضيات العدسات
كان أحد موضوعات وحدات الانعكاس والانكسار في البرنامج التعليمي لفصل الفيزياء هو أننا نرى جسمًا ما لأن الضوء الصادر من الجسم ينتقل إلى أعيننا عندما ننظر على طول خط نحو الجسم. وبالمثل، فإننا نرى صورة لجسم ما لأن الضوء الصادر من الجسم ينعكس عن المرآة أو ينكسر من خلال مادة شفافة وينتقل إلى أعيننا أثناء رؤيتنا لموقع صورة الجسم. ومن هاتين المقدمتين الأساسيتين، قمنا بتعريف موقع الصورة على أنه الموقع في الفضاء الذي يبدو أن الضوء ينحرف عنه. نظرًا لأن الضوء المنبعث من الكائن يتقارب أو يبدو أنه يتباعد عن هذا الموقع، يتم إنشاء نسخة طبق الأصل أو شبه للكائن في هذا الموقع. بالنسبة لكل من سيناريوهات الانعكاس والانكسار، كانت المخططات الشعاعية أداة قيمة لتحديد مسار الضوء من الجسم إلى أعيننا.
Applying the Three Rules of Refraction
تطبيق قواعد الانكسار الثلاثة
في هذا القسم من الدرس الخامس، سوف ندرس طريقة رسم مخططات شعاعية للأجسام الموضوعة في مواقع مختلفة أمام عدسة محدبة مزدوجة. لرسم هذه المخططات الشعاعية، علينا أن نتذكر قواعد الانكسار الثلاثة للعدسة المحدبة المزدوجة:
أي شعاع ساقط يسير بالتوازي مع المحور الرئيسي للعدسة المجمعة سوف ينكسر عبر العدسة وينتقل عبر النقطة البؤرية على الجانب الآخر من العدسة.
أي شعاع ساقط يمر عبر النقطة البؤرية في طريقه إلى العدسة سوف ينكسر عبر العدسة وينتقل بالتوازي مع المحور الرئيسي.
إن الشعاع الساقط الذي يمر عبر مركز العدسة سيستمر في الواقع في نفس الاتجاه الذي كان عليه عندما دخل العدسة.
في وقت سابق من هذا الدرس، تم عرض الرسم البياني التالي الذي يوضح مسار الضوء من جسم ما عبر عدسة إلى عين موضوعة في مواقع مختلفة.
في هذا الشكل، يتم رسم خمسة أشعة ساقطة مع الأشعة المنكسرة المقابلة لها. يتقاطع كل شعاع في موقع الصورة ثم ينتقل إلى عين الراصد. سيلاحظ كل راصد نفس موقع الصورة وسيتبع كل شعاع ضوئي قانون انكسار سنيل. ومع ذلك، ستكون هناك حاجة إلى شعاعين فقط لتحديد موقع الصورة، حيث إن الأمر يتطلب شعاعين فقط للعثور على نقطة التقاطع. من بين الأشعة الساقطة الخمسة المرسومة، ثلاثة منها تتوافق مع الأشعة الساقطة الموضحة في قواعد الانكسار الثلاثة للعدسات المجمعة. وسوف نستخدم هذه الأشعة الثلاثة خلال بقية هذا الدرس، لأنها أسهل الأشعة في الرسم. من المؤكد أن شعاعين سيكونان كل ما هو ضروري؛ ومع ذلك فإن الشعاع الثالث سيوفر فحصًا لدقة عمليتنا.
Step-by-Step Method for Drawing Ray Diagrams
طريقة رسم المخططات الشعاعية للعدسة المحدبة المزدوجة موضحة أدناه. يتم تطبيق الوصف على مهمة رسم مخطط شعاعي لجسم يقع خارج النقطة 2F لعدسة محدبة مزدوجة.
1. اختر نقطة أعلى الجسم وارسم ثلاثة أشعة ساقطة متجهة نحو العدسة.
