موج (فیزیک)
موج (فیزیک)(wave)
در فیزیک، کمیتی متغیر و وابسته به زمان و مکان به‌صورت نوسان در حال انتشار از چشمه. موج‌های مکانیکی برای انتشار نیاز به محیط مادی دارند. موج‌های الکترومغناطیسی[۱] نیاز به محیط مادی ندارند و در خلأ هم قابل انتشارند. موج‌ها حامل انرژی‌اند، ولی ماده را از نقطه‌ای به نقطۀ دیگر انتقال نمی‌دهند. موج‌ها، بر دو نوع‌اند: موج طولی[۲]، مثل موج صوتی[۳]، موجی است که در آن راستای آشفتگی نوسانیِ مولد موج موازی با جهت انتشار است؛ موج عرضی[۴]، مثل موج الکترومغناطیسی، موجی است که در آن راستای آشفتگی نوسانی عمود بر جهت انتشار است. موج در حین عبور از محیط انتشار محیط را برای همیشه جابه‌جا نمی‌کند. (← موج_ایستاده).
انواع موج‌ها. موج‌ها را به‌شیوه‌های گوناگون دسته‌بندی می‌کنند. یکی از این دسته‌بندی‌ها، براساس طرز انتشار آن‌هاست. در هر موج عرضی، راستای جابه‌جایی محیط بر جهت انتشار موج عمود است. موج مکانیکی در حال انتشار در طول تار کشیده نمونه‌ای از این نوع موج است. در این مورد، حرکت تار در امتداد عمود بر حرکت موج است. موج‌های الکترومغناطیسی نمونۀ دیگری از امواج عرضی‌اند که در آن‌ها، جهت‌های میدان‌های الکتریکی و مغناطیسی، هر دو، عمود بر راستای انتشار و حرکت موج است. در موج‌های طولی راستاهای آشفتگیِ نوسانی در امتداد موازی با جهت حرکت و انتشار موج است. هر موج طولی از مجموعه‌ای از رقت‌ها و تراکم‌ها یا حالت‌های کمینه و بیشینۀ چگالی و فشار تشکیل می‌شود. این نوع موج‌ها بنابر ماهیتشان همیشه از انواع امواج مکانیکی‌اند و از این‌رو برای انتشار، نیاز به محیط مادی دارند. موج‌های صوتی نمونه‌ای از امواج طولی‌اند. امواجی که با افتادن سنگی در آب به‌صورت دایره‌های هم‌مرکز تشکیل می‌شوند موج‌های دایره‌ای[۵] نامیده می‌شوند و در تشتک موج برای بررسی قابل تولیدند. موج‌هایی را که به‌صورت خطوط موازی در سطح آب پدید می‌آیند، امواج تخت[۶] می‌گویند.
ویژگی‌های موج. هر موجی، طول موج خاص خود را دارد. فاصلۀ بین قله‌های متوالی یا قعرهای متوالی موج را طول موج[۷] می‌گویند. طول موج را با حرف یونانی λ نشان می‌دهند. تعداد ارتعاشات موج در هر ثانیه را بسامد[۸] موج می‌گویند. معکوس این کمیت را دورۀ تناوب[۹] موج می‌نامند. دوره فاصلۀ زمانی است که در آن یک چرخۀ کامل از نوسان موجی صورت می‌گیرد. سرعت انتشار موج را از ضرب‌کردن بسامد موج در طول موج آن به‌دست می‌آورند.
