الصوت و الضوء

أحمد هشام أحمد محمد (1/6

الصوت و الضوء
الصوت (بالإنكليزية: Sound) هو تردد آلي، أو موجة قادرة
على التحرك في عدة أوساط مادية مثل الأجسام الصلبة، السوائل،
والغازات،ولاتنتشر في الفراغ, وباستطاعة الكائن الحي تحسسه عن طريق عضو خا ص
يسمى الأذن. من منظور علم الأحياء فالصوت هو إشارة تحتوي على نغمة أو عدة
نغمات تصدر من الكائن الحي الذي يملك العضو الباعث للصوت، تستعمل كوسيلة
اتصال بينه وبين كائن آخر من جنسه أو من جنس آخر، يعبر من خلالها عما يريد
قوله أو فعله بوعي أو بغير وعي مسبق، ويسمى الأحساس الذي تسببه تلك
الذبذبات بحاسة السمع وتقدر سرعة الصوت في وسط هوائي عادي ب 340 متر في
الثانية أو 1026 كم في الساعة. تتعلق سرعة الصوت بعامل الصلابة وكثافة
المادة التي يتحرك فيها الصوت.
§ الصوت هو اهتزاز ميكانيكي للوسط،§
الصوت ليس موجة بل الموجة هي إحدى الاشكال (نماذج الانتشار) التي يبرز
ويتميزبها الصوت وكمثال على نماذج أخرى: التيارات الصوتية والتدفق الصوتي
§
هنالك عوامل أخرى تؤثر على انتشار الصوت وسرعته كطبيعة المادة
(اللزوجة،§ تأثرها بالمجال المغناطيسي)
خصائص الموجات الصوتية
يعتبر
الصوت أحد الظواهر الهامة التي يستعملها الإنسان والحيوان للتخطيط
والتفاهم عن طريق حاسة السمع (الاذن) الي يتم بواستطها تحويل الصوت من
موجات صوتية إلى أشارات كهربائية عن طريق الاذن والمخ والتي تتحول إلى
معلومات مفهومة وتشمل هذه الظواهر جميع الاصوات على اختلاف مصادرها
ووسائلها.
مثلا سماع الاصوات من الآلات الموسيقية وتعدد وسائل الاتصالات
المسموعة التي تعتمد على تحويل الطاقة من صورة إلى أخرى وتطور الأجهزة
الصوتية التي تأخد أشكالا متعددة في تطبيقاتها الحديثة في مجالات الطب
والصناعة والزراعة وغيرها تجعل العلماء والمهتمين بهذا المجال يكثفون الجهد
لفهم الظواهر الموجية من حيث مصادرها وكيفية حدوثها وطرق انتشارها
والعوامل التي تتحكم فيها ومدى الاستفادة منها.
إذا لاحظنا بعناية الطرق
التي يحدث بها الصوت نجد أنه لابد من بدل شغل في كل حالة.الموسيقى يبذل
شغلا لتحريك أوتار الآلة الموسيقية كما أن الصوت الناتج عندما تصفق يديك
لتشجيع فريقا رياضيا مثلا يأتي من بذل شغل وهذا الشغل المبذول بواسطة
اليدين يسبب اضطرابا قي الهواء المحيط منحولا إلى طاقة صوتية تتشكل على شكل
موجات منتظمة عليه فإن الصوت صورة من صور الطاقة إذا استقبلتها الأذن يحدث
الاحساس بالسمع.
و تعتبر دراسة "الصوت" من المواضيع المهمة حيث تستخدم
هذه الدراسات في ابحاث الطيران والفضاء والطاقة المتجددة والطاقة النووية
والابحاث الطبية.
و يمكن توليد الصوت بوسائل ميكانيكية أو حرارية.
