الفيزياء
الموجات
-
العناصر الأساسية
للموجات
- خصائص الموجات
الموجات الصوتية
الموجات الضوئية
الموجات
الموجة هي اضطراب يتحرك أو ينتشــر فى الوسط بسرعة
معينة.
فإذا أسقطنا حجرا فى ماء ساكن فإن سطح الماء عند
نقطة سقوط الحجر سيبدأ فى الاهتزاز إلى أسفل و إلى أعلى و هكذا، حركة توافقية بسيطة،
و لكن هذا الاهتزاز لا يتوقف على نقطة سقوط الحجر بل سينتشر مع الزمن و بسرعة معينة
فى المنطقة حول هذه النقطة و تبدأ كل نقطة من النقاط فى هذه المنطقة فى الاهتزاز.
والجدير بالذكر هنا أن نوضح أنه لا توجد حركة
انتقالية للمــاء، أي انتقال كميات من الماء مع انتشار الموجة، و لكن ذلك الذي ينتشر
أو يتحرك هو ذلك الاضطراب الذى حدث فى سطح الماء عند إسقاط الحجر فيه.
و من أهم خصائص الموجات أيضا أن الموجة تحمل معها
طاقة من مكان إلى آخر، فسطح الماء بعيدا عن نقطة سقوط الحجر والذى كان ساكنا أصبح الآن
يهتز أي انتقلت إليه الطاقة.
أنواع الموجــات
تنقسم الموجات إلى نوعين رئيسين هما:
الموجات الطولية: هي الأمواج التي يكون فيها منحى
التموج موافقا لمنحى انتشار الموجة مثل امواج النابض وامواج الصوت. وتكون على شكل تضاغط
وتخلخل.
الموجات المستعرضة: هي التي يكون فيها منحى التموج
متعامدا مع منحى انتشار الموجة مثل موجات الماء والحبل المتحرك والموجات الكهرومغنطيسيه،
وتكون على شكل قمة وقاع.
موجــة طولية
موجــة مستعرضة
أنواع الموجــات
الموجات
تتحرك الموجات في وسط مادي (صلب أو سائل أو غاز)
حيث تنتقل فيه الموجات وتنقل الطاقة من مكان إلى آخر بدون إزاحة جزيئات الوسط بشكل
دائم، أي أنه لا تنتقل أي كتلة مع انتقال الموجة، ولكن جزيئات الوسط تتحرك بشكل متعامد
أو مواز لاتجاه حركة الموجة حول موقع ثابت.
وتنتشر الموجات الكهرومغناطيسية في الفراغ، أي
من دون لزوم تواجد وسط مادي. ويعتبر الضوء وموجات الراديو وأشعة إكس وأشعة جاما أمثلة
من الموجات الكهرومغناطيسية.
العناصر الأساسية للموجات
طول الموجة (λ) (Wavelength)
التردد ( f) ((Frequency
العدد الموجي أو ثابت الإنتشار (k) (wave number)
سعة الموجة (A) (Amplitude)
سرعة الموجة (v) (Velocity)
العناصر الأساسية للموجات
1- طول الموجة (λ) (Wavelength):
يرمز له بالرمز((λ لامدا
طول الموجة الطولية:
هو المسافة بين قمتي تضاغطين متتاليين أو قمتي تخلخليين
متتاليين.
طول الموجة المستعرضة:
هو المسافة بين قمتين متتاليتين أو قاعين متتاليين.
وحدة طول الموجة هي وحدة الطول: سنتيمتر أو متر
أو مايكرومتر أو نانومتر.
العناصر الأساسية للموجات
2- التردد ( f) ((Frequency
هو عدد الإهتزازات الكاملة التي يحدثها المصدر
في الثانية (عدد مرات التكرار).
التردد مقلوب الزمن t ويعرف بالعلاقة
التالية: f = 1/t
وحدة الزمن الثانية s ، لذا فإن
وحدة التردد s-1
اتفق دوليا على قياس التردد بوحدة الهيرتز
Hertz (Hz).
1 Hz = 1 s-1
ماذا نعني بان تردد شوكة رنانة 200 هيرتز ؟
المعنى أنه يصدر عن هذه الشوكة 200 موجة في الثانية
الواحدة تنتشر في الوسط المحيط
العناصر الأساسية للموجات
3- العدد الموجي أو
ثابت الإنتشار (k) (wave number)
هوعدد الموجات في مسافة معينة.