خواص موج. سرعت انتشار موج هنگام انتقال از محیطی به محیط دیگر تغییر می‌کند و در محیط دوم با سرعت متفاوتی حرکت خواهد کرد. این تغییر سرعت سبب می‌شود که جهت انتشار آن نیز تغییر کند. این خاصیت را شکست موج[۱۰] می‌گویند. مقدار زاویۀ شکست[۱۱] بستگی به آن دارد که موج از محیطی با سرعت بیشتر وارد محیطی با سرعت کمتر شود یا به‌عکس. هر موجی که با سدی روبه‌رو شود، دچار بازتاب می‌شود. موج ممکن است باز زاویه‌های متفاوتی بازتابیده شود و مجدداً در همان محیط انتشار قبلی به حرکت درآید. در فرایند بازتاب، زاویۀ تابش (زاویۀ بین پرتو تابشی و خط عمود بر سطح بازتابنده) با زاویۀ بازتاب (زاویۀ بین پرتو بازتابیده و خط عمود بر سطح بازتابنده) برابر است. (← بازتاب_داخلی_کلی). پژواک تکرار موج صوتی براثر بازتاب از سطح است. هر موجی در ضمن حرکت ممکن است گستردگی بیشتری پیدا کند که به پراش[۱۲] معروف است و عمدتاً وقتی پیش می‌آید که موج با جسم جامدی برهم‌کنش داشته باشد. حدود اندازۀ گستردگی پراش به ارتباط بین طول موج و اندازۀ جسم یا شکافی بستگی دارد که موج از لای آن عبور می‌کند. پدیدۀ پراش و گسترش موج وقتی محسوس است که طول موج و ابعاد جسم و شکاف باهم قابل مقایسه باشند. اجسامی که ابعاد بزرگ دارند، به‌سبب آن‌که اختلاف بین ابعاد جسم و طول موج به قدری زیاد است که مانع از پراشیده‌شدن موج‌های نور می‌شود، از خود سایه ایجاد می‌کنند. در این‌صورت، سایه‌ای تاریک تشکیل می‌شود. هنگامی‌که دو یا چند موج در نقطه‌ای به یکدیگر می‌رسند، از برهم‌کنش آن‌ها، بسته به این‌که موج‌های ترکیب‌شونده هم‌فاز یا ناهم‌فاز باشند موج برایندی با دامنۀ بزرگ‌تر یا کوچک‌تر تشکیل می‌شود. این پدیده را تداخل[۱۳] می‌گویند. در موج‌های عرضی، ممکن است با پدیدۀ قطبش[۱۴] هم روبه‌رو شویم. اگر نوسانات موج در جهات بسیار متعدد و متفاوتی، که همگی در راستاهای عمود بر جهت انتشارند، اتفاق بیفتند، موج را ناقطبیده[۱۵] می‌گویند؛ اما اگر راستاهای نوسان فقط در یک صفحه محدود شده باشد، موج قطبیده است. پدیدۀ قُطبش را دربارۀ نور، که دارای ماهیت موج عرضی است، می‌توان مشاهده کرد.
'دام'نۀ نوسان. بیشینۀ جابه‌جایی از وضعیت تعادل (ارتفاع قله‌ها یا عمق قعرها) در هر نوسان را دامنه[۱۶] می‌گویند. در موج صوتی، دامنه متناظر با شدت یا بلندی صدا است. دستگاه‌های مکانیکی را با اِعمال نوسانات مناسب می‌توان وادار به ارتعاش کرد. وقتی‌که بسامد نوسانات را تغییر می‌دهیم، دامنۀ ارتعاشات در بسامدی متناظر با بسامد طبیعی دستگاه به بیشینه می‌رسد. اگر بر دستگاه نیرویی وارد شود که بسامدی برابر با بسامد طبیعی داشته باشد، ارتعاشات ایجادشده در آن بسیار شدید می‌شود و پدیدۀ تشدید اتفاق می‌افتد.
