المرايا المستوية، مسائل محلولة
ملخص:
في هذه الحصة، سنراجع بعض المسائل المحلولة عن المرايا المستوية. يتم تحديد زاوية الانعكاس \gamma بناءً على الزاوية \theta بين مرآتين مستويتين متصلتين بمفصلة، ويتم حساب أمثلة محددة. يتم فحص القيم الحرجة لـ \alpha بحيث ينعكس الشعاع مرة واحدة على كل مرآة ويتم التحقق من صحة الصيغة لـ \gamma. بالإضافة إلى ذلك، يتم تحديد زوايا السقوط التي تجعل الشعاع يعود على نفسه، وحساب تسلسل زوايا العودة \alpha_n = n\theta.
أهداف التعلم
بنهاية هذه الحصة، سيكون الطالب قادرًا على:
- فهم الصيغ الأساسية للبصريات في المرايا المستوية.
- تطبيق قانون الانعكاس في المسائل المتعلقة بالمرايا المستوية.
- تحديد زاوية الانعكاس \gamma بناءً على الزاوية \theta بين مرآتين مستويتين.
- تحليل حدود الصيغ الخاصة بالمرايا وشروط صحتها.
جدول المحتويات
مقدمة
المرايا المتصلة بمفصلة
فحص حدود المنطق
زوايا العودة
مقدمة
في الحصة السابقة، راجعنا معظم الصيغ المتعلقة بالبصريات في المرايا المستوية والكروية؛ ومع ذلك، لتحقيق فهم أفضل لهذه المواضيع، من الضروري مراجعة كيفية ظهورها في حل المسائل المرتبطة بهذه المواضيع. لذلك، سنخصص هذا الجزء حصريًا لمراجعة حل بعض المسائل. في هذه المرة، سنركز حصريًا على المرايا المستوية.
المرايا المتصلة بمفصلة
مرآتين مستويتين متصلتين من إحدى الأطراف تشكلان زاوية \theta. إذا سقط شعاع ضوئي على إحدى المرايا بزاوية \alpha بالنسبة للعمودي بحيث ينعكس الضوء مرة واحدة فقط على كل مرآة ويتقاطع مع نفسه مشكلاً زاوية \gamma:
- اوجد صيغة لتحديد الزاوية \gamma بالنسبة للبيانات الأخرى.
- إذا سقط الشعاع الضوئي على المرآة الأولى بزاوية \alpha=30^o وكانت الزاوية بين المرايا \theta=50^o، ما ستكون زاوية \gamma؟
- بتعريف الزاوية \beta بين العمودي للمرآة الثانية والشعاع الضوئي المنعكس من المرآة الأولى، واستخدام قانون الانعكاس في المرايا المستوية، يمكننا إكمال الشكل كما يلي:
مع وضع هذا في الاعتبار، يمكن الآن إجراء التفكير التالي:(1) (90^o - \alpha) + (90^o - \beta) + \theta = 180^o ; لأن مجموع الزوايا الداخلية لمثلث هو 180^o \equiv \alpha + \beta = \theta (2) 2\alpha +2\beta + \gamma = 180 ; لأن مجموع الزوايا الداخلية لمثلث هو 180^o \equiv \gamma = 180 - 2(\alpha + \beta) < (3) \color{blue}{\gamma = 180 - 2\theta} ; من (1,2) لذلك، يمكن الاستنتاج أن الزاوية \gamma ستكون فقط دالة للزاوية \theta التي تشكلها المرايا وصيغتها ستكون \gamma(\theta) = 180^0 - 2\theta
- بناءً على التفكير في الجزء السابق، لدينا أن \gamma = 180^o - 2\cdot 50^o = 80^o
فحص حدود المنطق
التمرين السابق يحتوي على مشكلة دقيقة. إذا لاحظت البيان، سترى أنه يشترط أن الشعاع الضوئي يجب أن ينعكس مرة واحدة فقط على كل مرآة؛ ومع ذلك، ليست كل قيمة لـ \alpha صالحة لتحقيق ذلك. ابحث عن القيم \alpha التي تفي بهذا الشرط وبالتالي تسمح للصيغة التي تم الحصول عليها في التمرين السابق أن تكون صالحة.
لدينا أن \alpha تصل إلى القيمة “الحرجة” عندما تجعل \beta=0^o; وعندما يحدث ذلك، يمكننا اتخاذ زاوية x التي تسمح بالتفكير التالي:
يجب أن تحدث المعادلتان التاليتان:
\alpha + x = 90^o
\theta + x = 90^o
وهذا ممكن فقط إذا:
\alpha = \theta
بمعنى: القيمة \alpha=\theta هي قيمة زاوية السقوط الحرجة بحيث، إذا تم تجاوزها، فإن الشعاع سينعكس أكثر من مرتين على المرآة، وبالتالي، ستصبح الصيغة التي تم الحصول عليها في التمرين السابق غير صالحة. بناءً على هذه النتائج، يمكننا تصحيح نتيجة التمرين السابق بكتابة:
\gamma(\theta, \alpha) = 180^0 - 2\theta \;\;\;\; ; \;\;\;\; \alpha \in ]0,\theta[
زوايا العودة
من هذه النتائج يمكننا أن نرى، بالنسبة لبعض زوايا السقوط، أن الشعاع الضوئي يعود على نفسه. يحدث هذا عندما \alpha = 0^o أو عندما \alpha = \theta, حيث \theta هي الزاوية التي تشكلها المرآتان المستويتان. هل توجد زوايا عودة أخرى؟ إذا وجدت، كيف يمكن حسابها؟
الحللحل هذه المشكلة، يجب أن نتخيل الوضع عندما يسقط الشعاع الضوئي على المرآة الأولى بزاوية بالنسبة للعمودي \alpha\in ]\theta, 180^o[. عندما يحدث ذلك، لدينا وضع كما هو موضح في الشكل التالي:
نظرًا لأن مجموع الزوايا الداخلية لمثلث هو 180^o:
(90^o - \alpha) + (90^o + \beta) + \theta = 180
بتبسيط هذه العلاقة، يمكننا الحصول على الزاوية \beta بوحدات \alpha و \theta.
\beta=\alpha - \theta
هذه التعبير مهم لأنه إذا \beta=\theta, فإن الشعاع يجب أن يعود على نفسه في الانعكاس التالي حسب التفسير في التمرين السابق. وبالتالي \alpha=2\theta. لذلك، يمكن تمديد هذا التفسير بشكل استقرائي من خلال:
- \alpha_0 = 0^o
- \alpha_1 = \theta
- \alpha_{n-1} = \alpha_n - \theta
وبناءً على ذلك، لدينا تسلسل زوايا العودة:
- \alpha_0 = 0^o
- \alpha_1 = \theta
- \alpha_{2} = 2\theta
\vdots
- \alpha_{n} = n\theta
بالإضافة إلى ذلك، يجب أن نلاحظ أن الزاوية بين المرايا المستوية وكذلك كل زاوية من زوايا السقوط يجب أن تكون حادة.