ويقاس بوحدة m-1.
العناصر الأساسية للموجات
4- سعة الموجة (a) (Amplitude):
هي ارتفاع قمة الموجة. هي القيمة المطلقة
لأقصى مسافة (إزاحة) تحدثها الموجة من نقطة الإتزان أثناء انتشارها.
5- سرعة الموجة (v) (Velocity):
هى المسافة التي تقطعها الموجة في وحدة الزمن.
يمكن حساب سرعة اي موجة بدلالة ترددها ( f) وطولها الموجي (λ) كما يلي:
v = λ f
العناصر الأساسية للموجات
t
مثال1: موجة صوتية ترددها 600 هيرتز و طولها الموجى 80 سم. أوجد سرعة هذه
الموجة في الهواء؟
الحل:
العلاقة بين السرعة والطول الموجي والتردد هي:
v = λ f = 0.8 x 600 = 480 m/s
العناصر الأساسية للموجات
المعطيات:
f =600 Hz λ=80 cm
مثال2: إذا كان تردد الصوت الصادر من جرس الإنذار
يساوي 4200 هيرتز وكانت سرعة الصوت تساوي 340 م/ث ، فما هو طولها الموجي؟
الحل:
العلاقة بين السرعة والطول الموجي والتردد هي:
v = λ f
λ = v/f = 340/4200 = 0.081 m = 8.1 cm
العناصر الأساسية للموجات
المعطيات:
f =4200 Hz v=340 m/s
العناصر الأساسية للموجات
مثال3: شعاع ضوئي طوله الموجي يساوي 420 nm. احسبي تردده إذا علمت أن
سرعته v= 3x108 ms-1
الحل:
العلاقة بين السرعة والطول الموجي والتردد هي:
v = λ f
f = v / λ
f = 3 x 108 ms-1 / 420 x 10-9 m
= 7 x 1010 s-1 (or Hz)
المعطيات: v= 3x108 ms-1
λ = 420 nm
المطلوب:
f = ?
48
تدريب1
تستخدم موجات المايكرويف لتشغيل الهواتف المحمولة.
احسبي طول موجة إشعاع تردد موجاته يساوي 3x109 Hz وسرعته 3x108 ms-1
a. 1 x
10-1 m
b. 3 x
10-3 m
c. 1 x
10-5 m
خصائص الموجات
الإنعكاس (Reflection)
الإنكسار (Refraction)
الحيود (Diffraction)
الإستقطاب (Polarization)
التداخل (Interference)
خصائص الموجات
الإنعكاس (Reflection):
عندما تسقط موجة ما على سطح عاكس فإن جزء من هذه
الموجة ينفذ خلال السطح بينما جزء آخر ينعكس من السطح والباقي قد يمتصه السطح.
من أهم التطبيقات على الانعكاس «ظاهرة الصدى»
خصائص الموجات
الإنكسار (Refraction):
عندما تسقط موجة ما على سطح عاكس فإن جزء من هذه
الموجة ينفذ خلال السطح وبالتالي فإن الوسط الذي تتحرك فيه الموجة قد أختلف عن الوسط
الذي سقطت منه وبالتالي فإن مسارها قد يتغير وهو ما يسمى بالإنكسار.
الحيود (Diffraction):
عند اصطدام موجة بعائق فإن ذلك يسبب انحرافاً للموجة
عن مسارها وبالتالي فإن انحرافها عن اتجاه انتشارها يسمى بالحيود.
خصائص الموجات
الإستقطاب (Polarization):
تعتبر ظاهرة الإستقطاب من أهم خصائص الموجات المستعرضة
حيث أنها لا تحدث في الموجات الطولية. ويمكن تعريف هذه الظاهرة بأنها تحويل للموجات
غير المنتظمة والتي تنتشر في كل الإتجاهات إلى موجات منتظمة تتذبذب في اتجاه واحد فقط
عمودي على مسارها.
53
خصائص الموجات
التداخل (Interference): تعد ظاهرة التداخل أو التراكب
من الظواهر الفيزيائية المهمة والتي تحدث بين الموجات. فيحدث بين هذه الموجات تراكب
أو تداخل نتيجة صدورهما من مصدر واحد أو تقاربهما في قيمة التردد. وهناك نوعان للتداخل
التداخل البناء (Constructive): أي تعزز إحدى الموجتين
الأخرى وتشكلان موجة جديدة مضاعفة السعة ويكون ذلك عندما يكون للموجتين المتداخلتين
نفس الطور. وبالتالي تصبح قيمة الموجة الناتجة عند نقطة معينة تساوي الجمع المتجهي
لقيم كلي الموجتين عند نفس النقطة.
