لینک پرداخت و دانلود *پایین مطلب*
فرمت فایل:Word (قابل ویرایش و آماده پرینت)
تعداد صفحه15
فهرست مطالب
منشأ وچگونگی تشکیل امـواج
بنا به تعریف موج هرگاه در یک محیط آشفتگی وبی نظمی ایجاد کنیم موج ایجاد می شود.مثلاً با یک عمل ساده وانداختن یک سنگ داخل آب باعث ایجاد موج در آن محیط مایع شده ایم که به صورت دایره های متحدالمرکز از نقطة افتادن سنگ به طرف اطراف پراکنده شده و منتشر میشوند یا با ایجاد صوت و سروصدا موج صوتی تولید کرده ایم. علت پیدایش و انتشار امواج تغییر نیرو و یا فشاری است که بر اثر انرژی چشمة موج(1) (مرکز شروع فعالیت امواج) در ذرات محیط بوجود می آید.
عملکرد امـوج
به طور گسترده ما می توانیم محیط قابل ارتعاش را مجموعه ای از ذرات فرض کنیم که توسط فنرهایی بهم وصل هستند.
مطابق شکل:هرگاه ذرة شمارة1 را با صرف انرژی به جلو بکشیم وآن را
از وضع تعادل(1) دور کنیم بر ذرة شمارة2 نیرویی وارد می کند که این
(1) مکانی است که در آن نیروهای وارد بر جسم در حال تعادل هستند.
نیرو ضمن آنکه این ذره را از وضعیت تعادل دور می کند واکنشی بر ذرة اولی وارد می آورد و قصد دارد آن را به حالت اولیه باز گرداند و این چنین می شود که ذرة1 می استد و ذرة 2 کار ذرة 1 را انجام می دهد ودومی می ایستد و 3 نوسان می کند و این گونه سبب تغییر شکل در ابتدای ذره به انتهای جسم منتقل می شود.
انواع موجـها
موجها از لحاظ فیزیکی به دو دسته عمده تقسیم می شوند:
1)امواج میکانیکی
2)امواج الکترومغناطیسی
امواج میکانیکی: امواجی هستند که فقط در محیطهای مادی انتشار می یابند واین محیط مادی می تواند یک بعدی,دو بعدی یا چند بعدی باشد.موجهای میکانیکی در محیطهای کشسان تولید و منتشر می شوند.محیط کشسان محیطی است که اگر تغییر شکلی در آن روی دهد آنرا به حالت اولیه خود باز می گرداند.
مثل فشردگی فنر,صوت,زلزله و امواج ایجاد شده در سطح آب نمونه هایی از این امواج هستند.
امواج میکانیکی از لحاظ طریقة انتشار به دو گروه تقسیم می شوند:
1)امواج عرضی:جابجایی اجزای محیط عمود بر راستای انتشار است این امواج را می توان با قله ها و دره هایی که در هنگام انتشار ایجاد می کند تشخیص داد.
در موج عرضی فنر,آشفتگی در هر جا بوجود می آید کنش و واکنش هایی در اجزای مجاور ایجاد می شود که سبب انتقال آشفتگی به ذرات مجاور می شود.
2)امواج طولی:جابجایی محیط در راستای انتشار موج است مثل موج ایجاد شده در فنر که به صورت انقباض یا انبساط آن صورت می گیرد یا بر اثر فشار پیستون بر هوا, حرکت اتومبیل در جاده و برخورد با مولکولهای.
مشخصات ظاهری امواج
حرکت عمودی موجها از این نکته ناشی می شود که می تواند پس از گذراندن مسیری باطول ثابت به پیمان نقطه اولیه خود باز گردد (از لحاظ فیزیکی و جابجایی) و دوباره نوسان کند مثل آونگ ساده و حرکت رفت وبرگشتی داشته باشد.
با توجه به این خصوصیات و پیشروی در محیط می توانیم این مشخصه ها را برای امواج نسبت داده وتوجه کنیم.
1)طول موج: تعداد مسافت پیموده شده توسط موج در یک دوره از زمان را طول موج گویند وبا نشان می دهند و این دوره زمانی کامل می شود که موج پس از جابجایی به مکان فیزیکی قبلی خود برسد.
2)دورة موج: مقدار زمانی است که یک نقطه نوسان کامل انجام می دهد و با نشان می دهیم.
3)سامد: تعداد نوسانات در مدت یک دوره را سامد حاصل از نوسان گوییم و با نشان می دهیم این سامد موج است که ذرات محیط را به نوسان وا می دارد. نوع نوسان و جهت نوسان ذره یکسان است.
4)سرعت انتشار امواج: عبارت است از تعداد انتقال موج به زمان انتقال آن و با v نشان می دهیم.