وتستخدم الوسائل الحرارية في بناء المبردات الصوتية الحرارية وكذلك في
عمليات الكشف عن الماء الموجود في النفط
تصنيفات الموجات الصوتية
تصنف
الموجات الصوتية طبقا لتردداتها كما يلي:
[عدل]الموجات المسموعة
هي
تلك الموجات التي تقع تردداتها بين 20 هيرتز و20.000هيرتز وتمثل الصوت
المسموع بواسطة الاذن البشرية العادية. حيث أن الحد الأدنى لتردد الصوت
الاصوات التي تحس بها الاذن البشرية الطبيعية هو 20 هيرتز تقريبا بينما
الحد الأعلى هو 20 الف هيرتز وينخفض هذا المدى عند كبار السن إلى حوالي
12.000 هيرتز وأقصى درجات الاحساس بالصوت لأذن بشرية عادية يقع في المدى
بين 5000 هيرتز و8000 هيرتز والذي يشمل ذبذبات الحروف الهجائية. وكما هو
معروف يمكن أحداث الموجات السمعية عن طريق الاحبال الصوتية في الإنسان
ولالات الموسيقية الوترية منها وغيرها من الآلات الأخرى.
الموجات الفوق
سمعية
هي الموجات التي تزيد تردداتها على 20 الف هيرتز والتي تقع خارج
نطاق حاسة الاذن البشرية. وهذا النوع من الموجات ما زال موضع بحث واهتمام
مكثف نظرا للتطبيقات المهمة التي تمس مجالات عديدة في الصناعة والطب
وغيرهما. وقد أصبح بالإمكان إنتاج موجات فوق صوتية تزيد تردداتها على
1000000 هيرتز ولاتختلف هذه الموجات من حيث الخواص عن الموجات الصوتية
الخرى إلا أنه نظرا لقصر طول الموجاتها فإنه بالإمكان تنتقل على هيئة أشعة
دقيقة عالية الطاقة.
الموجات تحت السمعية
هي الموجات الصوتية التي
يقع ترددها عن 20 هيرتز ولاتستطيع الاذن البشرية الاحساس بها واهم مصدر لها
هو الحركة الاهتزازية والانزلاقية لطبقات القشرة الأرضية وما ينتج عنها من
زلازل وبراكين وعليه انها مهمة جدا في رصد الزلازل وتتبع نشاط البراكين.
انكسار
الضوء
الضوء هو موجة عرضية كهرومغناطيسية. ويعد الانعكاسK وانكسار
الضوءK وانحرافه، والتضارب هم ظاهرة يتم ملاحظتها عن طريق الموجات . وتتحرك
الموجة الميكانيكية المتكررة التي تعتبر بمثابة اضطراب أو تشويش متكرر من
خلال موجة متوسطة. وتتحرك الموجة المتوسطة في أي مكان . كما تتقلب الذرات
الفردية والجزيئات في موضعهم المتوازن , حيث لم يتغير موضعهم المتوسط . كما
تنقل هذه الذرات الفردية والجزيئات بعض من طاقتهم لجيرانهم عند التفاعل
معهم. وفي المقابل تنقل الذرات المجاورة طاقتها للذرات الاخري التي تجاورهم
أسفل الخط .وبذلك يتم نقل الطاقة بهذه الطريقة من خلال الموجات المتوسطة ,
دون نقل أي مواد أخرى. وبالتالي , تعتبر كل نقطة علي واجهة الموجة هي مصدر
النقاط التي تعمل علي إنتاج موجات جديدة . وفي الثلاث أبعاد , تعتبر هذه
الموجات الجديدة موجات كروية حيث تسمي (بالمويجات) التي تنتشر نحو الخارج
بسرعة الموجات الموجودة في محيط الموجات المتوسطة. كما تنبعث المويجات عن
طريق النقاط الموجودة علي واجهة الموجة حيث تتداخل مع كل مويجة(تصغير موجة)
لتنتج الموجة المهاجرة أو المغادرة. وتسمي هذه القاعدة (بقاعدة هيجيين) .
وتقوم هذه القاعدة بالتحكم في الموجات الكهرومغناطيسية. وعندما نتعرض
لدراسة انتشار الضوء , فإننا نحل أي واجهة موحية محل مزيج من المصادر التي
تم اضطرابها اعلي الواجهة الموحية، حيث يشع الضوء في هذه المرحلة نقطة علي
صدر الموجة واجهة الموجة الأصلية واجهة الموجة الجديدة . وتمثل واجهة
الموجة الموجودة علي الناحية الأخري من الفتحة صدر الموجة الموضح بالأسفل ,
وذلك عندما يمر الضوء من خلال الفتحة الصغيرة , حيث يتماثل حجم الفتحة مع
طول الموجة الضوئية. وينتشر الضوء علي حدود الحائل أو العارض. ويعتبر هذا
العارض هو ظاهرة انحراف الضوء.