موج‌های الکترومغناطیسی. امواج الکترومغناطیسی همه با سرعت یکسانی منتشر می‌شوند که همان سرعت نور است. طیف الکترومغناطیسی از گسترۀ بسیار متنوعی از موج‌های دارای طول موج‌ها و بسامدهای بسیار متفاوت تشکیل می‌شود. این طیف شامل موج‌های رادیویی، تابش فروسرخ، نور مرئی، تابش فرابنفش، پرتوهای ایکس، و پرتوهای گاماست. بسیاری از رنگ‌هایی که هر روزه در برخورد با اجسام مشاهده می‌کنیم، براثر پدیده‌ای با نام جذب نور[۱۷] ظاهر می‌شوند. رنگین‌کمان‌ها که رنگ‌های طیف نور مرئی را نمایش می‌دهند، براثر بازتاب و شکست پرتوهای نور خورشید در قطرات باران و مه پدید می‌آیند.وسایل اُپتیکی. نور را با استفاده از چشم و دوربین عکاسی می‌توان آشکارسازی کرد. دوربین روزنه‌ای وسیلۀ ساده‌ای برای تولید تصویر است. نوری که از روزنۀ بسیار ظریف این دوربین، که در وسط یکی از وجوه آن قرار گرفته است، وارد اتاقک می‌شود، تصویری معکوس از جسم موردنظر را روی سطح داخلی وجه روبه‌روی این اتاقک تشکیل می‌دهد. تصاویری که از اجسام مستقر در فواصل متفاوت تشکیل می‌شوند، در چنین دوربینی وضوحی یکسان دارند. در چشم، یک عدسی همگرا[۱۸]، نور گسیل‌شده از جسم دور از چشم را روی پردۀ شبکیه، در سطح داخلی پشتی کرۀ چشم کانونی می‌کند. در چشم عادی، تصویر روی یاخته‌هایی از شبکیه که نسبت به نور حساسیت دارند تشکیل می‌شود و سیگنال‌های مربوط به آن برای تعبیر و تشخیص تصویر به مغز فرستاده می‌شوند. در چشم نزدیک‌بین، پرتوهای نور گسیل‌شده از اجسام دور در جلوی شبکیه جمع می‌شوند و درنتیجه، تصویر اجسام تار به‌نظر می‌رسند. این عیب را با قرار‌دادن یک عدسی واگرا[۱۹] در جلوی چشم می‌توان برطرف کرد. در چشم دوربین، پرتوهای گسیل‌شده از اجسام نزدیک در پشت شبکیه جمع می‌شوند. این عیب را با قرار‌دادن یک عدسی همگرا در جلوی چشم می‌توان اصلاح کرد. آینۀ کاو از جسمی که روبه‌روی آینه قرار گرفته است، بسته به این‌که در چه فاصله‌ای نسبت به آینه قرار گرفته باشد، تصویری حقیقی، معکوس، و کوچک‌تر در جلوی آینه یا تصویری مجازی، مستقیم، و بزرگ‌تر در پشت آینه تشکیل می‌دهد. در صورت معین‌بودن مکان جسم و فاصلۀ کانونی آینه، با استفاده از فرمول می‌توان محل تشکیل تصویر را محاسبه کرد. پرتوهای موازی نوری که به آینه‌ای کوژ برخورد می‌کنند، به‌صورت پرتوهایی واگرا از آینه بازتابیده می‌شوند و تصویری مجازی، مستقیم، و کوچک‌تر از جسم در پشت آینه تشکیل می‌دهند. انتقال نور و تصاویر از تارهای شیشه‌ای و پلاستیکی معروف به تارهای نوری[۲۰] را نورشناسی تارها[۲۱] می‌گویند.
- ↑ electromagnetic wave
- ↑ longitudinal wave
- ↑ sound wave
- ↑ transverse wave
- ↑ circular wave
- ↑ plane waves
- ↑ wavelength
- ↑ frequency
- ↑ period
- ↑ refraction
- ↑ angle of refraction
- ↑ diffraction
- ↑ interference
- ↑ polarization
- ↑ unpolarized
- ↑ amplitude
- ↑ absorption of light
- ↑ converging lens
- ↑ diverging lens
- ↑ optical fibers
- ↑ fiber optics