الضوء و البصرياتLight and optics

محمد السيد جالل/ د .أ

أستاذ بقسم األراضى

جامعة عين شمس –كلية الزراعه

galal6@hotmail.com

المحاضرة األولى

هو الجزء المرئى من الطيف الكهرومغناطيسى والذى تستطيع: الضوء

بالنسبه لعين األنسان والطول الموجى للضوء المرئى. العين األحساس به

نانوميتر740-380يتراوح مابين

محمد جالل / د .أ

طبيعة الضوء

( نيوتن ) نظرية الجسيمات :أوالً

الضوء عبارة عن جسيمات صغيرة جداً تامة المرونة تسمى

اً فوتونات تسير فى خطوط مستقيمة بسرعة كبيرة جد

أمكن لهذه النظرية تفسير ظاهرة أنعكاس الضوء -

ها عجزت هذه النظرية عن تفسير ظاهرة أنكسار الضوء كما أن-

عجزت أيضاً عن تفسير ظواهر أخرى مثل حيود الضوء وأستقطابه

محمد جالل / د .أ

" هيجنز"مفهوم -النظرية الموجية :ثانياً

ب الضوء ينتشر على صورة موجات مركزها الجسم المضئ مما يسب-

ذبذبة جزيئات الوسط فى أتجاه عمودى على أتجاه أنتشار الموجة

ول الضوئية و بالتالى يمكن لألمواج أن تلتف حول الحواجز لنرى ح

الزوايا واألركان

كل نقطة على صدر الموجة الضوئية تعتبر مصدر لمويجة جديدة-

سير نجحت النظرية الموجية لهيجنز في تف-االنعكاس مثل ئيهالضوظواهربعض ال

. واالستقطابوالحيود واالنكسار والتداخل ولكنها فشلت في تفسير الظاهرة

.الكهروضوئية

محمد جالل / د .أ

" ماكسويل" النظرية الكهرومغناطيسية :ثالثاً

الضوء عبارة عن موجات كهرومغناطيسية ذات ترددات عالية و -

طولها الموجى متناهى الصغر

أمكن لهذه النظرية تفسير قوانين األنعكاس و األنكسار و التداخل و -

الحيود

المجال المغناطيسى

المجال الكهربى

أتجاه حركة الموجه الضوئيه

محمد جالل / د .أ

تفسير ينشتين في أنجح 1905في بداية القرن العشرين

رضتفأبالعودة إلي النظرية الجسيمية والظاهرة الكهروضوئية

ى أن الضوء عبارة عن كمات من الطاقة تسمى فوتونات و الت

فاعل أى أنتقال الطاقة و تالظاهرة الكهروضوئيةيمكن أن تفسر

الضوء مع المادة التى يسقط عليها

Photon Theory" نظرية الفوتون"النظرية الكمية للضوء :رابعاً

محمد جالل / د . أ

لى أسقط أينشتاين أشعة ضوئية ع

فوجد أن بعض اإللكترونات عدنم

وبعد . هذا المعدنقد تحررت من

دراسته لما يحدث قام بتعريف

ة الضوء على أنه جسيمات ذات كتل

. ت مساوية للصفر وسميت فوتونا

أي أن الفوتونات تسلك سلوك

الموجات أثناء حركتها مما يفسر

ظاهرة الحيود، وعند اصطدامها

ل بجسيمات مادة موصلة أخرى تنتق

طاقة الفوتونات إليها على هيئة

كمات من الطاقة تساعدها على . المادةهذه التحرر من قيود

فوتونات ضوئيه ألكترونات تخرج

من سطح المعدن

معدن الصوديوم

محمد جالل / د

خصائص الظاهرة الكهروضوئية تتحقق الظاهرة الكهروضوئية اذا كان تردد :أوال

ردد التالموجات الساقطة أكبر من تردد معين يسمى

الحرج

التردد الحرج

هو أقل تردد للضوء الساقط يكفي النبعاث

االلكترونات من سطح الفلز دون إكسابها طاقة