التداخل

وتهاجر موجتان أو أكثر
في محيط الموجة المتوسطة بصورة مستقلة , كما تمر الموجات بعضهم من بعض.
ونلاحظ اضطراب بسيط في بعض المناطق حيث تتداخل الموجات مع بعضها. وعندما
تتداخل موجتان أو أكثر بعضها مع بعض , فان الإزاحة الناتجة تعد متساوية مع
عمليات العزل الفردية. فإذا تداخلت الموجتان مع بعضهم لبعض بمقدار سعات
متساوية, بمعني أن , إذا واجهت قمة الموجة اعلي القمة وإذا قابل جوف الموجة
جوف الموجة الأخر, فإننا سنلاحظ علي التو الموجة الناتجة عن هذا التداخل
بمقدار سعتين . كما أنة لدينا تداخل استدلالي .وإذا كانت الموجتان
المتدخلتان خارج المرحلة بشكل كامل , بمعني أنة , إذا واجهت قمة الموجة
جوفها , فان الموجتان سيقومان بإلغاء كل موجة تعتبر خارج المرحلة بشكل كلي .
ولذلك فإننا لدينا تداخل مدمر ومهلك.
الفتحة المزدوجة
وإذا كان
الضوء ساقطا علي العارض الذي يشتمل علي فتحتان صغيرتان جدا , فان المويجات
الصادرة من كل فتحة ستقوم بالتداخل وراء الحائل . كما أنة إذا سمحنا بسقوط
الضوء علي الشاشة التي تقع وراء العارض , فإننا سنلاحظ نوعا من الخطوط
اللامعة وأيضا المظلمة. كما يعرف هذا النوع من الخطوط اللامعة والمظلمة
بالنمط الهامشي . بينما تشير الخطوط اللامعة والساطعة للتداخل البناء
والاستدلالي , فان الخطوط المظلمة والداكنة تشير إلي التضارب المدمر
والهدام. الشكل( فتحات – شاشة)
الفتحة الفردية
وعندما يمر الضوء من
خلال الفتحة الفردية الذي يبلغ عرضها بنفس طول الموجة الضوئية , فإننا
سنلاحظ انحراف ضوئي في الفتحة الفردية التي يمر الضوء من خلالها. وتخبرنا
قاعدة (هيجيين) بأننا من الممكن أن نعتبر كل جزء من الفتحة هو فتحة يصدر
منها الموجات . وتتداخل هذه الموجات بعضها مع بعض لإنتاج نموذج من انحراف
الضوء أو انكساره. وربما يحدث تضارب مدمر عندما يغادر الضوء الفتحة في
اتجاه معين , ويحدث هذا التضارب بين الأشعة اعلي حافة الفتحة (شعاع رقم 1),
وبين الأشعة الوسطى(الأشعة رقم 5). وإذا تضارب هذان الشعاعان بشكل مدمر ,
فتتداخل أيضا الأشعة الثانية والسادسة , والثالثة , والسابعة , والرابعة ,
والثامنة مع بعض. وعلاوة على ذلك , فان الضوء الصادر من وسط الفتحة يتضارب
بعضه مع بعض بشكل مدمر , ويقوم بإلغاء الضوء المنبثق من النصف الأخر من
الفتحة. ويتوسط الشعاع الأول والخامس طول الموجة خارج المرحلة وذلك إذا كان
ينبغي أن يغادر الشعاع الخامس بدلا من الشعاع الأول نصف طول الموجة
كما
نحتاج لتضارب مدمر لإنتاج أول هامش مظلم . وبالإضافة إلي ذلك يتم إنتاج
الهوامش المظلمة الاخري في نوعا من الانحراف أو الانكسار الضوئي وذلك عن
طريق الفتحة الفردية حيث توجد تلك الهوامش المظلمة علي زوايا θ
وإذا تم
عرض نوع التدخل والتضارب علي شاشة ذات مسافة (L) من هذه الفتحات , فأنة من
الممكن إيجاد طول الموجة من خلال مسافات الهوامش المظلمة.