می دانیم که امواج انرژی را انتقال می دهند و به همین علت است که باعث نوسان در محیط نوسانی می شوند پس کار انجام می دهند و هر جسمی که کار انجام می دهد دارای شتاب می باشد. واین انرژی از حرکت و سکون امواج ناشی می شود در حرکت انرژی جنبشی و در سکون انرژی پتانسیل وجود دارد.
امواج الکترومغناطیسی:برای انتشار خود بر خلاف امواج میکانیکی به محیط مادی نیاز ندارد و سرعت انتشارشان بسیار بیشتر از امواج میکانیکی است به صورت عرضی منتشر می شوند و اگر در مسیر حرکتشان هیچ نوع محیطی از لحاظ مادی موجود نباشد با بیشترین سرعت یعنی با سرعت نور حرکت می کنند و این امواج در خلأ سرعت انتشار یکسانی دارند.
این امواج به«نور,فرابنفش,فروسرخ,امواج رادیویی,میکروویو,اشعة » تقسیم می شوند.
تولید امواج الکترومغناطیسی
هرگاه دو میدان الکتریکی و مغناطیسی را بر هم عمود کنیم موجهای الکترومغناطیسی (الکتریکی ـ مغناطیسی) حاصل می شود.این امواج در اثر شتاب گرفتن ذرات باردار تابش می شوند و بر جهت انتشار موج عمودند و میدان های الکتریکی و مغناطیسی در هر نقطة فضا به طور نوسانی تغییر می کنند.
وجود الکتریسیته بدون وجود مغناطیس ووجود مغناطیس بدون الکتریسیته نـا ممکن است در واقع هر دو اینها یک چیز را می سـازند که امـواج الکترومغناطیس نامیده می شوند.
بنابه شواهد هرگاه الکتریسیته بوجود آید مغناطیس تولید می کند و وجود مغناطیس نیز الکتریسیته تولید می کند و بهمین ترتیب و به طور متناوب این تبدیلات مغناطیس به الکتریسیته وبالعکس ادامه می یابد و به این ترتیب میدان الکترومغناطیسی با این تبدیل متناوب در همه جهات به بیرون راه می یابد و الکترومغناطیس تشکیل می شود.
امواج الکترومغناطیسی وقتی بوجود می آیند که چیزی حامل بارالکتریکی نوسان کند یعنی طرف عقب و جلو حرکت کند پس هر مرتبه که بار الکتریکی به عقب و جلو حرکت می کند یک موج بوجود می آید.
موجهای الکترومغناطیسی کلاً طیفی پیوسته را تشکیل می دهند یعنی رفته رفته با ایجاد ویژگی هایی امواج به هم تبدیل می شوند و هیچ فاصله ای بین این امواج وجود ندارد وهیچ سامدی از لحاظ عددی وجود ندارد که در این طیف وجود نداشته باشد و درکل طیف امواج الکترومغناطیسی پیوسته است.
دسته بندی امواج الکترومغناطیسی
الف) امواج رادیویی و میکروویو:
همانطور که از نام امواج رادیویی بر می آید این موجها در سیستم های رادیویی (شنیدن از راه دور) بکار گرفته می شوند این امواج باید دارای طرحهای بلند باشند و در هر موجی که طول آن بلند باشد سامد کمتری دارد پس قدرت تخریبی و در نتیجه زیان کمتری دارد. این امواج به سه دستة کلی امواج بلند, موج کوتاه و موج بسیار کوتاه تقسیم می شوند. امواج رادیویی بسیار کوتاه معمولاً میکرو موج نامیده می شوند این موجها دارای طول موجهایی بین 10/1 الی 16 سانتیمتر هستند پس در بین سیستم های قرار می گیرد.
امواج رادیویی در واقع بیشترین کاربرد را در جهان امروزه دارند از تلویزیون و ماهواره گرفته تا رادیوی منزل همگی با امواج رادیویی کار می کنند.
این امواج بخاطر لایة یونوسفر(1) که باردار یونی دارد بوسیلة یونوسفر بازگردانده می شوند پس امواج رادیویی می توانند با رفت آمد بین سطح زمین و یونوسفربه دور انحنای زمین سیرکنند و انتقال یابند.
1) لایه ای از ذرات باردار در جو بالایی زمین
اما ما چگونه می توانیم صدا را بشنویم در حالی که امواج رادیویی جزء الکترومغناطیس است و صوت جزء امواج میکانیکی به این ترتیب باید امواج رادیویی به موج صوتی تبدیل شوند.