حركة ويعتمد على نوع المادة التي تغطي سطح

الكاثود

يحدث االنبعاث الكهروضوئي بمجرد سقوط :ثانيا

الموجات الكهرومغناطيسية ذات التردد المناسب

على سطح الكاثود مهما كانت شدة هذه الموجات

تحقق الظاهرة ال يحتاج إلىانضعيفة بمعنى

تخزين طاقة

يعتمد عدد االلكترونات المنبعثة من سطح :ثالثا

داد الكاثود على شدة الضوء الساقط بمعنى أنه تز

ة شدة التيار المار في دائرة الخلية الكهروضوئي

بزيادة شدة الضوء الساقط

ت تزداد القيمة العظمى لطاقة حركة االلكترونا:رابعا

ساقطالمنبعثة من سطح الفلز بزيادة تردد الضوء المحمد جالل / د

ضوءأنبوبة مفرغة

الهواء

سطح

معدنى

أميتر

سطح

معدنى

دي لويسالعالم الفرنسيوظل هذا الغموض حتى أوضح

أن للضوء طبيعة مزدوجة Louis de Broglie 1924برولي

ة ما يتفق ونظريب)فهو يسلك سلوك الموجة تحت بعض الظروف

تفق ما يب)، ويسلك سلوك جسيم أو فوتون تحت ظروف أخرى (هيجنز

(.مع نظرية نيوتن

محمد جالل / د .أ

Wave Length الطول الموجى

المسافه بين أى نقطتين متشابهتين ومتتاليتين على مسار الحركه الموجيه

c = *

الطوللتردد ا

الموجى

سرعة الضوءالطول الموجى

محمد جالل / د .أ

الطول الموجى

الطول الموجى

عدد الموجات الطولية التى تمر بنقطة واحدة خالل الثانية : التردد

.ال يتغير التردد بتغير الوسط الذى يسير به الضوء–( Hzهرتز )

= Cعالقة عكسية بين التردد و الطول الموجى * λ

تتناسب طردياً مع ترددها Eطاقة الموجة الضوئية

E = h *

λتتناسب عكسياً مع الطول الموجى Eطاقة الموجة الضوئية

Cتتناسب طردياً مع سرعتها Eطاقة الموجة الضوئية

E = h * ) C / λ )

(ثانية / جول 6.626 *10-34) h= ثابت بالنك

محمد جالل / د .أ

تأثير تغير الوسط على الطول الموجى والسرعة والتردد للموجة الضوئية

التردد فى الوسط األول = التردد فى الوسط الثانى

1 = 2

C1 / λ1 = C2 / λ2

بتغير الوسط يتغير كل من الطول الموجى والسرعة للموجه الضوئية الواحدة ولكن ترددها ال يتغير

λC

الطيف الكهرومغناطيسىمحمد جالل / د .أ

القدرة على أختراق

الغالف الجوى

الطول الموجى

التردد

ره من نقطةافي مسالضوء يسلك" : قاعدة فيرما

”وقت ممكنلقأإلى أخرى الطريق الذي يأخذ فيه

الضددوء وسددط جديددد ،يحدداول إختصددار الددزمن الددالزم لقطددع عنددد دخددول

وئية عدن مسافة معينة في هذا الوسط الجديد والذي يزيد في كثافتده الضد

كثافة وسط السقوط

ء نفدس المسدافة التدي يقطعهدا الضدوء فدي الفدرا أثندا: المسير البصري

. الزمن الذي يقطع فيه الضوء مسافة محددة خالل وسط ضوئى أخر

Pierre de Fermat عالم رياضيات

( 1665–1601( وفيزيائى فرنسي

محمد جالل / د .أ

ل لمبدة من المصدر حيث يكون الجسم نفسه مصدراً للضوء مثالضوء مباشرة ينبعث( أ

ألخ ... ، لهب ، الشمس ، نجم ما

-معدددل أنبعدداث طاقددة الضددوء مددن المصدددر المضددئ Luminescenceضدداءة ظدداهرة اإل

