الموجات

تموجات البركة، صوت الصوت، ضوء النجم البعيد — كلها موجات تحمل الطاقة من مصدر إلى مستقبِل. يغطي هذا المرجع فيزياء AQA GCSE 8463، موضوع 4.6 الموجات.

كيف يعالج الامتحان هذا الموضوع:

• ورقة 2 تحتوي على هذا الموضوع. $T = 1/f$، $v = f\lambda$ والتكبير قد تُعطى في ورقة المعادلات؛ تحقق من دورة الامتحان.
• الانعكاس (RP9)، الصوت، الكشف بالموجات، العدسات، الضوء المرئي وإشعاع الجسم الأسود هي الفيزياء فقط؛ الصوت والكشف هما HT فقط؛ بعض خصائص الأشعة الكهرومغناطيسية هي HT فقط.
• التجارب العملية المطلوبة: RP8 (سرعة الموجات في حوض الأمواج والصلب) RP9 (الانعكاس والانكسار، الفيزياء فقط)، وRP10 (امتصاص وإشعاع الأشعة تحت الحمراء بواسطة الأسطح).
• يجب عليك رسم مخططات الشعاع للانعكاس والانكسار والعدسات.

الموجات الطولية تُظهر تكثفات (جزيئات مضغوطة) وتمددات (جزيئات متباعدة).

الدليل على أن الموجة تنتقل وليس المادة: تتحرك موجة عبر بركة ماء لكن الجزيئات تهتز حول مواقع اتزانها، دون نقل صافي للوسط في هذا النموذج. كرة عائمة ترتفع وتنخفض أثناء مرور الأمواج؛ تهتز جزيئات الهواء عند مرور الصوت.

• سرعة الموجة هي السرعة التي يتم فيها نقل الطاقة عبر الوسط.
• يمكن قراءة السعة والطول الموجي مباشرة من رسم توضيحي مُصنَّف.

مثال محلول. موجة مائية ذات تردد 2.0 هرتز وطول موجي 0.35 متر.

مثال محلول (kHz). صوت بتردد 4.0 kHz يسير بسرعة 330 م/ث.

• التحويل: $f = 4000$ هرتز.
  $$\lambda = \frac{v}{f} = \frac{330}{4000} = 0.0825 \approx 8.3\times10^{-2}\ \text{m}$$

مثال محلول (قراءة منحنى موجي). يُظهر المنحنى إزاحة موجة ماء على طول حوض في لحظة معينة. تمر خمس موجات نقطة ثابتة كل 2.0 ثانية.

• الطول الموجي: ثلاث موجات كاملة تتسع في 1.20 متر، إذن $\lambda = 1.20 \div 3 = 0.40$ متر. تحقق منه من قمة إلى قمة: من 0.10 متر إلى 0.50 متر.
• السعة: من موضع الراحة (0) إلى قمة، 3.0 سم. الارتفاع من القمة إلى القاع، 6.0 سم، يساوي ضعف السعة.
• التردد: $f = 5 \div 2.0 = 2.5$ هرتز، إذن $v = f\lambda = 2.5 \times 0.40 = 1.0$ متر/ثانية.

قياس سرعات الموجات (RP8)

• الموجات الصغيرة: المحرك ذو الشريط المستقيم ينتج جبهات موجية مستقيمة. قِس المسافة عبر عدة فترات كاملة من قمم إلى قمم على سطح الماء باستخدام مسطرة معايرة، ثم اقسم على عدد الفترات. إذا كنت تقيس نمطاً مُشعَّلاً، صحح مكبره. قِس وقت عدة دورات كاملة عند نقطة ثابتة: $f=N/t$، ثم $v=f\lambda$. حافظ على عمق الماء ثابتاً وأعد التكرار.
• الموجات في جسم صلب: حرك وترًا مشدودًا بمولد إشارات. عدّل التردد للحصول على حلقات واقفة واضحة؛ كل حلقة تمثل نصف طول موجي. لـ $n$ حلقة على طول $L$، $\lambda=2L/n$. اقرأ $f$ من المولد واحسب $v=f\lambda$؛ تحكم في الشدة ونوع الوتر.
• سرعة الصوت: قِس المسافة العمودية $d$ من جدار كبير. قِس الفترة $t$ بين صوت حاد وصداه؛ يسافر الصوت مسافة $2d$، لذا $v=2d/t$. أعد التكرار وحسب المتوسط؛ التسجيل الإلكتروني يقلل خطأ زمن الاستجابة. أو استخدم كاشفين إلكترونيين على مسافة معلومة للوقت في اتجاه واحد.