باستخدام حافة مستقيمة، ارسم شعاعًا واحدًا بدقة بحيث يمر عبر النقطة البؤرية تمامًا في طريقه إلى العدسة. ارسم الشعاع الثاني بحيث يسير موازيًا تمامًا للمحور الرئيسي. ارسم الشعاع الساقط الثالث بحيث ينتقل مباشرة إلى مركز العدسة بالضبط. ضع رؤوس الأسهم على الأشعة للإشارة إلى اتجاه سفرها.
2. بمجرد أن تضرب هذه الأشعة الساقطة العدسة، قم بانكسارها وفقًا لقواعد الانكسار الثلاثة للعدسات المجمعة.
الشعاع الذي يمر عبر النقطة البؤرية في طريقه إلى العدسة سوف ينكسر ويتحرك بالتوازي مع المحور الرئيسي. استخدم حافة مستقيمة لرسم مسارها بدقة. الشعاع الذي يسير موازيًا للمحور الرئيسي في طريقه إلى العدسة سوف ينكسر وينتقل عبر النقطة البؤرية. والشعاع الذي انتقل إلى مركز العدسة بالضبط سيستمر في نفس الاتجاه. ضع رؤوس الأسهم على الأشعة للإشارة إلى اتجاه سفرها. تمديد الأشعة بعد نقطة تقاطعها.
3. قم بتمييز صورة الجزء العلوي من الكائن.
نقطة الصورة في الجزء العلوي من الجسم هي النقطة التي تتقاطع فيها الأشعة الثلاثة المنكسرة. يجب أن تتقاطع الأشعة الثلاثة عند نفس النقطة تمامًا. هذه النقطة هي مجرد النقطة التي يتقاطع فيها كل الضوء من أعلى الجسم عند انكساره عبر العدسة. وبطبيعة الحال، فإن بقية الكائن لديه صورة أيضا ويمكن العثور عليها من خلال تطبيق نفس الخطوات الثلاث على نقطة أخرى مختارة. (انظر الملاحظة أدناه.)
4. كرر العملية لأسفل الكائن.
أحد أهداف المخطط الشعاعي هو تحديد موقع وحجم واتجاه ونوع الصورة التي تتكون بواسطة العدسة المحدبة المزدوجة. عادةً ما يتطلب ذلك تحديد مكان وجود صورة الطرف العلوي والسفلي للكائن ثم تتبع الصورة بأكملها. بعد إكمال الخطوات الثلاث الأولى، تم العثور على موقع الصورة للجزء العلوي من الكائن فقط. وبالتالي، يجب تكرار العملية للنقطة الموجودة أسفل الجسم. إذا كان الجزء السفلي من الجسم يقع على المحور الرئيسي (كما هو الحال في هذا المثال)، فستقع صورة هذه النقطة أيضًا على المحور الرئيسي وتكون على نفس المسافة من المرآة مثل صورة الجزء العلوي من الجسم . في هذه المرحلة يمكن ملء الصورة بأكملها. يجد بعض الطلاب صعوبة في فهم كيفية استنتاج الصورة الكاملة لجسم ما بمجرد تحديد نقطة واحدة في الصورة. إذا كان الكائن مجرد كائن رأسي (مثل كائن السهم المستخدم في المثال أدناه)، فستكون العملية سهلة. الصورة مجرد خط عمودي. من الناحية النظرية، سيكون من الضروري اختيار كل نقطة من الجسم ورسم مخطط شعاعي منفصل لتحديد موقع صورة تلك النقطة. سيتطلب ذلك الكثير من المخططات الشعاعية كما هو موضح في الرسم البياني أدناه.
ولحسن الحظ، يوجد طريق مختصر. إذا كان الكائن خطًا رأسيًا، فإن الصورة تكون أيضًا خطًا رأسيًا. لأغراضنا، سنتعامل فقط مع المواقف الأبسط التي يكون فيها الجسم خطًا رأسيًا يقع قاعه على المحور الرئيسي. في مثل هذه المواقف المبسطة، تكون الصورة عبارة عن خط عمودي يقع طرفه السفلي على المحور الرئيسي.
