بحث عن الانعكاس والمرايا

مقدمة البحث

الحمد لله الذي جعل الضوء نعمة نرى بها ما حولنا، والصلاة والسلام على نبينا محمد. أما بعد، فإننا نرى الأشياء لأن الضوء يصدر منها أو يسقط عليها فيرتد إلى أعيننا. وحين ننظر في المرآة نرى صورتنا فيها، وحين ننظر إلى سطح الماء الهادئ نرى انعكاس الأشجار والسماء. وهذه الظواهر كلها تعود إلى خاصية أساسية للضوء هي الانعكاس. وفي هذا البحث نتعرف على الانعكاس وقوانينه وأنواع المرايا والصور التي تكوّنها وتطبيقاتها في حياتنا.

تعريف الموضوع

انعكاس الضوء هو ارتداد الضوء عند سقوطه على سطح عاكس عائدًا إلى الوسط الذي جاء منه. أما المرآة فهي سطح أملس مصقول يعكس معظم الضوء الساقط عليه، وتصنع غالبًا من لوح زجاجي مطلي من الخلف بطبقة رقيقة من معدن كالفضة أو الألمنيوم.

ومن المصطلحات المهمة في دراسة الانعكاس:

• الشعاع الساقط: الشعاع الذي يسقط على السطح العاكس.
• الشعاع المنعكس: الشعاع الذي يرتد عن السطح.
• العمود المقام (الناظم): خط خيالي عمودي على السطح العاكس عند نقطة السقوط.
• زاوية السقوط: الزاوية بين الشعاع الساقط والعمود المقام.
• زاوية الانعكاس: الزاوية بين الشعاع المنعكس والعمود المقام.

أهمية الموضوع

تكمن أهمية دراسة الانعكاس والمرايا في أنها تفسر ظواهر نراها كل يوم، وتدخل في أجهزة وتقنيات كثيرة كالتلسكوبات والمجاهر والمنظار المحيطي ومرايا السيارات وأطباق الطاقة الشمسية. كما أنها تعطي الطالب فهمًا لكيفية رؤيتنا للأشياء وتكوّن الصور.

أهداف البحث

• التعرف على مفهوم انعكاس الضوء وقانونيه.
• التمييز بين الانعكاس المنتظم والانعكاس المنتشر.
• دراسة المرايا المستوية وخصائص الصور فيها.
• دراسة المرايا الكروية المقعرة والمحدبة، وحل مسائل بمعادلة المرآة.
• التعرف على تطبيقات المرايا في الحياة.

قانونا انعكاس الضوء

1. زاوية السقوط تساوي زاوية الانعكاس.
2. الشعاع الساقط والشعاع المنعكس والعمود المقام عند نقطة السقوط تقع جميعها في مستوى واحد.

θ_i = θ_r

فإذا سقط شعاع على مرآة مستوية بزاوية قدرها ثلاثون درجة مع العمود المقام فإنه ينعكس بزاوية ثلاثين درجة أيضًا على الجهة الأخرى من العمود.

أنواع الانعكاس

ويخضع كلا النوعين لقانوني الانعكاس عند كل نقطة، لكن الأسطح الخشنة تكون عمودياتها المقامة في اتجاهات مختلفة فتتشتت الأشعة. ولولا الانعكاس المنتشر لما استطعنا رؤية الأشياء غير المضيئة من أي مكان في الغرفة.

المرايا المستوية

المرآة المستوية سطح عاكس مستوٍ، وهي أبسط أنواع المرايا. وخصائص الصورة المتكونة فيها:

• الصورة وهمية، أي لا يمكن استقبالها على شاشة لأنها تتكون من امتداد الأشعة خلف المرآة لا من تقاطعها الحقيقي.
• الصورة معتدلة أي غير مقلوبة رأسيًا.
• حجم الصورة يساوي حجم الجسم.
• بُعد الصورة خلف المرآة يساوي بُعد الجسم أمامها.
• الصورة مقلوبة جانبيًا، فيمين الجسم يظهر يسار الصورة، ولهذا تكتب كلمة «إسعاف» على سيارات الإسعاف مقلوبة جانبيًا لتُقرأ صحيحة في مرآة السائق الأمامي.

وإذا اقتربت من المرآة المستوية مسافة معينة اقتربت صورتك منها بالمسافة نفسها، فإن وقفت على بعد مترين منها كان بينك وبين صورتك أربعة أمتار.

المرايا الكروية

المرآة الكروية جزء من سطح كرة مصقول، وتنقسم إلى نوعين:

• المرآة المقعرة: السطح العاكس فيها هو الجهة الداخلية المجوفة من الكرة، وتسمى المرآة المجمعة لأنها تجمع الأشعة المتوازية الساقطة عليها في نقطة واحدة.
• المرآة المحدبة: السطح العاكس فيها هو الجهة الخارجية المنتفخة من الكرة، وتسمى المرآة المفرقة لأنها تفرق الأشعة المتوازية الساقطة عليها.

