المرايا والعدسات .. وظائفهما وطبيعة عملهما ومقانة بين كلا النوعين ...

اولا : العدسات 

العدسة هى قطعة من مادة شفافة للضـوء ذات سطحين منحنيين و عادة يكونا كرويين أى أن كل سطح منهما يعتبر جزءا من سطح كرة .  و تستخدم العدسات فى الآلات البصرية مثل النظارة الطبية و الكاميرا والميكروسكوب و التليسكوب وغيرها حيث ينكسر الضوء عند مروره خلال العدسة مكونا صورة للجسم الصادر منه الضوء . و تصنع العدسات بأشكال مختلفة ومن أنواع مختلفة من الزجاج و المواد الشفافة و لكن جميعها يمكن أن تنقسم إلى نوعين عدسات لامة و عدسات مفرقة 

تـكوين الصـــور بواسطة العدســـات :

 تكوين الصور بواسطة العدسات :

إذا وضع جسم أمام عدسة فإن كل نقطة من نقاط هذا الجسم سيصدر منها أشعة ضوئية فى جميع الاتجاهات و يمر جزء من هذه الأشعة خلال العدسة مكونا صورة للجسم الموضوع أمامها . و تختلف العدسات عن المرايا فى أن الضوء يمكن أن يمر خلالها من كلا الوجهين . ولذلك عند تحديد مسار الضوء فى العدسة نبدأ البؤرة الأصلية على كل جانب من جانبى العدسة . و فى حالة العدسة الرقيقة و هى التى يكون سمكها أقل بكثير من بعدها البؤرى ومن بعد الجسم أو بعد الصورة عنها فى هذه الحالة تكون البؤرة 

على نفس البعد بالنسبة لكل من الوجهين.          

ثانيا : المرايا 

هي أداة لها القابلية على عكس الضوء أو الصوت 

بطريقة تحافظ على الكثير من صفاتهما الأصلية قبل ملامسة سطح المرآة. وتعمل بعض المرايا على ترشيح 

بعض الأطوال الموجية، بينما تحافظ على أطوال 

موجية أخرى عند الانعكاس، وهذا يختلف عن الأدوات الأخرى العاكسة للضوء، والتي لا تحافظ على الكثير 

من خواص الموجة الأصلية عدا اللون، وتعمل على 

تشتيت الضوء المعكوس. أكثر المرايا شيوعاً هي 

المرآة المسطحة، وقد تستخدم المرايا المنحنية 

لتكوين صورة مكبرة أو مصغرة أو لتركيز الضوء أو تشتيت الصورة المعكوسة.

تستخدم المرآة للتأنق الشخصي والتزيين والبناء، كما تستخدم المرايا أيضاً في الأدوات العلمية مثل 

التلسكوب والليزر والكاميرا والأدوات الصناعية. تصمم معظم المرايا للاستخدام مع الضوء المرئي، 

وهناك أنواع من المرايا مصممة لأنواع أخرى من الموجات أو الأطوال الموجية أو الموجات 

الكهرومغناطيسية، وخاصة في الأدوات غير البصرية.

في المرآة المسطحة، يتغير اتجاه الشعاع الضوئي المتوازي بشكل كامل ولكنه يبقى متوازياً، والصور المتكون من المرآة المسطحة هي صورة بصرية، لها نفس حجم العنصر الأصلي.

في المرايا المقعرة تتجمع الإشعاعات الضوئية المتوازية وتتقاطع في بؤرة المرآة.

في المرايا المحدبة تتباعد الإشعاعات الضوئية المتوازية وتبتعد عن نقطة التقاطع المشتركة خلف المرآة.

صورة المرآة :

إذا نظر شخص ما إلى المرآة فإن صورته ستنعكس في المرآة (مثلاً: إذا رفع الناظر إلى المرآة يده اليمنى فإنه سيبدو في المرآة وكأنه قد رفع يده اليسرى).

 المرايا المحدبة :

توفر المرايا المحدبة نطاقاً أوسع للرؤية من المرايا المسطحة، وتستخدم عادة في المركبات، وبخاصة الشاحنات الكبيرة، للتقليل من بقع العمى، وتوضع في بعض الأحيان هذه المرايا عند تقاطع الطرقات وفي زوايا بعض المواقع مثل أماكن ركن السيارات لتمكين الناس من الرؤية حول الزوايا ولتفادي الاصطدام بالسيارات أو عربات التسوق، وتستخدم كذلك كجزء من أنظمة الحماية، بحيث يصبح بمقدور كاميرا فيديو واحدة عرض أكثر من زاوية واحدة في الوقت نفسه.

