الدرس الأول: الموجات وصفاتها (Waves and their Characteristics)
الثانوي - الصف العاشر
الموجات موجودة في كل مكان حولنا
الموجات موجودة في كل مكان حولنا: أمواج البحر، صوت الإنسان، ضوء الشمس، وحتى الإشارات اللاسلكية. على الرغم من اختلاف هذه الظواهر، إلا أنها تشترك في خصائص مشتركة. في هذا الدرس، سنتعرف على مفهوم الموجة، أنواعها، صفاتها الأساسية (السعة، الطول الموجي، التردد، الزمن الدوري، السرعة)، ثم نطبق ذلك على موجات الصوت والموجات الكهرومغناطيسية.
أولاً: تعريف الموجة (Wave)
الموجة: هي اضطراب أو اهتزاز ينتقل من مكان إلى آخر، ينقل الطاقة دون أن ينقل المادة. جسيمات الوسط تهتز حول موضع اتزانها، لكنها لا تنتقل مع الموجة.
مثال:
عندما ترمي حجراً في بركة ماء، تنتشر الموجات الدائرية على السطح. قطعة فلين تطفو على الماء ستهتز لأعلى وأسفل، لكنها لا تنتقل مع الموجة إلى الشاطئ؛ إنما الطاقة هي التي تنتقل.
ثانياً: أنواع الموجات (Types of Waves)
1. الموجات المستعرضة (Transverse Waves)
اتجاه الاهتزاز عمودي على اتجاه انتشار الموجة. مثال: موجات الحبل المشدود، موجات سطح الماء، موجات الضوء.
2. الموجات الطولية (Longitudinal Waves)
اتجاه الاهتزاز موازٍ لاتجاه انتشار الموجة. مثال: موجات الصوت في الهواء، موجات النابض.
ملاحظة هامة: الموجات الميكانيكية (مثل الصوت والماء) تحتاج إلى وسط مادي لانتشارها، بينما الموجات الكهرومغناطيسية (مثل الضوء) لا تحتاج إلى وسط.
ثالثاً: صفات الموجة (Characteristics of a Wave)
1. السعة (Amplitude – A)
أقصى إزاحة لجسيم الوسط عن موضع اتزانه. تتناسب طردياً مع الطاقة.
2. الطول الموجي (Wavelength – λ)
المسافة بين قمتين متتاليتين (أو بين تضاغطين متتاليين).
3. التردد (Frequency – f)
عدد الموجات الكاملة التي تعبر نقطة ثابتة في الثانية. وحدة القياس: هيرتز (Hz).
4. الزمن الدوري (Period – T)
الزمن اللازم لمرور موجة كاملة. العلاقة: T = 1/f.
5. سرعة الموجة (Wave Speed – v)
المسافة التي تقطعها الموجة في الثانية الواحدة. العلاقة: v = f × λ. تعتمد سرعة الموجة على الوسط، بينما التردد يبقى ثابتاً.
مثال 1 (ص 100)
يمسك كرم بطرف حبل ويحركه لأعلى وأسفل بتردد 5 Hz، طول الموجة 0.4 m. احسب سرعة الموجة.
v = 5 × 0.4 = 2 m/s
مثال 2 (ص 101)
موجة مستعرضة على سطح الماء سرعتها 12 m/s، طولها الموجي 1.5 m. احسب ترددها.
f = 12 / 1.5 = 8 Hz
رابعاً: تمثيل الموجات بيانياً (Graphical Representation)
أ. منحنى (الإزاحة – المسافة)
المحور الأفقي: المسافة، المحور الرأسي: الإزاحة. يُستخدم لقياس الطول الموجي (λ) والسعة (A).
ب. منحنى (الإزاحة – الزمن)
المحور الأفقي: الزمن، المحور الرأسي: الإزاحة. يُستخدم لقياس الزمن الدوري (T) والسعة (A).
خامساً: موجات الصوت (Sound Waves)
ينشأ الصوت عن اهتزاز الأجسام، وينتقل عبر الأوساط المادية (الصلبة، السائلة، الغازية) على شكل تغيرات في الضغط.
- طبيعتها: موجة ميكانيكية طولية تتكون من سلسلة من التضاغطات (مناطق ضغط مرتفع) والتخلخلات (مناطق ضغط منخفض).
- الوسط: تحتاج إلى وسط مادي لانتشارها (لا تنتقل في الفراغ، لذا لا نسمع الانفجارات الشمسية على الأرض).
سرعة الصوت (Speed of Sound)
تعتمد سرعة الصوت بشكل أساسي على طبيعة الوسط الذي تنتقل فيه (مرونته وكثافته) ودرجة حرارته.
- في الهواء (عند 20°C): تقريباً 343 m/s. وتزداد السرعة بزيادة درجة حرارة الهواء.
- في السوائل (مثل الماء): تقريباً 1500 m/s (أسرع من الهواء لأن الجزيئات متقاربة أكثر).
