جزوه فیزیک امواج و حرکت نوسانی

آونگ درحال نوسان
به حركت هاي رفت و برگشتي، مثل حركت آونگ، حركت نوساني مي گويند.
جسم در حال نوسان را نوسانگر مي گويند.

دوره يا زمان يك نوسان: در حركت نوساني به مدت زماني كه طول مي كشد تا نوسانگر يك نوسان كامل انجام مي دهد، دوره مي گوييم.

دوره را با نماد T نشان داده مي شود.

يكاي اندازه گيري دوره: ثانيه (S).
نكته: هر چه نوسانگر تندتر نوسان كند، زمان هر نوسان آن كوتاه تر مي شود.
بسامد: به تعداد نوسان هايي كه يك نوسانگر در مدت يك ثانيه انجام مي دهد، بسامد يا فركانس مي گويند.
بسامد را با نماد f نشان مي دهند.

يكاي اندازه گيري: هرتز (Hz)
نكته: هر چه نوسانگري تندتر نوسان كند، زمان هر نوسان كم تر و بسامد آن بيش تر مي شود.
رابطه ي بين دوره و بسامد: دوره و بسامد در حركت نوسان ساده، وارون يكديگرند.

نكته 1: دوره ي نوسان آونگ ساده: زمان يك نوسان كامل در آونگ ساده بستگي به طول آونگ و شتاب جاذبه در محل دارد.

نكته 2: دوره نوسان دستگاه وزنه – فنر
دوره نوسان وزنه متصل به فنر به جرم وزنه وجنس فنر و ساختمان آن بستگي دارد.

m= جرم وزنه
k= ثابت فنر- ( به جنس فنر بستگي دارد )

توليد موج: اگر سنگ كوچكي را در آب آرام استخر يا بركه اي بياندازد، در محل برخورد سنگ با آب، دايره اي تشكيل مي شود كه شعاع آن به تدريج افزايش يابد، به عبارت ديگر در سطح آب «تك موجي» تشكيل مي شود كه به صورت دايره به هم ي جهت ها منتشر مي شود.

اقسام موج: امواج را علاوه بر دو حالت كلي مكانيكي و الكترو مغناطيسي به دو نوع طولي و عرضي نيز طبقه بندي مي شوند.

1) امواج طولي: «موجي است كه راستاي نوسان ذره هاي محيط، موازي با راستاي انتشار موج، باشد.»
اگر چند حلقه از فنري را متراكم كنيم و يكبار آن را رها سازيم، مشاهده خواهيم كرد كه اين حالت تراكم در طول فنر منتشر مي شود حلقه هاي متراكم فنر پس از آزاد شدن، در اثر نيروي برگرداننده اي كه ايجاد شده منبسط مي شوند و انبساط آن ها سبب متراكم شدن تعدادي از حلقه هاي بعدي مي شود. و اين تراكم و انبساط در طول فنر منتشر مي شود.
راه تشخيص موج طولي: وقتي موج طولي در فنر منتشر مي شود، حلقه هاي فنر متناوبا به يكديگر نزديك و يا از يكديگر دور مي شوند وقتي به يكديگر نزديك مي شوند، حلقه هاي متراكم شده و وقتي از يكديگر دور مي شوند حلقه ها انبساط پيدا مي كنندو
«موج ها ي طولي در فنر با همين تراكم و انبساط ها قابل تشخيص است.»

2) امواج عرضي: «موجي است كه در آن امتداد ارتعاش و امتداد انتشار عمود باشد.»
يك طرف ريسمان يا فنر بلندي را به ديوار مي بنديم و طرف ديگر آن را به دست مي گيريم، به طوريكه ريسمان افقي قرار گيرد اگر انتهاي ريسمان را با يك تكان سريع كمي به بالا و پايين وضع تعادل به حركت در آوريم، يك تك موج در طول ريسمان منتشر مي شود، به طوريكه هر نقطه از ريسمان پس از دريافت موج به بالا و پايين حركت مي كند.
راه تشخيص موج عرضي: موج عرضي در طناب يا فنر با قله ها و دره هاي ايجاد شده قابل تشخيص است.

توجه: امواج عرضي نمي توانند در گازها و مايعات منتشر شوند.

چشمه ي موج: به جسمي كه در يك محيط موج ايجاد مي كند، يك چشمه ي موج مي گويند(مانند ديايازون)
جابه جايي موج در يك محيط را انتشار موج مي گويند. وقتي موج در يك محيط مثلا سطح آب يا در طول فنر منتشر مي شود،به هر ذره از محيط كه مي رسد آن ذره را وادار به حركت نوساني مي كند، بدون آن كه ذره همراه موج از جايي به جاي ديگر منتقل شود.

ويژگي هاي موج:

هر موج داراي چهار ويژگي است:

1- سرعت انتشار: موج در هر محيط با سرعت معيني منتشر مي شود. سرعت انتشار در يك محيط به جنس و حالت محيط و شرايط فيزيكي آن بستگي دارد.