المرايا المقعرة : 

مرآة الفم أو مرآة الأسنان يستخدم أطباء الأسنان مرايا الفم أو مرايا الأسنان لمشاهدة الأسنان وداخل الفم بشكل غير مباشر، ويكون السطح العاكس لهذه المرايا إما مسطحاً أو منحنياً، ويستخدم المهندسون هذه المرايا للرؤية في الأماكن الضيقة وفي الزوايا الضيقة للمعدات.

مرايا الرؤية الخلفية :

تستخدم مرايا الرؤية الخلفية بشكل واسع في 

المركبات (مثل السيارات والدراجات الهوائية 

لتمكين السائقين من مشاهدة المركبات القادمة من 

خلفهم. تحتوي بعض خوذ الدراجات النارية على نظام 

عاكس بصري متعدد (MROS) وهو عبارة عن مجموعة من 

الأسطح العاكسة داخل الخوذة تعمل مع بعضها البعض 

كمرآة للرؤية الخلفية. وفي النظارات الشمسية 

للرؤية الخلفية، تكون النهاية اليسرى للزجاجة 

اليسرى والنهاية اليمنى للزجاجة اليمنى عبارة عن 

مرآة للرؤية الخلفية.

البصريات 

تعاني نسبة كبيرة من الناس من ضعف البصر، نتيجة خلل في انكسار الضوء الداخل إلى العين.
ويمكن قياس حدة الإبصار أو البصر بالنظر إلى لوحات فحص النظر التي تحتوي على حروف أو أرقام أو صور مختلفة، والوقوف على بعد 6 أمتار منها. وتفحص كل عين على حدة.
ويعتبر النظر جيداً 6/6 إذا استطاع القارئ أن يرى آخر سطر من الحلقات الصغيرة في اللوحة.

كيف ترى العين الصور المختلفة:
العين هي عبارة عن آلة تصوير حية، فعدسة الكاميرا تقابلها عدسة العين لتجميع الصورة. وفيلم الكاميرا يقابلها شبكية العين لتنطبع عليها الصورة الأولية (المعكوسة)
الـ Negative وكل (لقطة صورة) للكاميرا هي عبارة عن حركة واحدة للعين، أو غمضة للجفن. وكما يحمض فيلم الكاميرا في المختبر، كذلك تحلل صورة الشبكية في المركز البصري. وكما يضبط وضوح الصورة، وبعد المسافة، في الكاميرا، كذلك يتغير حجم البؤبؤ، ويتغير تحدب العدسة، حسب قرب أو بعد الصورة عنها.

وظيفة العين:

وظيفة العين هي الإبصار. ومن البديهي أن أول خطوة لفحص العين هي فحص النظر، ابتداء من سن الطفولة، ومرة في كل عام. ونظر الإنسان الطبيعي هو 6/6 لكل عين، وأي تدخل في طبيعة العين، أو أي التهاب أو حادث يصيبها، يمكن أن يؤثر في قوة النظر. كذلك أي مرض أو حادث يؤثر على الأعصاب البصرية للعين أو المركز البصري قد يؤدي إلى ضعف أو فقدان في البصر 

أعراض النظر غير الطبيعي:
ويمكن تلخيصها بفرك العين، وبتقطيب في الجبهة، وبالحساسية للضوء، وبتضييق فتحة الجفون، وبازدياد في الترميش، وبكثرة تدميع العين.
تكون هذه الأعراض مصحوبة، أحيانا، بصداع في الرأس، وارهاق سريع عند القراءة

       ثانيا : الضوء     

-تعتبر الموجات الضوئية صورة من صور الطاقة الاشعاعية الكهرومغناطيسية تنتقل على هيئة موجات تؤثر على العين و تسبب الاحساس بالرؤية.

سرعة الضوء

السرعة الدقيقة للضوء هي 299,792,458 متر في الثانية (1,079,252,848.8

 كيلومتر في الساعة) في الفراغ. وعند عبور الضوء خلال مواد شفافة مثل الزجاج 

أو الهواء تقل سرعته، وتختلف سرعة الضوء خلال مروره في المواد حسب طبيعة

شفافيتها وتصبح اقل من تلك المحسوبة في الفراغ، والنسبة بين سرعة الضوء في 

الفراغ وسرعته خلال مادة تسمى معامل الانكسار. كذلك تتغير سرعة الضوء بتأثير

 الجاذبية ما يولد ظاهرة عدسات الجاذبية

مصادر الضوءيساعدنا الضوء على أن نرى، ومعظم الأشياء التي نراها، كالشمس وضوء الغرفة هي مصادرللضوء. ويمكن أن نرى بقية الأشياء لأن الضوء يرتد من المصدر ويسير إلينا. ويمكن أنيُصنّف مصدر الضوء إلى مصادرطبيعيةومصادراصطناعية.فالضوء الطبيعييأتي من المصادر التي لا يمكننا التحكّم فيها مثل الشمس والنجوم. ويأتي الضوءالاصطناعي من مصادر يمكن التحكم فيها كضوء الشموع وضوء السيارات، والضوءالكهربائي.