التداخل الهدام (Destructive): وفيه إحدى الموجتين تدمر
الأخرى وتوهنها ويحدث ذلك حينما تكون إزاحة الطور بينهما 180 درجة حينها تكون الموجة
المشكلة صفرية السعة.
الصـــوت
من نعم الله علينا أن خلق لنا آذاناً نسمع بها
ونميز من خلالها معظم الإضطرابات التي تصل إليها على شكل موجات صوتية ما يعرف بـ"الصوت".
الصوت هو اضطراب أو تموج تضاغطي ينتقل في المادة
بحيث يسبب اهتزازات داخل الأذن ما تلبث أن تتحول إلى إشارات كهربية في المخ بحيث يستطيع
التعرف على مصدر الصوت.
الموجات تعتبر شكل من أشكال الطاقة.
من أهم ما يميز الموجات أنها تحتاج إلى وسط مادي
لكي تنتقل خلاله ولايمكنها الإنتقال في الفراغ.
الموجات الصوتية
يمكن للصوت أن ينتقل في أي وسط مادي.
تختلف سرعة انتقال الصوت بحسب نوع الوسط ودرجة
الحرارة فتكون سرعته أعلى في المواد الصلبة وأقل في السوائل و الغازات.
سرعة الصوت في الهواء عند درجة الصفر المئوي هي
331م/ث و تزداد هذه السرعة بإرتفاع درجة الحرارة.
سرعة الصوت في الماء هي 1450م/ث عند الدرجة القياسية
(15 درجة مئوية) وتزيد هذه السرعة في المواد الصلبة إلى أن تصل 3000 - 6000م/ث.
من العوامل المؤثرة في سرعة الصوت كثافة الوسط
والتي تلعب دوراً مهما في تباين السرعات.
الموجات الصوتية
تقسم الموجات الصوتية حسب تردداتها إلى ثلاثة اقسام
هي:
الموجات السمعية: هي الموجات التي يقع ترددها
بين 20 -20000 هيرتز وتمثل الصوت المسموع بواسطة الأذن البشرية العادية حيث أن الحد
الأدنى لتردد الصوت الذي تحس بها الأذن الطبيعية هو 20 هيرتز تقريبا والحد الأعلى هو
20 ألف هيرتز وينخفض هذا التردد عند كبار السن إلى حوالي 12000 هيرتز.
الموجات فوق السمعية: هي الموجات التي يزيد ترددها
عن 20 ألف هيرتز والتي تعتبر فوق قدرة الأذن البشرية.
الموجات تحت السمعية: هي الموجات التي يقل ترددها
عن 20 هيرتز وبالتالي لاتستطيع الأذن البشرية الإحساس.
الموجات الصوتية
مثال: احسب أقصى طول موجي لموجة صوتية يمكن للإذن
البشرية سماعها إذاعلمت أن سرعة الصوت في الهواء 340 م/ث؟
المعطيات:
V = 340 m/s
المطلوب: λmax = ?
الحل: العلاقة بين السرعة والطول الموجي والتردد
هي:
v = λ f
أقصى طول موجي يرافق أقل تردد (أقل تردد يمكن
سماعه يساوي 20 هيرتز) فإننا نجد
λmax = v/fmin = 340/20 = 17 m
58
تدريب2
احسب أقصر طول موجي لموجة صوتية يمكن للإذن البشرية
سماعها إذاعلمت أن سرعة الصوت في الهواء 340 م/ث؟
a. 10-3
cm
b. 13
cm
c. 1.7
cm
59
الضــوء
الضوء يمثل نوعاً من الموجات يطلق عليها الموجات
الكهرومغناطيسية. يمكن للضوء أن ينتشر في الأوساط المادية حيث تبلغ سرعته في الفراغ
مايعادل 300000 كم/ثانية ( 3x108
m/s) وتقل هذه السرعة تبعاً للوسط الذي تنتقل فيه الموجة الضوئية. فلو
افترضنا وسطاً معامل انكساره n فإن سرعة الضوء في هذا الوسط v تساوي
c تمثل سرعة الضوء في الفراغ.
