الموجات: الطاقة التي تنتقل
الموجات تتقاطع بركة الماء، والضوء يتقاطع الغرفة، والصوت يتقاطع الهواء — تحمل الموجات الطاقة والمعلومات دون نقل المادة. يقدم هذا القسم مفرداتها ومعادلاتها، والطيف الكهرومغناطيسي مع استخداماته وخطره، وسلوك الضوء والصوت (P): الانعكاس والانكسار والانعكاس الكلي الداخلي.
فيزياء Edexcel الدولية IGCSE 4PH1، القسم 3 (العبارات 3.1–3.29P). الوحدات: درجة (°)، هرتز (Hz)، متر (m)، م/ث، ثانية (s).
خصائص الموجات
الموجات المستعرضة تهتز عمودياً على اتجاه الحركة (الضوء، الماء). الموجات الطولية تهتز على طول اتجاه الحركة كضغطات وتخلخلات (الصوت). المفردات: السعة (أقصى إزاحة)، طول الموجة λ (من قممة إلى القمة التالية)، التردد f (موجات في الثانية، هرتز)، الفترة T (الزمن لكل موجة)، جبهة الموجة (خط من قمم متزامنة).
فحص محلول. موجة صوتية 340 هرتز بسرعة 340 م/ث: $\lambda = 340/340 = 1$ متر؛ فترة $= 1/340 \approx 2.9$ ميلي ثانية. تأثير دوبلر: مصدر يتحرك نحو مراقب يُكدس جبهات الموجات — تردد رُصد أعلى؛ Moving away يمتدها — تردد أقل.
الطيف الكهرومغناطيسي
عائلة واحدة، نفس السرعة في الفراغ، مرتبة حسب تناقص طول الموجة (زيادة التردد): راديو ← ميكروويف ← أشعة تحت حمراء ← مرئية (من الأحمر إلى البنفسجي) ← فوق بنفسجية ← أشعة إكس ← غاما.
| الإشعاع | الاستخدام | الخطر |
|---|---|---|
| راديو | البث، الاتصالات | — |
| ميكروويف | الطهي، التلفاز الفضائي | تسخين الأنسجة الداخلية |
| تحت حمراء | المدافئ، الرؤية الليلية | حروق الجلد |
| مرئية | الألياف الضوئية، التصوير الفوتوغرافي | — |
| الأشعة فوق البنفسجية | المصابيح الفلورية | تلف خلايا السطح، العمى |
| أشعة إكس | تصوير داخل الأجسام/الأجسام | السرطان، الطفرات (إيوني) |
| أشعة غاما | تعقيم الطعام والمعدات | السرطان، الطفرات |
الحماية: تقييد وقت التعرض، الحواجز، واقي الشمس (للأشعة فوق البنفسجية).
الضوء والصوت
الضوء مستعرض وينعكس ويشتت. قانون الانعكاس: زاوية السقوط = زاوية الانعكاس. الانكسار: عند الدخول في الزجاج (أكثر كثافة بصرياً)، يتباطأ الضوء وينحني نحو العمود المقام؛ وعند الخروج، ينحوي بعيداً عنه.
يحدث الانعكاس الكلي الداخلي عندما تتجاوز الزاوية داخل الوسط الأكثر كثافة الزاوية الحرجة — وهو مبدأ الألياف البصرية (الاتصالات، المناظير الداخلية) والبرازم في التلسكوبات.
تحقق محلول. زجاج بـ $n = 1.5$: $\sin c = 1/1.5 = 0.667$، إذن $c \approx 41.8°$. شعاع داخل الزجاج يصطدم بالحدود عند 45° يتجاوز 41.8° — يُنعكس كلياً داخلياً.
(P) الصوت موجة طولية، 20–20 000 هرتز للسمع البشري؛ يرتفع النبرة مع التردد، والشدة مع السعة. يعرض راسم الأوسيلوسكوب مع ميكروفون الموجة؛ تجارب عملية تقاس صدى أو رنين لإيجاد سرعة الصوت في الهواء.
تحقق من نفسك
- اذكر تشابهاً واحداً واختلافاً واحداً بين الموجات المستعرضة والطولية.
- عرّف السعة، والطول الموجي، والتردد.
- موجة ترددها 500 هرتز تسير بسرعة 340 م/ث. احسب طولها الموجي.
- رتب طيف الإشعاع الكهرومغناطيسي حسب التزايد في التردد.
- اذكر استخداماً واحداً لكل من الميكروويف، والأشعة تحت الحمراء، وأشعة غاما، وخطراً واحداً للأشعة فوق البنفسجية.
- نص قانون الانعكاس.
- كيف ينحني الضوء عند الدخول في الزجاج وخروجه منه؟
- معامل انكسار الزجاج n = 1.5. احسب الزاوية الحرجة.
- (P) اذكر نطاق ترددات السمع البشري وما الذي يرفع النبرة والشدة.
- (P) كيف يتغير رسم راسم الموجات عندما يصبح الصوت أعلى بنفس النبرة؟
الإجابات: 1 كلاهما ينقل الطاقة دون نقل المادة؛ المستعرضة تتذبذب عبر اتجاه الحركة (ضوء)، والطولية على طولها كضغوط (صوت)؛ 2 السعة — أقصى إزاحة عن موضع الراحة؛ الطول الموجي — المسافة بين نقاط متماثلة متتالية؛ التردد — عدد الموجات المارة في الثانية؛ 3 $\lambda = 340/500 = 0.68$ م؛ 4 الراديو، الميكروويف، الأشعة تحت الحمراء، المرئية، فوق البنفسجية، أشعة إكس، جاما؛ 5 الميكروويف — الطهي/الأقمار الصناعية؛ الأشعة تحت الحمراء — المدفئات/الرؤية الليلية؛ جاما — التعقيم؛ الأشعة فوق البنفسجية تدمر الخلايا السطحية وقد تسبب العمى؛ 6 زاوية السقوط = زاوية الانعكاس؛ 7 نحو العمودي عند الدخول، بعيداً عنه عند الخروج؛ 8 $\sin c = 1/1.5$، $c \approx 41.8°$؛ 9 (P) 20–20 000 هرتز؛ تردد أعلى يرفع النبرة، وسعة أكبر ترفع الشدة؛ 10 (P) تزداد قمم المنحنى ارتفاعاً (السعة) بينما يبقى عدد الدورات في الثانية (التردد) ثابتاً.