إنعكاس الضوء : إرتداد موجات الضوء عندما يقابلها سطح معدنى لامع أو سطح مصقول (مرآة). 
1- السطح العاكس : سطح مصقول أو نصف مصقول يكون مستوياً أو محدباً أو مقعراً. 
2- الشعاع الساقط : حزمة ضوئية ضيقة تمثل بخط مستقيم يصل إلى السطح العاكس. 
3- نقطة السقوط : نقطة تلاقى الشعاع الساقط مع السطح العاكس. 
4- الشعاع المنعكس : حزمة ضوئية ضيقة تمثل بخط مستقيم مرتد من السطح العاكس. 
5- زاوية السقوط : الزاوية المحصورة بين مسار الشعاع الساقط والعمود المقام من نقطة السقوط على السطح العاكس. 
6- زاوية الإنعكاس : الزاوية المحصورة بين مسار الشعاع المنعكس والعمود المقام من نقطة السقوط على السطح العاكس. 

القانون الأول للإنعكاس : زاوية السقوط = زاوية الإنعكاس. 

القانون الثاني للإنعكاس : الشعاع الضوئى الساقط والشعاع الضوئى المنعكس والعمود المقام من نقطة السقوط على السطح العاكس تقع جميعها في مستوى واحد عمودي على السطح العاكس. 

إنكسار الضوء 
المقصود به هو ... تغيير مسار الضوء عند إنتقاله من وسط شفاف إلى وسط آخر شفاف يختلف عنه في الكثافة الضوئية. 
سبب إنكسار الضوء : إختلاف سرعة الضوء في الأوسط الشفافة المختلفة. 
مظاهر إنكسار الضوء : النظر إلى مسطرة موضوعة في كوب مملوء بالماء من زوايا مختلفة. 
رؤية قطعة النقود في قاع كوب زجاجي به ماء (مواضع ظاهرية غير حقيقية). 
النظر إلى سطور صفحة الكتاب الموضوع عليها متوازي مستطيلات زجاجي. 

2 – ما مدى شدة الأصوات التي تسمعها الأذن البشرية؟

تقاس شدة الأصوات باصطلاح الـ (ديسيبل) Decible وهي وحدة اخترعها مهندس لتساعد على تفسير المدى الواسع من الأصوات الذي يمكن للأذن البشرية أن تتأثر به، والقائمة التالية توضح بعض الأصوات الواسعة المدى والمتفاوتة:

المصدر    قيمته بالديسيبل

أخفت الأصوات    صفر

حفيف أوراق الأشجار     8

الصفير    10 – 20

الأصوات المنزلية  20 – 30

السيارات  40 – 50

المحادثة   50 – 60

المرور المزدحم   70 – 80

آلة الحفر  90 – 100

الرعد      110

3 – ما الفرق بين الموسيقى والضوضاء؟

عندما نشد وتر كمنجة فسوف تصدر عن ذلك نغمة موسيقية، لأن وتر الكمنجة سوف يهتز بدرجة منتظمة.

ويحدث الاهتزاز نفسه عندما نعزف على مفتاح بيانو.

ويعتبر الصوت موسيقياً عندما يصدر شيء ذو ذبذبات منتظمة.

أما عندما تسقط كرة على الأرض، أو عندما يفيض الماء من صنبور، فستحدث عندئذٍ ذبذبات غير منتظمة مثل إقفال الباب، أو دقّ شيء ما.

وتنتج الموسيقى عن التذبذبات التي تحدث بدرجة مستمرة لفترة معينة من الزمن.

أما الصوت ذو الضوضاء، فيحدث لذبذبات غير منتظمة لا تجد فيها الأذن أي نظام أو معنى.