نكته: در محيطي كه شرايط فيزيكي در تمام جهات آن يكسان باشد(محيط همگن)، سرعت انتشار موج مقداري ثابت است.
نماد سرعت انتشار:V
يكاي اندازه گيري: متر بر ثانيه

2- بسامد (فركانس): تعداد نوسانهايي كه نوسانگر در مدت يك ثانيه انجام مي دهد.
نماد فركانس:f
يكاي اندازه گيري:هرتز Hz

3- طول موج: فاصله ي هر دو برجستگي(قله ي موج) پياپي، يا فاصله ي هر دو فرورفتگي(قعر موج) پياپي را طول موج مي نامند.
طول موج را با λ نشان مي دهند.

يكاي اندازه گيري: متر(m)

4- دامنه موج: حداكثر فاصله اي كه مولكول ها از وضع تعادل خود مي گيرند، دامنه ي موج ناميده مي شود و معمولا با حروف A يا a نشان مي دهند.

امواج مكانيكي غيراز امواج طولي و عرضي، انواع ديگري از موج نيز دارند كه عبارتند از:
1- موج پيچشي:

در موج طولي و عرضي مسير هر ذره نوساني يك خط مستقيم است. در موج پيچشي مسير هر ذره قوسي از يك دايره است. براي ايجاد يك موج پيچشي در يك فنر بايد سر فنر را به نقطه اي ثابت بسته و سر ديگر آن را در جهت عقربه هاي ساعت و خلاف آن با يك حركت نوساني منظم به چرخش در آوريم. در اين صورت همه نقاط فنر حول محور آن داراي حركت تناوبي خواهند شد و موج پيچشي در فنر منتشر مي شود. در اين حالت راستاي انتشار و ارتعاش دقيقا مشخص نيست.

2- امواج ايستاده:

اگر سيمي را به دو نقطه A و B محكم ببنديم و به آن ضربه اي بزنيم موجي ايجاد شده و پس از برخورد به مانع در خلاف جهت اول بر مي گردد و در طول سيم تعدادي گره و شكم ايجاد مي شود كه به آن موج ايستاده يا ساكن مي گوييم.
مثال: امواج صوتي در تارهاي مرتعش و لوله هاي صوتي

3- امواج مسطح و كروي:
امواج را مي توان، بسته به محيط انتشار آن ها، به امواج يك بعدي، دو بعدي و سه بعدي طبقه بندي كرد.
در طناب و فنر، موج در بعد طولي، و بر سطح آب، موج در بعدهاي طول و عرضي و در فضا موج در سه امتداد متفاوت، انرژي منتشر مي كنند.
اگر موج در فضا منتشر شود، نقاط مختلف فضا تحت تاثير انرژي امواج قرار مي گيرند. اگر شعاع هاي موج موازي باشند و موج در يك محيط همگن منتشر شود، موج مسطح خواهد بود و چنانچه موج در يك نقطه توليد شود و در محيط سه بعدي همگن انتشار يابد، شعاع هاي موج، شعاع هاي واگرا خواهند بود و موج كروي خواهيم داشت.

4- موج پلاريزه:

اگر ارتعاشات در يك راستاي ثابت صورت گيرد، به طوري كه راستاي انتشار و راستاي ارتعاش در يك صفحه ثابت قرار داشته باشد، موج را پلاريزه مي گويند.
معادله ي موج: در مثلث موج انگشت خود را روي كميتي كه مي خواهيد حساب كنيد قرار دهيد و عمل رياضي باقيمانده را انجام دهيد.

مثال: يك خواننده نتي را با فركانس 256هرتز مي خواند. اگر سرعت صوت در هوا 340 متر بر ثانيه باشد، طول موج اين نت را محاسبه كنيد.

پاسخ: ابتدا انگشت خود را بر روي λ قرار دهيد، سپس عمل رياضي باقي مانده (تقسيم) را انجام دهيد.

موج و انرژي :

موج ها با خود انرژي حمل مي كنند يعني با حركت خود، انرژي را از ذره اي به ذره ي ديگر انتقال مي دهند.
به عبارت ديگر، ذره هاي محيط با حركت نوساني خود، انرژي را ذره به ذره در محيط پيش مي برند.

آب لرزه (سونامي):
گاهي در اثر وقوع زمين لرزه در بستر اقيانوسها يا آتش فشان ها و لغزش هاي بزرگ زير دريا، امواج بسيار پر قدرتي به وجود مي آيند كه به آن آب لرزه يا سونامي (Tsunami) مي گويند. اين امواج در اثر حركت ناگهاني مقدار زيادي آب در امتداد قائم به وجود مي آيند و با سرعتي بسيار زيادتر از موج هاي سطح آب، منتشر مي شوند.