الضوء
الضوء
هو إشعاع كهرومغناطيسي ذو طول موجي، يمكن العين البشرية أن تراه إذا وقعت
طول موجته بين نحو 750 نانومتر (الضوء الأحمر) و370 نانومتر (الضوء
البنفسجي)، والعين تستطيع رؤية الأجسام غير الشفافة من خلال انعكاس الضوء
عليها. كلمة الضوء تطلق على هذا الحيز الوسطي من طيف الإشعاع
الكهرومغناطيسيالذي يمتد من موجات الراديوية (أو موجات الراديو) المستعملة
في إرسال الراديو بطول موجة بين السنتيمتر وعدة كيلومترات، ويمتد من
الناحية الأخرى للأشعة تحت الحمراء ثم إلى الطيف المرئي ثم إلى الأشعة
الفوق بنفسجية، إلى الأشعة السينية، ثم إلى أشعة جاما التي تصدر من أنوية
الذرات ولها طاقات عالية تُقاس بالمليون إلكترون فولت MeV ودرجة نفاذ
عالية.
انكسار الضوء
الضوء هو موجة عرضية كهرومغناطيسية. ويعد
الانعكاسK وانكسار الضوءK وانحرافه، والتضارب هم ظاهرة يتم ملاحظتها عن
طريق الموجات . وتتحرك الموجة الميكانيكية المتكررة التي تعتبر بمثابة
اضطراب أو تشويش متكرر من خلال موجة متوسطة. وتتحرك الموجة المتوسطة في أي
مكان . كما تتقلب الذرات الفردية والجزيئات في موضعهم المتوازن , حيث لم
يتغير موضعهم المتوسط . كما تنقل هذه الذرات الفردية والجزيئات بعض من
طاقتهم لجيرانهم عند التفاعل معهم. وفي المقابل تنقل الذرات المجاورة
طاقتها للذرات الاخري التي تجاورهم أسفل الخط .وبذلك يتم نقل الطاقة بهذه
الطريقة من خلال الموجات المتوسطة , دون نقل أي مواد أخرى. وبالتالي ,
تعتبر كل نقطة علي واجهة الموجة هي مصدر النقاط التي تعمل علي إنتاج موجات
جديدة . وفي الثلاث أبعاد , تعتبر هذه الموجات الجديدة موجات كروية حيث
تسمي (بالمويجات) التي تنتشر نحو الخارج بسرعة الموجات الموجودة في محيط
الموجات المتوسطة. كما تنبعث المويجات عن طريق النقاط الموجودة علي واجهة
الموجة حيث تتداخل مع كل مويجة(تصغير موجة) لتنتج الموجة المهاجرة أو
المغادرة. وتسمي هذه القاعدة (بقاعدة هيجيين) . وتقوم هذه القاعدة بالتحكم
في الموجات الكهرومغناطيسية. وعندما نتعرض لدراسة انتشار الضوء , فإننا نحل
أي واجهة موحية محل مزيج من المصادر التي تم اضطرابها اعلي الواجهة
الموحية، حيث يشع الضوء في هذه المرحلة نقطة علي صدر الموجة واجهة الموجة
الأصلية واجهة الموجة الجديدة . وتمثل واجهة الموجة الموجودة علي الناحية
الأخري من الفتحة صدر الموجة الموضح بالأسفل , وذلك عندما يمر الضوء من
خلال الفتحة الصغيرة , حيث يتماثل حجم الفتحة مع طول الموجة الضوئية.
وينتشر الضوء علي حدود الحائل أو العارض. ويعتبر هذا العارض هو ظاهرة
انحراف الضوء.
التداخل
وتهاجر موجتان أو أكثر في محيط الموجة
المتوسطة بصورة مستقلة , كما تمر الموجات بعضهم من بعض. ونلاحظ اضطراب بسيط
في بعض المناطق حيث تتداخل الموجات مع بعضها. وعندما تتداخل موجتان أو
أكثر بعضها مع بعض , فان الإزاحة الناتجة تعد متساوية مع عمليات العزل
الفردية. فإذا تداخلت الموجتان مع بعضهم لبعض بمقدار سعات متساوية, بمعني
أن , إذا واجهت قمة الموجة اعلي القمة وإذا قابل جوف الموجة جوف الموجة
الأخر, فإننا سنلاحظ علي التو الموجة الناتجة عن هذا التداخل بمقدار سعتين .