4 – لماذا يجب ضبط الآلات الموسيقية الهوائية؟

إن سبب ضبط هذه الآلات يُعْزَى إلى ارتفاع درجة حرارة الآلة الموسيقية التي نعزف عليها، فكلما زادت درجة حرارة الآلة الموسيقية، زادت سرعة الصوت الذي يمر في هذه الآلة. فإذا أخذنا أنبوبتين متشابهتين مفتوحتين من الطرفين، فإن الصوت الذي يصدر عن كل منهما يبدو متشابهاً، وعند رفع درجة حرارة إحداهما عن طريق وضع تيار من الماء الساخن وتبريد الأخرى، فإن الصوت الصادر من الأنبوبتين يبدو مختلفاً، بحيث تصدر النغمة الأكثر حدة من الساخنة، وهذا يعني أن الأنبوبة الساخنة يمكنها أن تنقل ذبذبات صوتية في الثانية أكثر عدداً من التي تنقلها الأنبوبة الباردة. ولذلك تكون النغمة عالية التردد، وحادة.

5 – ما هو الرعد؟

الرعد هو مجرد تأثير ثانوي يسببه البرق، فهو ينتج من اندفاع الهواء في الفراغ الذي تحدثه الصاعقة. ويصل إلى السامع عادة متأخراً بعض الوقت عن رؤية الوميض، وذلك لأن الصوت يسير بسرعة أبطأ بكثير من الضوء.

ولا يجدينا نفعاً أن نخاف الرعد، إذ إنه في الوقت الذي يصل فيه الصوت إلى أسماعنا، يكون السهم الكهربي قد قام بعمله فعلاً.

6 -  ما هو أعلى صوت سُمع حتى الآن؟

يعتبر أعلى صوت سُمع في العصر الحديث، وهو صوت بركان (كاراكتاو) الموجود في جزر الهند الشرقية سنة (1883) وقد كان هذا الصوت أعلى من صوت أي انفجار ذري أو هيدروجيني حتى وقتنا هذا، حتى أن صوت انفجار البركان سُمع في أستراليا التي تبعد عنه مسافة ألفي ميل، وقد استمر الانفجار المروع لمدة 36 ساعة، وتسبَّبَ عنه نسفُ نصف الجزيرة. وقد كان الانفجار الأخير في 27 آب (أغسطس) 1883 وله من الطاقة الصوتية ما جعله يدور حول الكرة الأرضية سبع مرات، لا مرة واحدة، قبل أن يخفت الصوت. وقد محت موجات المد التي نتجت عن البركان مئات القرى من الوجود، إذ بلغ ارتفاع هذه الأمواج 100 قدم، وبسرعة 700 ميل/ ساعة حيث تلاشت على سواحل كاليفورنيا وأستراليا.

8 – كيف تسمع آذاننا؟

تتركب آذاننا من ثلاثة أجزاء :

1 – الآذن الخارجية.

2 – الأذن الوسطى.

3 – الأذن الداخلية.

وتجمع الأذن الخارجية الأصوات، وتوجّه الموجاتِ الصوتية خلال القناة السمعية إلى طبلة الأذن، وطبلة الأذن عبارة عن غشاء رقيق يفصل الأذن الخارجية عن الأذن الوسطى. ثم يأتي بعد ذلك ثلاث عظيمات صغيرة هي: المطرقة، والسندان، ثم الركاب، وتنقل هذه العظيماتُ الاهتزازاتِ الصوتيةَ من طبلة الأذن إلى القوقعة، وهي حلزونية الشكل، مملوءة بسائل في الأذن الداخلية، وعلى القوقعة يوجد عضو أساسي للسمع يحتوي على 24 ألفاً من الألياف الدقيقة المتدرجة في الطول، وهي التي تستجيب للأصوات.

9 – هل يمكن للصوت أن ينتقل في الفراغ؟

يجب أن يكون هناك وسط لانتقال الصوت من مكان لآخر وتصل إلينا الأصوات، في معظم الأوقات، خلال الهواء، والعملية تشبه صفاً من البطاقات المثبتة واقفة على إحدى حافاتها، ومرتبة، بحيث تتساقط جميعها بسقوط أول بطاقة منها. فإذا أزلت بعض البطاقات من الوسط، فإن التساقط يقف عند هذه النقطة الخالية. وبنفس الطريقة فإن الأصوات التي تتولد في الفراغ لا يمكن أن تصل إلى أذنيك.

والتجربة الوصفية التي تثبت ذلك، هي بوضع جرس كهربائي في ناقوس وخلخلة هوائه. فإذا دقّ (الجرس) داخل الناقوس، فلا تسمع دقاته، لأن الصوت لا ينتقل خلال الفراغ. وعند إدخال الهواء تدريجياً إلى الناقوس، يرتفع الصوت تدريجياً حتى يصبح الهواء داخل الناقوس مثل الهواء الخارجي.