مثال: تبلغ سرعة الضوء في وسط ما 200000 كم/ث فما
هو معامل انكسار هذا الوسط؟
الحل:
من المعادلة
المعطيات:
ѵ = 200000 km/s
المطلوب:
n = ?
الضــوء
شدة الإستضاءة
في حياتنا اليومية أنواعاً مختلفة من المصادر
الضوئية والتي تختلف في شدتها من مصدر لآخر فنجد بعضها يكاد يضيء والآخر قد لا نستطيع
التحديق إليه وأقرب مثال ما يسمى "الزينون" المستبدل في بعض أنوار السيارات
والذي يعد مخالفاً لقوانين السير.
قوة أو شدة الإضاءة (الإستضاءة): هي كمية الضوء
المنبعث من المصدر الضوئي ويمكن تمثيلها بوحدة الكاندلا (cd) أو الشمعة العيارية.
الفيض الضوئي :هو معدل الإنبعاث الضوئي لكل وحدة
زمن ووحدة قياسه «ليومن».
ليومن: وهي الفيض الضوئي الذي ينبعث في الثانية
من مصدر نقطي شدته شمعة عيارية واحدة.
الزنون هو ضوء ناتج عن تفاعل كهروكميائي بين المادة
الكيميائية في المصباح والكهرباء وينتج عن هذا التفاعل ضوء ابيض الذي يعرف (زينون)
الانعكاس الضوئي
عندما تسقط حزمة ضوئية بزاوية معينة على سطح أملس
فإنها تنعكس reflected عن السطح بنفس الزاوية.
الزاوية بين الشعاع المنعكس والعمود عند نقطة
السقوط تعرف بزاوية الانعكاس بينما تعرف الزاوية بين الشعاع الساقط والعمود عند نقطة
السقوط بزاوية السقوط.
يمكن تلخيص قانوني الإنعكاس كما يلي:
- زاوية السقوط
تساوي qi زاوية الإنعكاس qr
- الشعاع الساقط والشعاع
المنعكس والعمود على السطح العاكس من نقطة السقوط تقع جميعها في مستوى واحد عمودي على
السطح العاكس.
الانكسار الضوئي
عندما تسقط حزمة ضوئية من وسط إلى وسط آخر مختلف
فإنها تنحرف (تنكسر) Refracted عن اتجاهها الأصلي.
الإنكسار: هو التغير في اتجاه الشعاع الضوئي عندما
يجتاز السطح الفاصل بين وسطين شفافين مختلفين.
الظاهرة الأساسية لحدوث قوس قزح هي ظاهرة الانكسار
الضوئي
قوس قزح طيف يظهر في السماء بعد سقوط المطر أو خلال
سقوط المطر والشمس مشرقة.
معلومات إثرائية
كيف يحدث قوس قزح؟
لنأخذ قطرة واحدة ذات الشكل الكروي كما هو موضح
في الشكل أدناه، هذه القطرة تمثل فكر عمل المنشور الزجاجي عندما يسقط عليه شعاع من
الضوء فيتشتت إلى الوان الطيف السبعة المعروفة. ولنأخذ على سبيل التبسيط لونين هما
الأحمر والبنفسجي كما في الشكل.
عندما ينفذ الضوء الأبيض قطرة الماء في السماء
فإن مكونات الضوء ذات الترددات المختلفة تتباطىء إلى سرعات مختلفة كل حسب تردده. فاللون
البنفسجي ينحرف بزاوية كبيرة عندما يعبر من خلال قطرة المطر.
وبهذا الشكل فإن كل قطرة مطر تعمل على تشتيت اشعة
الشمس إلى مكوناتها ذات الالوان المختلفة (ألوان الطيف).
ان الظاهرة الاساسية لحدوث قوس قزح هي ظاهرة الانكسار
الضوئي التي يحدث فيها انحناء للضوء نتيجة لمرور أشعة الضوء في وسطين (الهواء والماء)
مختلفين في معامل الانكسار، حيث ينتقل الضوء في هذين الوسطين بسرعتين مختلفتين.
ضوء الشمس يحتوي على العديد من الالوان الطيفية
و هي عبارة عن اشعة ذات اطوال موجية مختلفة.
تكون الألوان في القوس اللون الأحمر من الخارج ويتدرج
إلى البرتقالي فالأصفر فالأخضر فالأزرق فأزرق غامق (نيلي) فبنفسجي من الداخل.
مفتاح الإجابة على التدريبات
رقم التدريب الإجابة
1 a
2 c
إرسال تعليق