كما أنة لدينا تداخل استدلالي .وإذا كانت الموجتان المتدخلتان خارج
المرحلة بشكل كامل , بمعني أنة , إذا واجهت قمة الموجة جوفها , فان
الموجتان سيقومان بإلغاء كل موجة تعتبر خارج المرحلة بشكل كلي . ولذلك
فإننا لدينا تداخل مدمر ومهلك.
الفتحة المزدوجة
وإذا كان الضوء ساقطا
علي العارض الذي يشتمل علي فتحتان صغيرتان جدا , فان المويجات الصادرة من
كل فتحة ستقوم بالتداخل وراء الحائل . كما أنة إذا سمحنا بسقوط الضوء علي
الشاشة التي تقع وراء العارض , فإننا سنلاحظ نوعا من الخطوط اللامعة وأيضا
المظلمة. كما يعرف هذا النوع من الخطوط اللامعة والمظلمة بالنمط الهامشي .
بينما تشير الخطوط اللامعة والساطعة للتداخل البناء والاستدلالي , فان
الخطوط المظلمة والداكنة تشير إلي التضارب المدمر والهدام. الشكل( فتحات –
شاشة)
الفتحة الفردية
وعندما يمر الضوء من خلال الفتحة الفردية الذي
يبلغ عرضها بنفس طول الموجة الضوئية , فإننا سنلاحظ انحراف ضوئي في الفتحة
الفردية التي يمر الضوء من خلالها. وتخبرنا قاعدة (هيجيين) بأننا من الممكن
أن نعتبر كل جزء من الفتحة هو فتحة يصدر منها الموجات . وتتداخل هذه
الموجات بعضها مع بعض لإنتاج نموذج من انحراف الضوء أو انكساره. وربما يحدث
تضارب مدمر عندما يغادر الضوء الفتحة في اتجاه معين , ويحدث هذا التضارب
بين الأشعة اعلي حافة الفتحة (شعاع رقم 1), وبين الأشعة الوسطى(الأشعة رقم
5). وإذا تضارب هذان الشعاعان بشكل مدمر , فتتداخل أيضا الأشعة الثانية
والسادسة , والثالثة , والسابعة , والرابعة , والثامنة مع بعض. وعلاوة على
ذلك , فان الضوء الصادر من وسط الفتحة يتضارب بعضه مع بعض بشكل مدمر ,
ويقوم بإلغاء الضوء المنبثق من النصف الأخر من الفتحة. ويتوسط الشعاع الأول
والخامس طول الموجة خارج المرحلة وذلك إذا كان ينبغي أن يغادر الشعاع
الخامس بدلا من الشعاع الأول نصف طول الموجة
كما نحتاج لتضارب مدمر
لإنتاج أول هامش مظلم . وبالإضافة إلي ذلك يتم إنتاج الهوامش المظلمة
الاخري في نوعا من الانحراف أو الانكسار الضوئي وذلك عن طريق الفتحة
الفردية حيث توجد تلك الهوامش المظلمة علي زوايا θ
وإذا تم عرض نوع
التدخل والتضارب علي شاشة ذات مسافة (L) من هذه الفتحات , فأنة من الممكن
إيجاد طول الموجة من خلال مسافات الهوامش المظلمة.