از میکروموجها در پژواک و تعیین فاصله استفاده می شود. چون جزء امواج رادیویی است برای سیر نیاز به محیط مادی ندارد پس با فرستاده شدن به سمت سیارات و عبور از جو در محیط غیر مادی می توان با برخورد به سیارات دیگر و پژواک آن با اندازه گیری زمان رفت و برگشت فاصله زمین تا آن سیاره را حدث زد.
تصویر و صدای تلویزیون, توسط موجهای الکترومغناطیسی که نوعی موج
نور است به گیرنده های تلویزیون می رسد.
در لوازم صوتی از امواج رادیوی استفاده می شود چون دارای طول موجهای بلند وسامدهای کوتاه هستند که می توانند با سرعت زیاد انتقال یابد.در لوازم تصویری از امواج میکروویو که طول موجهای کوتاهتری دارند استفاده می شود و بوسیلة آنتن به سمت تلویزیون حرکت می کنند.که این امواج در داخل تلویزیون به امواج صوتی تبدیل شده تا صدای آن را بشنویم و هم تصویر را ببینیم.این امواج در داخل تلویزیون به امواج طول کوتاه تبدیل می شوند.
امواج صوتی و هادی های مختلف
پرکاربردترین موج میکانیکی موج صوتی است که بیشترین سروکار را با آن داریم. سرعت سیر این گونه امواج در مواد مختلف متفاوت است این موج در محیطهای مادی انتشار می یابد پس هر چه محیط متراکم تر وجامدتر باشد آن محیط توانایی انتقال صوت را در مدت کم دارا خواهد بود, چون مولکولها واتمها در جامدات بسیار نزدیک هم چیده شده اند پس ذرات زود انرژی را بهم منتقل می نمایند تا در موادی که مولکولها از هم فاصله زیاد دارند بهمین جهت است که ما از سیم در وسیلة تگراف بهره می گرفتیم.
در زیر سرعت صوت چند ماده را شاهد هستیم:
هوا 331
اکسیژن 316
نیتروژن 334
هلیوم 965
هیدروژن 1285
آب مقطر 149
آب دریا 1530
الکل 1200
آلومینیوم 6420
آهن 5960
شیشه 5970
سرب 1960
همانطور که در گازها می بینیم چون هیدروژن از همة آنها متراکمتر است پس سرعت صوت در آن بیشتر است.(سرعت انتشار موج صوتی در یک محیط به ویژگیهای محیط انتشار آن موج بستگی دارد)
موجهای صوتی دو دستة فراصوتی بالای Hz 20000 و فروصوتی پایین 20 را شامل می شود.
بعضی از حیوانات مثل سگها گسترة وسیعتری از سامدهای 15 الی Hz50000 را می شنوند یا خفاش ها تا سامد Hz 100000 را می شنوند. موجهای فراصوتی کاربردهای زیادی در علم پزشکی و صنعت دارند.
صوت
در مورد انتشار موج در طناب یا سطح آب آشفتگی به صورت برجستگی و یا فرورفتگی است ولی در حالت انتشار صوت در هوا آشفتگی به صورت لایه های تراکمی وانبساطی یا لایه های کم فشار و پرفشار است. که این لایه ها در اثر حرکت نوسانی ذرات حول وضع تعادل خود بوجود می آیند.
اگر چشمة صوت, صوت را بطور یکنواخت در تمام جهات منتشر دهد به صورت موج کروی در فضا منتشر می شود.
لوله های صوتی
هم با امواج عرضی و هم با امواج طولی می توانیم موج ایستاده ایجاد کنیم.این موج را می توانیم در یک فنر و یا یک ستون هوا ایجاد کرد.
لولة صوتی تشکیل شده از یک ستون که در داخل هوا وجود دارد و می توان درون آن موج ایستاده تشکیل داد.
وقتی که در دهانة لولة صوتی می دمیم یک موج صوتی در هوای داخل آن انتشار می یابداین موج از دو انتهای لوله باز تابیده می شود و از بر هم نهی امواج فرودی و باز تابیده شده موج ایستاده تشکیل می شود.
اگر انتهای لوله بسته باشد مولکولهای هوا نمی توانند در این انتها نوسان طولی داشته باشند بنابراین در انتهای بسته گره تشکیل می شود و اگر باز باشد مولکولها آزادانه نوسان می کنند و شکم بوجود می آورند.
1) هنگامی که یک انتهای لوله باز و انتهای دیگر بسته باشد!
در انتهای باز شکم و در انتهای بسته گره بوجود می آید بیشینة دامنه در حالتی است که در آن فشار وچگالی لایة هوا بیشینه باشد.
در این حالت طول لوله L با فاصله گره تا شکم برابر است.
