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

تشكل الزاوية بين الشعاع الساقط والعادي عند نقطة السقوط تسمى زاوية السقوط، وتشكل الزاوية بين الشعاع المنكسر والعادي تسمى زاوية الانكسار.

ما هي زاوية السقوط

عند نقطة السقوط، يتشكل زاويتان من الشعاع الساقط والشعاع المنعكس، وتسمى الزاوية المتكونة بين الشعاع العمودي والشعاع الساقط زاوية السقوط، وتسمى الزاوية المتكونة بين الشعاع العمودي والشعاع المنعكس زاوية الانعكاس.

• يُسمى الشعاع الضوئي الذي يصطدم بالسطح المصقول الشعاع الساقط.
• يُعرف الشعاع الذي ينعكس بعيداً باسم الشعاع المنعكس.
• نقطة السقوط هي النقطة التي يصطدم فيها الضوء بالسطح.
• إذا رسم خط عمودي على تلك النقطة، يسمى الخط العمودي.

صيغة زاوية السقوط

تساوي زاوية الانعكاس زاوية السقوط وذلك بموجب قانون الانعكاس، حيثما تكون الزاوية المنعكسة وزاوية السقوط متساويتين دائمًا، ويحدث ذلك لأن كلاهما في نفس المستوى، وذلك بالنسبة للمستوى الطبيعي.

يتوقف قدر التغيير الذي يسببه شعاع الضوء في اتجاهه على زاوية سقوطه وتغير سرعته، وعندما يكون الشعاع بزاوية سقوط معينة ويتغير بشكل كبير في السرعة، يؤدي ذلك إلى تغيير كبير في الاتجاه والزاوية، وهذا ما يحدده قانون الانكسار أو قانون سنيل الذي اكتشفه العالم الرياضي الهولندي ويليبرورد سنيل في عام 1621، واكتشفه العالم الفيزيائي العربي ابن سهل في عام 984 واستخدمه في دراسته لأنعكاس المرايا المحترقة والعدسات.

وتكون الزوايتان بين الأشعة والعمودي هما الزوايا المرتبطة بالانكسار وتسمى الشعاع الوارد بالشعاع الساقط، وتسمى الشعاع الخارج بالشعاع المنكسر. ويعتبر قانون الانكسار مؤشرا مميزا للانكسار يمكن تطبيقه في وسط محدد. ولكن سنيل لم يدرك أن سرعة الضوء تختلف في الوسط الأخرى، وهذه حقيقة أساسية تستخدم في استنباط قانون الانكسار.

قانون الانعكاس

ينص قانون الانعكاس على أن زاوية الانعكاس تكون مساوية لزاوية السقوط. ومن المتوقع رؤية الانعكاسات على الأسطح الملساء. يمكن أيضا رؤية الانعكاسات على السطح الخشن، ولكن في هذه الحالة، يصطدم الضوء بأجزاء مختلفة من السطح بزوايا مختلفة وينعكس في اتجاهات متعددة أو بشكل منتشر. يمكننا رؤية الضوء المنتشر من أي زاوية ومن جميع الجوانب. من ناحية أخرى، يعكس المرآة الضوء بزوايا محددة ويحدث 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.

الإنعكاس الداخلي الكامل

يمكن للمرآة عالية الجودة أن تعكس أكثر من 90٪ من الضوء الساقط عليها، ولكنها تمتص النسبة المتبقية من الضوء. والمثير للاهتمام أننا يمكننا تحقيق الانعكاس الكلي باستخدام ظاهرة الانكسار. عندما يصطدم شعاع الضوء بين سطحين مختلفين، يتجاوز الشعاع الحدود وينكسر وينعكس الجزء المتبقي. ينحرف الشعاع بعيدا عن العمود العمودي، ويمكن للضوء أن ينعكس مرة أخرى بالكامل. يطلق على هذه الحالة اسم الانعكاس الداخلي الكلي، حيث تتبع الأشعة المنعكسة قانون الانعكاس بحيث تكون زاوية الانعكاس مساوية لزاوية السقوط في جميع الحالات.

الألياف البصرية

تستخدم الألياف الضوئية على نطاق واسع في التطبيقات التي تعتمد على الانعكاس الداخلي الكلي، وتستخدم في الاتصالات لنقل إشارات الهاتف والإنترنت والتلفزيون، كما يتم استخدامها لنقل الضوء داخل ألياف البلاستيك أو الزجاج. ونظرا لأن الألياف رقيقة، فإنه من 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 لتوجيه المزيد من الضوء على طولها من خلال الانعكاس الداخلي الكلي، وتنعكس هذه الأشعة حول الزوايا مما يجعل الألياف تبقى في أنابيب ضوئية صغيرة.

الألياف الضوئية تمثل ثورة في تقنيات الجراحة ويمكن استخدامها في العديد من الاستخدامات الطبية التشخيصية والعلاجية، ويمكن استخدامها في إجراء الجراحة بالمنظار على المفاصل مثل الركبة والكتف باستخدام أدوات القطع الملحقة بالمنظار والتي يتم الاطلاع عليها، كما يمكن الحصول على عينات عن طريق فحص ورم في الأمعاء للفحص الخارجي، وتسمح مرونة حزمة الألياف البصرية للأطباء بالتنقل في مناطق صغيرة في الجسم التي يصعب الوصول إليها

أصبحت عمليات نقل الليزر المكثف لحرق اللويحات المسدودة في الشرايين الرئيسية وتوصيل الضوء لتفعيل أدوية العلاج الكيميائي شائعة في أجزاء مختلفة من الجسم مثل الأمعاء والقلب والأوعية الدموية والمفاصل. ويمكن بهذه الطريقة إجراء الجراحة المجهرية والجراحة عن بعد حيث لا يحتاج الجراح إلى لمس الأنسجة المريضة بشكل مباشر، بل يمكن للألياف الضوئية الصغيرة التي تستخدم كأدات جراحية الوصول إلى المكان المراد الوصول إليه.

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.

سرعة الضوء

سرعة انتشار الضوء في المادة تكون أقل من سرعته في الهواء أو الفراغ، وذلك لأن الضوء يتفاعل مع الذرات الموجودة في المادة. كما أن سرعة الضوء تعتمد بشكل كبير على نوع المادة، حيث يختلف تفاعل الضوء مع الذرات والشبكات البلورية. ومع ذلك، يمكننا تحديد ثابت لكل مادة يصف سرعة الضوء فيها، وهذا ما يسمى بمؤشر الانكسار

ونظرا لأن سرعة الضوء دائما أقل من سرعة المادة وتتساوى فقط في الفراغ، فإن معامل الانكسار يكون دائما أكبر من الواحد. وهذا يشير إلى خصائص الانكسار لبعض المواد. وبناء على الطول الموجي المحدد للضوء، يختلف المعامل قليلا حسب الطول الموجي، وقد يؤدي ذلك إلى تأثيرات هامة مثل تفريق الألوان.