(الفيزياء فقط) تغير وسط الصوت: عند حدود ثابتة مع مصدر ثابت، يبقى التردد كما هو. إذا تغيرت السرعة، يتغير الطول الموجي بنفس النسبة لأن $\lambda=v/f$.

عند الحدود قد تنعكس أجزاء من الطاقة الساقطة انعكاسًا، أو تُمتص امتصاصًا، أو تُنقل نقلًا:

• الانعكاس المحدد: من سطح أملس، في اتجاه واحد;
• الانعكاس المنتثر: من سطح خشن، متناثر;
• الامتصاص: الطاقة تبقى في المادة؛ النقل: تمر عبرها.

رسم مخطط الأشعة المنعكسة: العمود المقام بزاوية قائمة على السطح عند نقطة السقوط؛ زاوية السقوط تساوي زاوية الانعكاس — كلاهما يُقاس من العمود المقام.

RP9: وجه شعاعًا من صندوق الأشعة نحو مرآة مستوية / أسطح خشنة؛ عرّض الأشعة الساقطة والمنعكسة بقلم الرصاص، وقيِّس الزوايا بالمنقلة؛ للانكسار، مرر الضوء عبر كتلة زجاجية وعرّض المسار المنحني عند كل حدود.

Sound travels through solids as vibrations. In the ear, sound waves vibrate the ear drum and other parts — the vibrations are passed through ear structures and converted into signals that the brain interprets. This works only over a limited frequency range: human hearing spans 20 Hz to 20 kHz. Examples of conversion: a microphone's diaphragm, a drum skin, windows rattling near a bass speaker.

• Ultrasound: frequency above 20 kHz; partially reflected at boundaries between media; the echo time gives the distance to a boundary ($s = vt$, with the path often there-and-back). Uses: medical prenatal scanning (non-ionising, avoiding the ionisation risk of X-rays), industrial flaw detection.
• الموجات الزلزالية: تنتج الزلازل موجات P (طولية) وموجات S (عرضية)، تسير بسرعات مختلفة عبر الأرض؛ موجات P تمر عبر السوائل، بينما لا تفعل موجات S — تكشف مناطق الظل عن البنية الطبقاتية للأرض. التصوير بالموجات فوق الصوتية/نبضات الصوت يرسم قاع البحار.

All EM waves are transverse, transferring energy from source to absorber. They form a continuous spectrum and all travel at the same speed in vacuum (approximately the same in air) ($3\times10^8$ m/s). From long to short wavelength:

الكشف البصري يقتصر على الضوء المرئي — حزمة ضيقة.

مخاطر: الأشعة فوق البنفسجية تُسرّع شيخوخة الجلد وتزيد خطر الإصابة بسرطان الجلد؛ أشعة إكس وأشعة غاما مؤينة — يمكنها إحداث طفرات جينية وتسبب السرطان. جرعة الإشعاع بالمقياس سيفرت تقار مخاطر الضرر (1000 ملي سيفرت = 1 سيفرت؛ لا مطلوب تذكر الوحدة). استنتج النتائج من بيانات الجرعة.