طبيعة الضوء
وانتشاره

ينتشر الضوء موجيًّا في جميع الاتجاهات وبسرعة فائقة
جدًّا لدرجة أنه لا يوجد في حياتنا اليومية أي شيء يدعونا للقول إنه يتحرك
أسرع من الضوء. ويكون انتشار الضوء في خطوط مستقيمة. لذلك فان لكل جسيم ظل
عند سقوط الضوء عليه أو على أي شي يصدر منه، لذلك يمكن القول بأن انتشار
الضوء في خطوط مستقيمة هو مبدأ علمي يتحقق من مشاهدة الظل، وكذلك فإن تجمع
الضوء بالعدسات وبالكاميرات هو تطبيق لهذه الحقيقة. تختلف حساسية العين
باختلاف الطاقة الإشعاعية المستقبلة من الأجسام المضيئة أو المرئية، والعين
قادرة على التمييز بين الألوان المختلفة المكونة لضوء العادي ضوء الشمس
المرئي الواصل لسطح الأرض حيث لكل لون خواص مختلفة عن اللون الآخر. ويقع حد
حساسية العين في التمييز أو الرؤية للألوان أي للموجات الضوئية بين الضوء
الذي طول موجته (4000A أو 400 نانو متر) إلى (7000A أو 700 نانومتر) أي
هاتين القيمتين هما حدود الإحساس بالرؤية. لكن للعين أيضًا أن تكشف ضوء
بطول موجة خارج عن هذه الحدود إذا كانت شدة الضوء عالية لدرجة كافية.
ويستخدم الألواح الفوتوغرافية والكاشفات الإلكترونية الحساسة للكشف عن
الإشعاع بدلاً عن العين البشرية وخاصة خارج الحدود المذكورة (4000-7000A)
هذه الحدود تعرف بحدود الضوء المرئي (visible light).
وحسب تعريفنا
السابق للضوء فيمكن أن نعرّف طبيعة الضوء استنادًا إلى معادلات ماكسويل
ونظرية الكهرومغناطيسية بأنه عبارة عن اضطراب كهرومغناطيسي ينتشر على هيئة
موجات مستعرضة، جزء منها يتغير فيها الجهد الكهربي دوريًّا، والجزء الآخر
يتغير فيه المجال المغناطيسي دوريًّا أيضًا وبنفس معدل تغير الجهد الكهربي.
والاثنان متعامدان على بعضهما.

موجة يتغير فيها المجال
الكهربي E متعامدا على موجة يتغير فيها مجال مغناطيسي B. وتنتشر الموجة في
الاتجاه k العمودي على المستوي الذي ينغير فيه المجالان (أي من اليسار إلى
اليمين)
وتتميز الموجة الكهرومغناطيسية عامة بالعوامل التالية :
1-
سعة الموجة (a) بالمتر.
2- طول الموجة (λ) بالمتر.
3- سرعة الموجة
(υ) متر/ثانية.
4- التردد (f) هرتز أي دورة/ثانية.
5- العدد الموجي
(k) أي عدد الموجات لكل وحدة طول والذي يساوي (2Π/ λ) (متر) (-1).
6-
الترددالزاوي (ω) والذي يساوي (ω=2Πf).
العلاقة الخاصة بسرعة الموجات
تعطى كالتالي (υ=λ.f)، وفي حالة الموجات الكهرومغناطيسية تكون العلاقة c
=λ.f حيث c سرعة الضوء في الفراغ. وهي تقدر بنحو 300000 كيلومتر / ثانية.
وقد
أثبت أينشتين في النظرية النسبية أن سرعة الضوء في الفراغ ثابتة لا تتغير،
وأنها أعلى سرعة على الإطلاق ولا تستطيع الأجسام الوصول إليها. حيث أن
الأجسام تزيد كتلتها كلما إقتربت سرعتها من سرعة الضوء.
وفي علم
البصريات والموجات تقاس الأطوال بوحدات صغيرة جداً والمستخدم هو الميكرومتر
μm، والمللي ميكرومتر mm، أو النانومتر nm، أو الانجستروم A، حيث :
1A=10
(-10) meter
1μ=10 (-6) meter
1 nm = 10 (-3)µm=10 (-9) meter
فمثلاً
طول الموجة الضوء الأصفر هي (5890A) وهي ضمن حدود حد الرؤية (4000A-7000A)
ومنبع الضوء حولنا هي الشمس وهذا لا يعني أن الشمس فقط هي مصدر الضوء
الوحيد، فالنجوم والمجرات تـُصدر ضوءا. وفى حياتنا اليومية نحصل على الضوء
بواسطة الكهرباء والمصابيح. ولاننسى النار فهي أيضا مصدر للضوء.

thank you

شكرا ميس رحاب

» الصوت و الضوء
» خصائص الضوء و الصوت
» الضوء
» الضوء
» الضوء