وهددى خاصددية للمصدددر Candleوالوحدددة القديمددة تسددمى شددمعةLumenوحددداتها

المضئ مثل الشمس

وفدي هدذه -مثدل القمدر –جسدم عدن طريدق انعكداس الضدوء منده الضدوء مدن ينبعدث( ب

صناعيةالحالة يكون الضوء أساساً إما من الشمس أو من مصادر

.لإلضاءة أو من أية مصادر أخري

معدل سقوط الضوء علىilluminanceظاهرة األستضاءة

( Luxوحداتها -وحدة المساحة من سطح الجسم المستضاء

Photometer

Lux = 1 Lumen / m2

سرعة الضوء فى الفراغ

• Olaf Roemer noticed variations in the eclipse times of the innermost moon of Jupiter.

(1710–1644(عالم فلك دنماركى •

• When the Earth moved away from Jupiter, the moon appeared to stay behind the planet 22 minutes longer than when the Earth was moving towards Jupiter.

• He used the equation: c = (d1- d2) / (t1 - t2)

– t2 = time of eclipse when the Earth is moving toward Jupiter

– t1 = time of eclipse when the Earth is moving away

– d2 = distance the Earth moves during t2.

– d1 = distance the Earth travels during time t1,

• Roemer determined that c = 2.1 x 108 m/s.

Olaf Roemerطريقة رومر

E2

Moon

J2

الفرق فى زمن خسوف

=القمر فى الحالتين

دة دقيقه بسبب زيا22

التى يقطعها المسافة

الضوء و هى تساوى

قطر دوران األرض

حول الشمس

عالم فلك دنماركى

)1644–1710)

E1

E2

J1

J2

Fizeau’s 1849 Experiment)فيزيائي فرنسي (1896-1819آرماند هيبوليت لويس فيزو

مرآه مستويه

مصدر ضوئى

لوح زجاجىعجله مسننه تدور حول محورها

الزمن الالزم ليقطع الضوء

المسافه بين العجله المسننه

و المرآه المستويه ذهاباً و

أياباً

=

الزمن الالزم لتحل فتحه

فى العجله المسننه محل

الفتحه التى تليها

L

2L / C=1 / (n * N)