- في المواد الصلبة (مثل الحديد أو الصخور): تقريباً 5000 m/s (أسرع بكثير لتقارب الجزيئات وقوة ترابطها).
جهارة الصوت (Loudness) وشدة الصوت
جهارة الصوت: هي إحساس السامع بشدة الصوت، وتعتمد بشكل رئيسي على سعة الموجة. كلما زادت السعة، زادت الطاقة التي تنقلها الموجة، فزاد الصوت جهارة.
مستوى شدة الصوت: يُقاس بوحدة الديسيبل (dB).
- عتبة السمع (أخفض صوت يمكن للإنسان سماعه): 0 dB.
- عتبة الألم (الصوت الذي يسبب ألماً للأذن): 120 dB.
درجة الصوت (Pitch)
هي خاصية تميز بها الأذن بين الأصوات الحادة (الرفيعة) والأصوات الغليظة، وتعتمد بشكل رئيسي على تردد الموجة.
- تردد عالي: صوت حاد (مثل صوت العصفور أو صفارة الإنذار).
- تردد منخفض: صوت غليظ (مثل زئير الأسد أو الطبل).
- مجال السمع البشري: يستطيع الإنسان الطبيعي سماع الترددات التي تتراوح بين 20 Hz و 20,000 Hz (20 kHz).
جدول مقارنة: شدة الصوت ومستوى شدة الصوت لبعض المصادر
| مصدر الصوت | شدة الصوت (W/m²) | مستوى شدة الصوت (dB) |
|---|---|---|
| عتبة السمع | 10⁻¹² | 0 |
| حفيف الأوراق / همس | 10⁻¹⁰ | 20 |
| محادثة عادية | 10⁻⁶ | 60 |
| حركة مرور كثيفة | 10⁻⁴ | 80 |
| حفلة موسيقى صاخبة / طائرة عند الإقلاع | 10⁻² إلى 1 | 100 - 120 |
| عتبة الألم | 1 | 120 |
مثال (ص 106):
موجات صوت ترددها 425 Hz في الهواء (سرعة 340 m/s). احسب الطول الموجي.
λ = v / f = 340 / 425 = 0.8 m
سادساً: الموجات الميكانيكية والموجات الكهرومغناطيسية
الموجات الميكانيكية
تحتاج إلى وسط مادي لانتشارها. أمثلة: موجات الصوت، الزلازل، أمواج البحر.
الموجات الكهرومغناطيسية
لا تحتاج إلى وسط مادي، تنتقل في الفراغ بسرعة الضوء (c = 3×10⁸ m/s). أمثلة: الضوء، موجات الراديو، الأشعة السينية.
الطيف الكهرومغناطيسي (Electromagnetic Spectrum)
| نوع الموجة | الطول الموجي | التردد | تطبيقات |
|---|---|---|---|
| موجات راديوية | > 0.1 m | < 3×10⁹ Hz | إذاعة، تلفاز |
| موجات ميكروية | 1 mm – 0.1 m | 3×10⁹ – 3×10¹¹ Hz | رادار، أفران |
| تحت الحمراء | 700 nm – 1 mm | 3×10¹¹ – 4.3×10¹⁴ Hz | كاميرات حرارية |
| الضوء المرئي | 400 – 700 nm | 4.3×10¹⁴ – 7.5×10¹⁴ Hz | ما تراه العين |
| فوق البنفسجية | 10 – 400 nm | 7.5×10¹⁴ – 3×10¹⁶ Hz | تعقيم |
| أشعة سينية | 0.01 – 10 nm | 3×10¹⁶ – 3×10¹⁹ Hz | تصوير طبي |
| أشعة غاما | < 0.01 nm | > 3×10¹⁹ Hz | علاج الأورام |
سابعاً: أسئلة وتدريبات من الكتاب (ص 111)
الموجات المستعرضة والطولية: اهتزاز أوتار غيتار → مستعرضة، موجات الصوت إلى الميكروفون → طولية، موجات الراديو → كهرومغناطيسية مستعرضة.
موجتان كهرومغناطيسيتان: λ₁ = 3×10⁻⁵ m → f₁ = 1×10¹³ Hz (تحت حمراء)، λ₂ = 1.5×10⁻⁹ m → f₂ = 2×10¹⁷ Hz (فوق بنفسجية).
خلاصة الدرس
| المفهوم | التعريف | الوحدة |
|---|---|---|
| السعة (A) | أقصى إزاحة عن موضع الاتزان | m |
| الطول الموجي (λ) | المسافة بين قمتين متتاليتين | m |
| التردد (f) | عدد الموجات في الثانية | Hz |
| الزمن الدوري (T) | زمن موجة كاملة | s |
| سرعة الموجة (v) | v = f × λ | m/s |
بهذا نكون قد أتممنا شرح الدرس الأول من الوحدة السادسة: الموجات وصفاتها. أصبح لدينا الأساس لفهم سلوك الموجات في الدرس الثاني (انعكاس، انكسار، تداخل، حيود، استقطاب، دوبلر).