10 – على أي بعد من الحائط يجب أن تكون لتسمع مصدر صوتك؟

تستطيع الأذن البشرية أن تميز بين صوتين متتاليين إذا كانت الفترة الزمنية بين لحظتي وصولهما إلى الأذن 10/1 (واحد على عشرة) من الثانية. فإذا كان الفرق بين الصوتين أقلَّ من ذلك، فإن هذين الصوتين يندمجان، ويوحي ذلك للإنسان بأنهما صوت واحد.

فإذا صاح شخص ما بالقرب من بحيرة أو أخدود عميق، فإن جزءاً من الطاقة الصوتية ينعكس عند هذه الأشياء، مكوناً ما يُعْرَفُ بالصَّدَى. ويتوقف على المسافة بين المصدر الصوتي والحائل الذي يسمح بأن يتلاشى الصوت الأصلي قبل أن يصل الصدى إلى الأذن.

وبما أن سرعة الصوت 112 قدماً/ ث في الظروف العاديةَ فإنه سوف يقطع مسافة 112 قدماً في عُشر ثانية.

وعلى هذا يجب أن يقطع الصوت هذه المسافة على الأقل لكي يحدث الصدى.

11 – ما هو الحاجز الصوتي؟

يطلق اسم الحاجز الصوتي على الضغوط التي تتعرض لها الطائرات التي تطير بسرعة قريبة جداً من سرعة الصوت.

ففي الطيران العادي البطيء السرعة، تحدث الطائرة موجات تضاغط تنتقل بسرعة الصوت. وهذه التموجات ناشئة عن اختراق الطائرة لجزيئات الهواء مسببة اهتزازها.

وبطبيعة الحال نجد أن الأمواج الناتجة تسير بسرعة أكبر من سرعة الطائرة. وواضح حينئذٍ أن الطائرة تسير بطريق ممهد.

أما إذا طارت بسرعة الصوت، فإن الهواء الذي أمامها لا يستقبل أمواج التضاغط السابقة، حيث إن سرعة الجناح، وسرعة صدر الطائرة، متساويان، وتكون النتيجة وجود إجهاد على الجناح.

ومن هنا جاءت تسمية الحاجز الصوتي في عصر الطيران السريع، كنتيجة لوجود قوة الإجهاد هذه على الجناح في أثناء طيران الطائرة بسرعة الصوت.

وتقل فرص حدوث الحاجز الصوتي بالنسبة للطائرات التي تطير على ارتفاع شاهق، عن تلك التي تطير على ارتفاع منخفض، وذلك بسبب أن سرعة الصوت تقل كلما ارتفعنا إلى أعلى، حيث تبلغ سرعة الصوت 760 ميلاً/ ساعة عند سطح البحر، في حين تصل إلى 660 ميلاً/ ساعة على ارتفاع (3600 قدم).

ربما تكون أحسست أحياناً بالاهتزازات الناتجة عن مرور طيارة سريعة تطير بالقرب منك، إذا كنت تسكن بالقرب من مطار يستقبل الطائرات النفاثة، ويحدث هذا الصوت الشبيه بالانفجار عندما تتصادم هذه الموجات الناشئة عن مرور الطائرة، مع الحاجز الصوتي.

12 -  ما السبب في أن الصوت يسري بجودة في الليالي الصافية الهادئة؟

تتوقف السرعة التي يسري بها الصوت إلى حد كبير على درجة حرارة الهواء الذي يسري فيه، فتزداد سرعته بمعدل قدم واحد في الثانية بارتفاع درجة الحرارة درجة مئوية واحدة في التغييرات الحرارية المعتدلة.

وفي الأيام الدافئة تكون طبقات الهواء القريبة من الأرض أدفأ من الأعلى منها مباشرة، وبما أن الصوت يسري بسرعة أكبر في الطبقات الأدفأ، فإن قاع الموجة الصوتية يسري بسرعة أكبر من قمتها، وينشأ عن ذلك انثناء الموجة الصوتية بعيداً عن الأرض، كما هو مبيّن في الشكل، وعلى ذلك تنعطف معظم الطاقة الصوتية نحو السماء، بدلاً من اتجاهها نحو السامع البعيد.

أما في الليالي الهادئة الصافية فإن الأمر مختلف تماماً، فالهواء في تلك الليالي يكون ساكناً وأدفأ من الأرض في العادة، وتكون طبقات الهواء القريبة من الأرض أبرد من تلك التي تعلوها، وبما أن الصوت يسري بسرعة أقل في الهواء البارد منها في الهواء الدافئ، فإن سرعته في طبقة الهواء البارد القريبة من الأرض أقل منها في الطبقات الأعلى، وعلى ذلك ينعطف الصوت نحو الأرض، وهذا ما يجعل الصوت يبدو كأنه يسري أسرع من المعتاد.