موج ایستادة تشکیل شده در این حالت, کوچکترین سامد را دارد و صوت اصلی نامیده می شود. مضربهای درست این صوت را هماهنگ های صوت اصلی می نامند. این هماهنگها هنگامی ایجاد می شوند که تعداد بیشتری شکم وگره در لوله تشکیل شود مثل تار مرتعش.
و در حالتی که n گره در داخل لوله صوتی در این حالت تشکیل شود طول موج مربوط به 2n-1 هماهنگ با رابطة زیر بدست می آید:
وسامد این صوت برابر است با:
سامد امواج به صورت 5v1,3v1,v1 و ... است. این حالات نوسانات طبیعی هوا داخل لوله صوتی که یک انتهای آن بسته به شمار می آید.
2) هنگامی که هر دو انتهای لوله باز است!
دو گرة , سه گره , گره , طول موج صوت فرودی هنگامی که n گره تشکیل می شود.
یعنی سامد نوسانات طبیعی هوای داخل این لوله به صورت nv1 … ,2v1,v1 است.
روش مناسب و موثر در ایجاد بر هم نهی امواج در ستون هوا استفاده از پدیدة تشدید است. تشدید زمانی رخ می دهد سامد نیروی وارد با سامد طبیعی نوسانگر برابر باشد, تشدید بوجود می آید و در اینجاست که با نیرویی که می دهیم بیشترین انرژی ممکن به نوسامگر انتقال می یابد. در لولة صوتی می توانیم با اعمال نیرو به طور دوره ای نوسان ایجاد کنیم از دیاپازون استفاده می کنیم و اگر دیاپازون سامدش با هر یک از سامدهای طبیعی لولة صوتی برابر باشد تشدید رخ می دهد.
صوت های موسیقی
صوتی را که انسان می شنود بر حسب بلندی , ارتفاع و طنین بیان می کنند. وقتی تاری مرتعش می شود تنها هماهنگ اول آن ایجاد نمی شود بلکه هماهنگی های دیگر نیز بوجود می آیند. از برهم نهی این هماهنگها موج مرکب تولید می شود آنچه ما می شنویم از این موج مرکب حاصل می شود.
در شکل بالا نسبت دامنه هماهنگی هایی که در تشکیل موج مرکب سهیم اند به دامنه هماهنگ اصل آمده است. در هر دو مورد سامد صوت اصلی 440 هرتز است ولی تعداد و دامنه هماهنگی هایی که در ساختن این موج مرکب سهیم اند در هر دو مورد تفاوت دارد. در نتیجه شکل موج مرکب حاصل با یکدیگر متفاوت است.
طنین صوت به شکل موج بستگی دارد یعنی به نوع و تعداد و دامنة هماهنگهایی که ایجاد شده اند وابسته است ارتفاع صوت با سامد موج اصلی که موج مرکب از آن ساخته می شود تعیین می شود و بلندی صوت به شدت صوت و خصوصیات شنوایی شنونده بستگی دارد.
صوت موسیقی یا نت: از ارتعاشات منظم تشکیل شده است.
فاصلة موسیقی: نسبت سامد دو نت را گویند.
گام موسیقی: مجموعه ای از چند نت که فاصلة آنها برای گوش خوشایند است.
تداخل امواج نوری
یک شکاف کوچک نقطه ای مقابل چشمة نور ایجاد می کنیم در فاصلة کمی از شکاف s دو شکاف موازی s1,s2 که با s موازی و هم فاصله اند قرار می دهیم. نور رسیده به شکافهای s1 و s2 مثل دو چشمه هم بعد, هم دامنه و هم فاز عمل می کند. نورهای گسیل شده از دو چشمه با یکدیگر تداخل با یکدیگر تداخل با کرده و نوارهای روشن و تاریک بر روی پرده تشکیل می شود.
نقطة دیگر مثلp را در نظر می گیریم اختلاف فاز پرتوها را می توان چنین تعیین کرد.
اگر مضرب زوجی از باشد در این صورت دو پرتو که به پرده می رسند هم فازند وتداخل شان سازش است و نوار روشن تشکیل می شود. اگر n=0 آنگاه نوار روشن مرکزی بدست می آید.
اگر مضرب فردی از باشد آنگاه دو موج که به پرده می رسند ویرانگراند و در نتیجه نوار تاریک تشکیل می شود.
اگر m=1 باشد اولین نوار تاریک بدست می آید. که در دو طرف نوار روشن مرکزی قرار می گیرند و میان اولین نوار روشن و نوار روشن مرکزی قرار می گیرد.
موضوع تحقیق:
امـواج
نام درس:
فیزیک
نام دانشجو:
هادی اصلانی
نام دانشگاه:
دانشگاه آزاد اسلامی واحد میانه
تحقیق در مورد امواج