Infrared surfaces (RP10)

قارن انبعاث الأشعة تحت الحمراء من أسطح مختلفة لمكعب ليزلي يحتوي على ماء ساخن. استخدم كاشف أشعة تحت حمى غير تلامسي على نفس المسافة والزاوية من كل وجه؛ حافظ على درجة حرارة الماء ثابتة قدر الإمكان، اطرح قراءة الخلفية عند الحاجة، أعد وأقارن القراءات المتوسطة. تجنب لمس الأسطح الساخنة. تختلف الأسطح السوداء غير اللامعة والمعدنية اللامعة في الانبعاثية للأشعة تحت الحمراء؛ لا يحدد اللون المرئي وحده الانبعاث تحت الأحمر.

لمقارنة الامتصاص، عرّض حاويات متطابقة بخلاف الأسطح لنفس مصدر الأشعة تحت الحمراء. حافظ على مسافة المصدر، وزمن التعرض، ودرجة الحرارة الابتدائية، وكتلة الماء، ومادة الحاوية ثابتة؛ سجّل الارتفاع في درجة الحرارة وأعد. يشير ارتفاع أكبر تحت هذه الضوابط إلى امتصاص أكبر. تجارب الانبعاث والامتصاص تقاس كميات مختلفة؛ لا تعامل قراءات الكاشف على أنها درجات حرارة.

(HT) تولد الاهتزازات في دائرة كهربائية موجات راديوية. تحفز الموجات الراديوية الممتصة تيارًا متناوبًا بـنفس التردد في دائرة استقبال. يمكن أن تؤدي التغييرات في أنوية الذرات إلى إشعاع جاما.

(HT) تمتص المواد وتُنقل وتكسّر وتعكس الموجات الكهرومغناطيسية بطرق تتغير مع الطول الموجي; يأتي الانكسار من تغير السرعة بين المواد. أشر إلى الانكسار في رسم شعاعي (انحناء نحو العمود المقام عند السقوط المائل مع التباطؤ؛ عدم تغيير الاتجاه عند السقوط العمودي) وفي رسوم جبهات الموجة (جبهات موجية أقرب بعضها من بعض في الوسط الأبطأ).

تكوّن العدسة صورة عن طريق تكسير الضوء:

• محدبة: الشعاعات المتوازية تتجمع عند البؤرة الرئيسية؛ البعد البؤري = مسافة العدسة إلى البؤرة؛ الصور حقيقية أو وهمية.
• محدب: الأشعة تتفرق؛ بالنسبة لجسم حقيقي، تكون الصورة وهمية، قائمة ومتصغيرة.

قواعد رسم الشعاعات (شعاعتان تحددان الصورة): شعاع موازٍ للمحور ينكسر عبر البؤرة (محدبة) أو يبدو قادمًا منها (مقعرة)؛ شعاع يمر بمركز العدسة يستمر مستقيمًا.

• نسبة، بدون وحدات؛ كلا الارتفاعين بالملم أو كلاهما بالسنتيمتر.

مثال محلول. جسم ارتفاعه 5.0 ملم يكون صورة ارتفاعها 20 ملم.

الألوان الطيفية تقابل نطاقات من الطول الموجي (الأحمر الأطول، البنفسجي الأقصر في الحزام المرئي). يمكن أيضًا للمزيج من الأطوال الموجية إنتاج ألوان مُدرَكة.

• الفلتر يمتص بعض الأطوال الموجية وينقل أخرى (الفلتر الأحمر ينقل الضوء الأحمر).
• لون جسم عتيم = الطول الموجي الذي يعكسه بشكل قوي؛ أما الباقي فيمتصه. تحت إضاءة بيضاء، يبدو السطح الذي يعكس جميع الأطوال الموجية المرئية بشكل قوي أبيض؛ والسطح الذي يمتص معظمها يبدو أسود. تنبأ بحالات الضوء الملون بناءً على الأطوال الموجية الموجودة فعلياً.
• الأجسام الشفافة/الشفافة جزئياً تنقل الضوء.
• الانعكاس الموجه مقابل الانتقائي (من قسم الانعكاس) يفسر لماذا تبدو السطح الأحمر أملس وورقي غير لامع.