مصطلحات المرايا الكروية

• مركز التكور (C): مركز الكرة التي تعد المرآة جزءًا منها.
• نصف قطر التكور (R): المسافة بين مركز التكور وسطح المرآة.
• قطب المرآة (P): مركز سطح المرآة نفسه.
• المحور الرئيس: الخط المستقيم المار بمركز التكور وقطب المرآة.
• البؤرة (F): النقطة التي تتجمع فيها الأشعة المتوازية بعد انعكاسها في المرآة المقعرة، أو التي تبدو الأشعة المنعكسة صادرة منها في المحدبة.
• البعد البؤري (f): المسافة بين البؤرة وقطب المرآة، وهو يساوي نصف نصف القطر.

f = R / 2

الأشعة المميزة لرسم الصور

1. الشعاع الموازي للمحور الرئيس ينعكس مارًّا بالبؤرة (في المقعرة).
2. الشعاع المار بالبؤرة ينعكس موازيًا للمحور الرئيس.
3. الشعاع المار بمركز التكور ينعكس على نفسه لأنه يسقط عموديًا على السطح.

الصور في المرآة المقعرة

الصور في المرآة المحدبة

تكوّن المرآة المحدبة دائمًا صورة وهمية معتدلة مصغرة خلف المرآة، مهما كان موضع الجسم أمامها.

معادلة المرآة والتكبير

تربط معادلة المرآة بين البعد البؤري وبعد الجسم وبعد الصورة:

1/f = 1/d_o + 1/d_i

حيث الرمز d_o يعبر عن بعد الجسم عن المرآة، والرمز d_i يعبر عن بعد الصورة عنها. ويحسب التكبير من العلاقة:

m = h_i / h_o = − d_i / d_o

حيث الرمز h_i يعبر عن ارتفاع الصورة، والرمز h_o عن ارتفاع الجسم. وإذا كانت قيمة m سالبة فالصورة مقلوبة، وإذا كانت موجبة فهي معتدلة. وفي المقعرة يكون البعد البؤري موجبًا، وفي المحدبة سالبًا.

مثال محلول

وُضع جسم ارتفاعه ٢ سنتيمتر على بعد ٣٠ سنتيمترًا من مرآة مقعرة بعدها البؤري ١٠ سنتيمترات. أوجد موضع الصورة وتكبيرها.

1/d_i = 1/f − 1/d_o = 1/10 − 1/30 = 2/30

d_i = 15 cm

m = − d_i / d_o = − 15 / 30 = − 0.5

إذن الصورة تتكون على بعد خمسة عشر سنتيمترًا أمام المرآة، وهي حقيقية مقلوبة لأن قيمة m سالبة، ومصغرة إلى نصف حجم الجسم، فارتفاعها سنتيمتر واحد.

تطبيقات الانعكاس والمرايا

• المرآة المقعرة: مرايا الحلاقة والتجميل لأنها تكوّن صورة مكبرة معتدلة عند القرب، ومصابيح السيارات والكشافات لتجميع الضوء وإرساله في حزمة متوازية، والتلسكوبات العاكسة، وأطباق الطاقة الشمسية المركّزة.
• المرآة المحدبة: مرايا الرؤية الجانبية في السيارات ومرايا المنعطفات والمتاجر لأنها تعطي مجال رؤية واسعًا.
• المرآة المستوية: مرايا المنازل والمنظار المحيطي في الغواصات، حيث ينعكس الضوء على مرايا مائلة فيرى الملاحظ ما فوق سطح الماء.
• الألياف الضوئية: تعتمد على الانعكاس الداخلي الكلي في نقل الضوء والبيانات.

وللعلماء المسلمين فضل كبير في دراسة الضوء، ومنهم الحسن بن الهيثم الذي ألّف كتاب «المناظر» وقدّم فيه تفسيرًا علميًا للرؤية والانعكاس والانكسار، وأرسى أسس التجربة العلمية في دراسة الضوء.

النتائج

• الانعكاس ارتداد الضوء عن السطح العاكس، وفق قانون يساوي فيه زاوية السقوط زاوية الانعكاس.
• الانعكاس المنتظم على الأسطح الملساء، والمنتشر على الأسطح الخشنة.
• الصورة في المرآة المستوية وهمية معتدلة مساوية للجسم ومقلوبة جانبيًا.
• المرآة المقعرة مجمعة تكوّن صورًا متنوعة، والمحدبة مفرقة تكوّن صورة وهمية مصغرة دائمًا.
• تحسب مواضع الصور وتكبيرها بمعادلة المرآة وقانون التكبير.

الخاتمة

درسنا في هذا البحث ظاهرة انعكاس الضوء وقانونيها وأنواعها، وخصائص الصور في المرايا المستوية والكروية، وحللنا مثالًا بمعادلة المرآة، واستعرضنا تطبيقات المرايا في حياتنا. ونرى أن العلم بقوانين الضوء يفتح لنا أبوابًا واسعة في التقنية والاكتشاف، وهو من آيات الله في هذا الكون التي ندعى إلى التأمل فيها.

المراجع

• كتب الفيزياء للمرحلة الثانوية، وزارة التعليم في المملكة العربية السعودية.
• أساسيات الفيزياء، هاليداي وريسنك ووكر.
• الفيزياء الجامعية، يونغ وفريدمان.
• كتاب المناظر، الحسن بن الهيثم.

كلمات دليلية

بحث، بحث عن، بحث علمي، بحوث، الانعكاس والمرايا