N = ( ث / دوره ) سرعة دوران العجله

n = عدد أسنان العجله

المسافه بين المرآه المستويه

و العجله المسننه

Michelson’s 1878 Experimentتجربة ميكلسون

مصدر ضوئى

المرآه التى تدورحول محورها

المرآه الثابته

المسافه بين المرآه الثابته و المتحركه

( 1852 –1931)فيزيائى أمريكى

الزمن الالزم ليحل وجه

محل الوجه الذى يليه =

الزمن الالزم ليقطع الضوء

المسافه بين المرآه الثابته و

المتحركه ذهاباً و أياباً

1 / (n * N) = 2L / C

L

N = عدد أوجه المرآه

n = سرعه دوران المرآه

سلوك الضوء فى األوساط المختلفه

Reflectionاالنعكاس-1

Refractionاالنكسار-2

Total internal reflectionاألنعكاس الكلى الداخلى-3

Interferenceالتداخل-4

Diffractionالحيود-5

Polarizationاالستقطاب-6

Scatteringالتشتت -7

Light absorptionأمتصاص الضوء-8

Reflection األنعكاس: أوالً

يحدث عندما يكون

سطح الجسم العاكسالً مصقوالً كالمرآة مث

يحدث عندما يكون السطح

عة خشناً ، فتتفرق األش.ة المنعكسة بزوايا مختلف

إنعه ف" معرآة مسعتوية"فعندما يسقط شععاع ضعوئي علعي سعطح ععاكس مسعتو

:وهماس هو موضح بالشكل تبعاً لقانوني االنعكاكما أنعكاس منتظم ينعكس

والشعععاع المععنعكس amالشعععاع السععاقط -1

mbالسععقوط ةوالعمععود المقععا مععن نقطعع

mn تقععععع جميعهععععا فععععي مسععععتوى واحععععد

.عمودي على السطح العاكس

.rتساوي زاوية االنعكاس iالسقوطزاوية -2

شعاع ساقط شعاع منعكس

العمود المقام على نقطة السقوط

نقطة السقوط على السطح العاكس

المرايا

Spherical Mirrorsالمرايا الكريه -ب

Convex mirrorمرايا محدبه-1

–قيمه سالبه = fو بعدها البؤرىRنصف قطر تكورها

السطح العاكس من الخارج–تفرق الضوء –

Concave mirrorمرايا مقعره -2

+قيمه موجبه = fو بعدها البؤرىRنصف قطر تكورها

السطح العاكس من الداخل–تجمع الضوء –

Flat Mirrorالمرايا المستويه -أ

∞= fو بعدها البؤرىRنصف قطر تكورها

المرآه المستويه ال تكذب أبداً

تكون الصوره بواسطة مرآه مستويه

بعد الجسم عن المرآه بعد الصوره عن المرآه

h

h

P

qM

\

الجسم الصوره

P= بعد الجسم عن المرآه q= بعد الصوره عن المرآه

h= أرتفاع الجسم /hأرتفاع الصوره =

M= التكبير

-

مقعره محدبه

المرايا الكريهConvex

Concave

المحور الرئيسى

قطب المرآه

(المه)تكون الصوره بواسطة مرآه مقعره

R= نصف قطر تكور المرآه

p=بعد الجسم عن المرآه

q=بعد الصوره عن المرآه

h= طول الجسم

h/= طول الصوره

(مفرقه)تكون الصوره بواسطة مرآه محدبه

بعد الجسم عن المرآهبعد الصوره

عن المرآه

نصف قطر

تكور المرآه

أمام المرآهخلف المرآه

الجسملصورها

البؤره

القانون العا للمرايا

1 1 1

p q f

2

Rf

مقلوب البعد البؤرى بالمتر= dioptre (D)قوة المرآه

R= نصف قطر تكور المرآه

f=البعد البؤرى P= بعد الجسم عن المرآه q= بعد الصوره عن المرآه

M = h/ / h

= -q / p

h= أرتفاع الجسم /hأرتفاع الصوره =

M= التكبير

D = 1 / f (m) = 100 / f (cm)

؟ما هى خواص الصورة المتكونة

سالبة تكون الصورة المتكونة تقديرية qإذا كانت -1

موجبة تكون الصورة المتكونة حقيقية qإذا كانت -2

فالصورة مقلوبة ( أقل من صفر ) سالبة Mإذا كانت -3

فالصورة معتدلة( أكبر من صفر ) موجبة Mإذا كانت -4

أقل من واحد فالصورة مصغرة Mإذا كانت -5

أكبر من واحد فالصورة مكبرة Mإذا كانت -6

q is positive when real; negative when virtual.

M is positive when image erect; negative inverted.

h and h’ are positive when erect; negative inverted.

Spherical Aberration of mirrorالتشوه الكروى للمرايا

بؤرة األشعه الطرفيه

بؤرة األشعه الوسطيه تصنع المرايا على شكل قطع ناقصهذا العيب لعالج

تعريفات مهمه

المسافة من قطب المرآة الى مركز التكور : Rنصف قطر تكور المرأة •

نقطة تالقى أقطار المرآة : مركز التكور•

نقطة تتوسط سطح المرأة العاكس : قطب المرأة•

المسافة بين مركز تكور المرأة و قطب المرأة : المحور البصرى•

المسافة بين مركز تكور المرأة و أى نقطة على سطح المرأة : المحور الثانوى•

القادمة من الماالنهاية ) نقطة ألتقاء األشعة المتوازية : البؤرة األصلية•

والموازيه للمحور البصرى(

(القادمة من الماالنهاية ) نقطة ألتقاء األشعة المتوازية : البؤرة الثانوية•

والغير موازيه للمحور البصرى

المسافة بين البؤرة األصلية و قطب المرأة : Fالبعد البؤرى •