الجسم فوق الصفر المطلق يشع إشعاع حرارياً ويمكنه امتصاص الأشعة تحت الحمراء. عند درجات الحرارة اليومية، يكون جزء كبير من انبعاثه تحت أحمر. كلما زاد حرارة الجسم، زاد الإشعاع المنبعث منه في الثانية الواحدة.

الجسم الأسود المثالي يمتص كل الإشعاق الساقط — لا انعكاس ولا نفاذ — وهو أيضاً أفضل مشع ممكن (لأنه جيد الامتصاص = جيد الإشعاع).

شدة وتوزيع الطول الموجي للإشعاع المنبعث يعتمد على درجة حرارة الجسم: الأحر → أكثر شدة، ويحرك الذروة نحو طول موجي أقصر.

(HT) في نموذج حيث النقل الحراري هو وسيلة انتقال الطاقة الوحيدة، فإن الجسم عند درجة حرارة ثابتة يمتص بنفس معدل انبعاثه. في الأجسام الحقيقية، يجب أيضاً مراعاة التوصيل والحمل الحراري.

في النموذج الإشعاعي فقط، الامتصاص أسرع من الانبعاث → ترتفع درجة الحرارة. درجة حرارة الأرض تعتمد على توازن الإشعاع الممتص والمنبعث وعلى الانعكاس نحو الفضاء — استخدمها لتفسير الاحترار ومثال انعكاس الجليد، واقرأ الرسم البياني القياسي.

• عرّف السعة، والطول الموجي، والتردد، والدورة؛ استخدم $T = 1/f$ و$v = f\lambda$ مع البادئات.
• صف RP8 في خزان الأمواج وفي وتر؛ صف طريقة قياس سرعة الصوت.
• (الفيزياء فقط) ارسم مخططات الأشعة للانعكاس والانكسار مع العمود المقام؛ RP9.
• صف RP10 بمسافة ودرجة حرارة وتعرض محكومين؛ اميز بين الانبعاث والامتصاص.
• احفظ ترتيب الطيف الكهرومغناطيسي؛ طابق الاستخدامات والمخاطر مع الأسباب؛ قارن بيانات الجرعة.
• (الفيزياء فقط) ارسم مخططات العدسات (محدبة/محدبة)؛ التكبير كنسبة بدون وحدات.
• (الفيزياء فقط) اشرح اللون بالانعكاس، والفلتر بالنفاذ.
• (الفيزياء فقط) إشعاع الجسم الأسود، امتصاصه، وتوازن إشعاع الأرض (HT).

أخطاء شائعة

• القول إن الوسط ينتقل مع الموجة. الموجات تنقل الطاقة؛ والجزيئات تهتز فقط حول مواضع ثابتة.
• قياس السعة من قمة إلى قاع. السعة هي من موضع الراحة إلى قمة، أي نصف هذا الارتفاع.
• قياس الطول الموجي بين قمة والقاع التالي. الطول الموجي الواحد هو من قمة إلى قمة (أو دورة كاملة واحدة).
• نسيان البادئة في $v = f\lambda$: $4.0\ \text{kHz} = 4000\ \text{Hz}$.
• القول إن الانكسار يغير التردد. السرعة والطول الموجي يتغيران عند الحدود؛ بينما يبقى التردد ثابتاً.
• إعطاء التكبير وحدة. التكبير = ارتفاع الصورة ÷ ارتفاع الجسم، وكلاهما بنفس الوحدة، لذا فهو بدون وحدة.
• القول إن فلتر اللون يضيف لوناً. الفلتر الأحمر ينقل اللون الأحمر ويمتص الألوان الأخرى.
• القول إن موجات EM ذات التردد الأعلى تنتقل أسرع. جميع الموجات الكهرومغناطيسية تنتقل بنفس السرعة في الفراغ.