موج هاي صوتي:
هر صوتي داراي انرژي است و به صورت موج از چشمه هاي صوت انتشار مي يابد. موج هاي صوتي از نوع امواج طولي هستند.
موج صوتي را بايد توسط يك جسم مرتعش توليد كرد. به هرجسمي كه صوت توليد مي كند، چشمه صوت مي گويند.
حنجره انسان يك چشمه ي صوت است. با عبور دادن هوا از حنجره، تارهاي صوتي آن را به ارتعاش در مي آورد. وارتعاش تارهاي صوتي صوت را به وجود مي آورد. در واقع ارتعاش تارهاي صوتي به مولكولهاي هوا انرژي منتقل مي كند و موج صوتي توليد مي شود.

نكته: سرعت صوت در جامدها بيش تر از مايعات و در مايعات بيش تر از گازهاست، هر چه ماده متراكم تر باشد، سرعت صوت در آن بيش تر است. در مواد جامد مولكول ها نسبت به گازها به يكديگر نزديك ترند و در نتيجه سرعت صوت در آن ها بيش تر است.

موج هاي صوتي را برحسب بسامد آن ها به سه گروه تقسيم مي كنند.

1- صوت:

به موج هاي صوتي كه بسامد آن ها در حدود 20 تا 20000 نوسان در ثانيه باشد، صوت مي گويند.
براي آنكه صوتي روي گوش انسان اثر بگذارد و شنيده شود، بايد بسامد آن در اين محدوده باشد، به اين محدوده، محدوده ي شنوايي انسان گفته مي شود.

2- فرو صوت:

صوت هايي كه بسامد آن ها كم تر از 20 هرتز باشد، فروصوت گفته مي شود.

3- فرا صوت:

صوت هايي كه بسامد آن ها از 20000هرتز بيش تر باشد، فراصوت گفته مي شود.

كاربردهاي فراصوت:
1- امروزه فرا صوت و استفاده آن در صنعت پزشكي اهميت بسيار دارد. به عنوان مثال در پزشكي از فراصوت براي بررسي جنين در بدن مادر و اطلاع از وضعيت و اطمينان از سلامتي آن استفاده مي شود.
2- از فراصوت در جستجوي تومورها و ديگر عوامل غير طبيعي حفره شكمي و بررسي قلب استفاده مي شود.
3- امواج فرا صوت مي توانند دستگاههاي پزشكي و دندانپزشكي را تميز كنند.
4- از يك باريكه ي پر انرژي فراصوت براي بريدن بافتهاي بدن استفاده مي شود.

در صنعت:

يك باريكه ي فراصوت مي تواند شكاف هاي ظريف (باريك) فلزات، آسفالت جاده ها يا لاستيك را آشكار سازد.

زمين شناسان باريكه اي از امواج فراصوت را به درون زمين مي فرستند و با بررسي پژواك ها، مي توانند به نوع سنگ ها و مواد كاني زير زميني پي ببرند. همچنين مي توانند با مطالعه پژواك هاي فراصوت، در مورد احتمال وجود نفت در لايه هاي زير زمين نظر بدهند.

امواج الكترو مغناطيسي:
نوعي از امواج كه مي توانند در خلا منتشر شوند و نياز به محيط مادي ندارند را موج الكترو مغناطيسي مي نامند.
موج هاي الكترو مغناطيسي از بسامد هاي بسيار بالا(طول موج بسيار كوتاه كه پرتوهاي گاما نام دارند) تا بسامدهاي بسياركم (طول موج هاي بسيار بلند كه امواج راديويي نام دارند) را شامل مي شوند.

تفاوت موج هاي الكترو مغناطيسي و موج هاي صوتي:
1- سرعت موج هاي صوتي در هوا در دماي معمولي حدود 340 متر برثانيه است در حالي كه سرعت انتشار موج هاي الكترومغناطيسي در هوا حدود 000/000/300 متر بر ثانيه است.
2- امواج صوتي براي انتشار نياز به محيط مادي دارند در حاليكه امواج الكترو مغناطيسي از خلا نيز مي گذرند.
3- امواج صوتي از نوع امواج طولي و امواج الكترومغناطيسي از نوع عرضي هستند.

شباهت موج هاي الكترومغناطيسي و موج هاي صوتي:

هر دو با خود انرژي حمل مي كنند.

نكته: موج هاي الكترومغناطيسي را بر حسب بسامد و كاربرد آن ها نامگذاري مي كنند.
جدول زير انواع موج هاي الكترومغناطيس را از موج هاي بسيار كوتاه تا موج متوسط نشان مي دهد. به اين گستره، طيف الكترو مغناطيسي مي گويند.

نكته: موج هاي الكترو مغناطيس در اين طيف برحسب طول موج مرتب شده اند.

نور صورتي از انرژي تابشي است كه با سرعت 300000 كيلومتر بر ثانيه درفضا سير مي كند.

با امید موفقیت همه شما عزیزان

فراهانی

جزوه فیزیک امواج و حرکت نوسانی

مطالب مشابه :

**سرزمینی خشک با موجهای آبی...

شنا در دریا

اموزش شنا - مختصات کلی ورزش شنا

آموزش شنای پروانه

ضوابط و اصول در طراحی استخر

استخر

جزوه فیزیک امواج و حرکت نوسانی