يوضح مخطط الشعاع أعلاه أنه عندما يقع الجسم في موضع يتجاوز النقطة 2F، فإن الصورة ستكون موجودة في موضع بين النقطة 2F والنقطة البؤرية على الجانب الآخر من العدسة. علاوة على ذلك، ستكون الصورة مقلوبة، ومصغرة الحجم (أصغر من الكائن)، وحقيقية. هذا هو نوع المعلومات التي نرغب في الحصول عليها من المخطط الشعاعي. ستتم مناقشة خصائص الصورة هذه بمزيد من التفصيل في القسم التالي من الدرس 5.
بمجرد ممارسة طريقة رسم المخططات الشعاعية عدة مرات، تصبح طبيعية مثل التنفس. ينتج عن كل مخطط معلومات محددة حول الصورة. يوضح الرسمان البيانيان أدناه كيفية تحديد موقع الصورة وحجمها واتجاهها ونوعها في المواقف التي يقع فيها الكائن عند النقطة 2F وعندما يقع الكائن بين النقطة 2F والنقطة البؤرية.
تجدر الإشارة إلى أن عملية إنشاء مخطط شعاعي هي نفسها بغض النظر عن مكان وجود الكائن. على الرغم من اختلاف نتيجة مخطط الشعاع (موقع الصورة وحجمها واتجاهها ونوعها)، إلا أنه يتم دائمًا رسم نفس الأشعة الثلاثة. يتم تطبيق قواعد الانكسار الثلاثة من أجل تحديد الموقع الذي يبدو أن جميع الأشعة المنكسرة تتباعد عنه (والذي بالنسبة للصور الحقيقية، هو أيضًا الموقع الذي تتقاطع فيه الأشعة المنكسرة).
Ray Diagram for Object Located in Front of the Focal Point
مخطط الشعاع للكائن الموجود أمام نقطة التركيز
في الحالات الثلاث الموصوفة أعلاه - حالة الجسم الذي يقع بعد 2F، وحالة الجسم الذي يقع عند 2F، وحالة الجسم الذي يقع بين 2F وF - تتقارب أشعة الضوء إلى نقطة بعد الانكسار من خلالها العدسة. في مثل هذه الحالات، يتم تشكيل الصورة الحقيقية. كما ناقشنا سابقًا، تتشكل الصورة الحقيقية عندما يمر الضوء المنكسر عبر موقع الصورة. في حين أن العدسات المتباعدة تنتج دائمًا صورًا افتراضية، فإن العدسات المتقاربة قادرة على إنتاج صور حقيقية وافتراضية. كما هو موضح أعلاه، يتم إنتاج الصور الحقيقية عندما يقع الجسم على مسافة أكبر من طول بؤري واحد من العدسة. يتم تشكيل صورة افتراضية إذا كان الكائن يقع على بعد أقل من البعد البؤري للعدسة المجمعة. لمعرفة سبب ذلك، يمكن استخدام مخطط شعاعي.
يظهر الرسم التخطيطي الشعاعي للحالة التي يقع فيها الجسم أمام النقطة البؤرية في الرسم التخطيطي الموجود على اليمين. لاحظ أنه في هذه الحالة تتباعد أشعة الضوء بعد انكسارها عبر العدسة. عندما تتباعد الأشعة المنكسرة، تتشكل صورة افتراضية. يمكن العثور على موقع الصورة من خلال تتبع جميع أشعة الضوء إلى الخلف حتى تتقاطع. بالنسبة لكل مراقب، تبدو الأشعة المنكسرة وكأنها تبتعد عن هذه النقطة؛ وبالتالي فإن نقطة تقاطع الأشعة المنكسرة الممتدة هي نقطة الصورة. وبما أن الضوء لا يمر فعليًا عبر هذه النقطة، فيشار إلى الصورة على أنها صورة افتراضية. لاحظ أنه عندما يكون الجسم موجودًا أمام البؤرة المركزية للعدسة المجمعة، فإن صورته تكون صورة قائمة ومكبرة تقع على جانب الجسم من العدسة. في الواقع، أحد التعميمات التي يمكن تطبيقها على جميع الصور الافتراضية التي تنتجها العدسات (سواء المتقاربة أو المتباعدة) هو أنها تكون دائمًا منتصبة وتقع دائمًا على جانب الجسم من العدسة.
