انواع موج و مشخصه های آن

اگر در محیطی تغییر شکلی ایجاد شود و در آن نیروهای کشسان وجود داشته باشد تا محیط را به حالت اول خود برگردانند؛ مانند سطح آب، طناب کشیده شده و فنر. آن محیط کشسان است. حال اگر در یک محیط کشسان آشفتگی ایجاد شود این آشفتگی به دلیل نیروهای بازگرداننده محیط کشسان در محیط پیش خواهد رفت و به اصطلاح گفته می‌شود تپ در محیط شکل گرفته و در حال حرکت است. تپ یک آشفتگی تنها است، حال اگر این آشفتگی به طور مداوم و پیوسته در محیط کشسان ایجاد شود موج ایجاد شده است.

انواع موج از لحاظ ماهیت

امواج از لحاظ ماهیت ایجاد و انتشار به دو دسته اصلی تقسیم می شود: الکترومغناطیسی و مکانیکی

1. امواج مکانیکی امواجی هستند که برای انتشار نیاز به محیط مادی دارند؛ مثل موج هایی که در سطح آب به وجود می‌آیند ولی موج های الکترومغناطیسی برای انتشار نیازی به محیط مادی ندارند؛ مثل نور مرئی، موج های رادیویی و تلویزیونی، پرتو ایکس.
2. موج الکترومغناطیسی در اثر نوسان میدان‌های الکترومغناطیسی تولید می‌شود، در این نوع موج میدان‌های الکتریکی و مغناطیسی به‌طور عمود بر یکدیگر نوسان می‌کنند و با سرعت نور منتشر می‌شوند.

امواج مکانیکی و الکترومغناطیسی منشا متفاوتی دارند ولی هر دوی آنها مشخصه های یکسانی دارند و رفتار آنها از قواعد کلی امواج پیروی می کنند.

مشخصه های موج

دامنه (A): بیشینه فاصله یک ذره از مکان تعادل، دامنه موج نامیده می شود که همان فاصله قله یا دره نسبت به سطح آرام یا ساکن است.

دوره تناوب (T): مدت زمانی که هر ذره محیط یک نوسان کامل انجام می‌دهد دوره تناوب موج نامیده می شود که برابر با زمانی است که چشمه موج یک نوسان کامل انجام می دهد.

بسامد (f): تعداد نوسان‌های انجام شده توسط هر ذره محیط در یک ثانیه بسامد موج نامیده می شود که برابر با بسامد چشمه موج نیز هست.

تندی انتشار موج (v): اگر جبهه موج در مدت $\Delta t$ مسافت $L$ را طی کند، تندی انتشار موج از رابطه زیر به دست می آید. (طول موج $\lambda$ در دوره $T$ طی می‌شود.)

نکته: تندی انتشار موج به جنس و ویژگی های محیط انتشار بستگی دارد ولی به چشمه موج بستگی ندارد.

برای امواج عرضی که در طناب ها منتشر می شود تندی انتشار موج با جذر نیروی کشش طناب رابطه مستقیم همچنین با جذر چگالی رابطه عکس دارد و برای محاسبه تندی انتشار موج عرضی در طنابها از رابطه زیر استفاده می‌کنند:

امواج الکترومغناطیسی در خلا با تندی نور منتشر می‌شوند ولی در ماده‌های مختلف با توجه به ضریب شکست محیط سرعت انتشار موج متفاوت خواهد بود به طوری که برای محاسبه تندی انتشار موج الکترومغناطیسی در محیط غیر از خلا و هوا از رابطه زیر استفاده می‌کنند:

تقسیم بندی امواج از لحاظ نحوه انتشار موج

امواج از لحاظ نحوه ارتعاش و انتشار به دو دسته عرضی و طولی تقسیم می شوند.

موج عرضی:

امواجی هستند که در آنها راستای ارتعاش ذرات محیط عمود بر راستای انتشار موج هستند؛ مانند امواجی که در سطح آب منتشر می شوند و امواجی که در طول طناب پیش می روند. امواج الکترومغناطیسی نیز امواج عرضی هستند و در آنها راستای ارتعاش میدان های الکتریکی و مغناطیسی عمود بر راستای انتشار موج است.

موج طولی:

در انتشار موج طولی در یک فنر بلند کشیده شده، ناحیه های جمع شدگی و باز شدگی به طور متناوب در طول فنر ظاهر می‌شوند. در یک لحظه از زمان، در مکان هایی که بیشترین جمع شدگی یا باز شدگی حلقه ها رخ می‌دهد، جابجایی هر جزء فنر از وضعیت تعادل صفر است. در وسط فاصله بین یک جمع شدگی بیشینه و یک باز شدگی بیشینه مجاور هم، اندازه جابجایی هر جزء فنر از وضعیت تعادل، بیشینه است. به این ترتیب می‌توان نمودار جابجایی-مکان را رسم کرد. با استفاده از چنین نموداری، برای یک موج طولی نیز می‌توانیم همان مشخصه های موج عرضی را تعریف کنیم؛ مثلا طول موج برابر با فاصله بین دو تراکم (یا جمع شدگی) یا دو انبساط (یا باز شدگی فنر) متوالی است. همچنین دامنه موج طولی برابر با بیشینه جابجایی از مکان تعادل است.

در اینجا نیز مانند موج عرضی هر جزء از فنر در مدت یک دوره ($T$) یک نوسان کامل انجام می‌دهد. در این مدت موج به اندازه یک طول موج ($\lambda$) پیشروی می‌کند. بنابراین تندی انتشار موج طولی مانند موج عرضی است. ($v=\frac{\lambda}{T}$) البته این به این معنا نیست که در یک جسم تندی انتشار هر دو نوع موج برابر است. برای امواج مکانیکی، تندی انتشار امواج طولی در یک محیط جامد بیشتر از تندی انتشار امواج عرضی در همان محیط است.

نحوه کار با شبیه‌ساز

در این شبیه‌ساز با استفاده از نوار لغزنده، نوع موجی که می‌خواهید مورد بررسی قرار دهید را انتخاب می کنید سپس اندازه دامنه و فرکانس موج را تعیین می‌نمایید. برای تعیین تندی انتشار موج نیز متغیرهای وابسته یعنی چگالی و کشش فنر را تغییر داده و به مقدار مطلوب می‌رسانید سپس بر روی دکمه کنترلی اجرا کلیک می‌کنید و نحوه انتشار موج را ملاحظه می‌نمایید. همچنین با انتخاب خط کش ها طول موج و دامنه موج های منتشر شده را می‌توان اندازه گرفت.

پرسش ها:

هنگام کار با این شبیه‌ساز می‌توانید به پرسش های زیر پاسخ دهید:

1- موج عرضی چیست و نحوه شناسایی آن چگونه است؟

2- موج طولی چیست و نحوه شناسایی آن چگونه است؟

3- تندی انتشار امواج در طول فنر با نیروی کشش و چگالی فنر چه رابطه‌ای دارد؟