مخطط الشعاع للكائن الموجود عند نقطة التركيز
لقد رأينا حتى الآن من خلال المخططات الشعاعية أن الصورة الحقيقية يتم إنتاجها عندما يقع الجسم على أكثر من بُعد بؤري واحد من عدسة متقاربة؛ وتتشكل الصورة الافتراضية عندما يقع الجسم على مسافة أقل من بؤرة واحدة من عدسة متقاربة (أي أمام F). ولكن ماذا يحدث عندما يقع الجسم في النقطة F؟ بمعنى، ما نوع الصورة التي تتشكل عندما يقع الجسم على بعد بؤري واحد بالضبط من العدسة المجمعة؟ بالطبع يعد المخطط الشعاعي دائمًا أداة واحدة للمساعدة في العثور على إجابة لمثل هذا السؤال. ومع ذلك، عند استخدام مخطط شعاعي لهذه الحالة، تتم مواجهة صعوبة فورية. يوضح الرسم البياني أدناه شعاعين ساقطين والأشعة المنكسرة المقابلة لهما.
وفي حالة الجسم الموجود عند النقطة البؤرية (F)، فإن أشعة الضوء لا تتقارب ولا تتباعد بعد انكسارها عبر العدسة. كما هو موضح في الرسم البياني أعلاه، تتحرك الأشعة المنكسرة بشكل موازٍ لبعضها البعض. وبعد ذلك، لن تتقارب أشعة الضوء لتشكل صورة حقيقية؛ ولا يمكن تمديدها للخلف على الجانب الآخر من العدسة لتتقاطع لتشكل صورة افتراضية. إذًا كيف ينبغي تفسير نتائج مخطط الشعاع؟ الجواب: لا يوجد صورة!! ومن المثير للدهشة، أنه عندما يقع الجسم في النقطة البؤرية، لا يوجد موقع في الفضاء يمكن للراصد أن يرى منه جميع الأشعة المنكسرة التي تبدو قادمة منه. لا يمكن العثور على الصورة عندما يكون الجسم موجودًا في النقطة البؤرية للعدسة المجمعة.
المصدر : https://www.physicsclassroom.com/class/refrn/Lesson-5/Converging-Lenses-Ray-Diagrams?fbclid=IwAR1QFKe2EpbPihrj6A-GjUGm5cFw3JJ4IgtDVd6Lm9tXYa9xm_QzY35hDwI
1. فيديو من قناة "شرح مادة الفيزياء":
https://www.youtube.com/watch?v=37b42i-gAZ8
يشرح هذا الفيديو أنواع الصور التي تُشكلها العدسة المحدبة (الحقيقية والافتراضية) في حالات مختلفة لموقع الجسم.
2. فيديو من قناة "أستاذ الفيزياء":
https://www.youtube.com/watch?v=HalPZFHwssA
يُقدم هذا الفيديو شرحًا تفصيليًا لقواعد رسم مخططات شعاعية للعدسة المحدبة، مع أمثلة تطبيقية.
3. فيديو من قناة "Mohsen Elhussini":
https://www.youtube.com/watch?v=efPagv94lbQ
يُركز هذا الفيديو على تطبيقات العدسات المحدبة في الحياة اليومية، مثل النظارات والكاميرات.
رد مع اقتباس