ما هي أقصر مسافة بين قمتين متتاليتين أو قاعين متتاليين؟ يُعتبر هذا السؤال من المواضيع الشائعة في اختبارات الثانوية العامة لطلاب القسم العلمي في مادة الفيزياء.
في هذا المقال، سنقوم بالإجابة عن هذا السؤال بالإضافة إلى توضيح بعض المعلومات الأساسية المتعلقة بالموجات.
ما هي أقصر مسافة بين قمتين متتاليتين أو قاعين متتاليين؟
تُعرف أقصر مسافة بين قمتين متتاليتين أو قاعين متتاليين بالطول الموجي، وهو ما سنستعرضه في الفقرات التالية.
تعريف الموجة
يُعتبر مصطلح الموجة مفهومًا مجرّدًا، ولكن يمكننا إجراء تجارب بسيطة وآمنة لتوضيح معناها الحقيقي وطرق تكوينها وخصائصها.
على سبيل المثال، عند إلقاء حصاة في حمام السباحة، يمكننا ملاحظة كيف تتحرك المياه نتيجة لذلك. تُسمى هذه الحركة بالحركة الموجية.
تتحرك المياه لأعلى ولأسفل، كما تتحرك قليلًا إلى اليمين واليسار. من خلال تكرار هذه الحركات، تتشكل العديد من الأمواج.
لجعل هذه الحركة أكثر وضوحًا، يمكننا إضافة كرة خفيفة مجوفة تطفو على سطح المياه.
عند إلقاء الحجر في حمام السباحة مع وجود الكرة، سنلاحظ كل هذه الحركات بشكل أوضح.
من الجدير بالذكر أن هذه الحركات لا تؤثر على موقع الكرة المجوفة، حيث تعود المياه إلى النقطة التي بدأت منها الحركة (المعروفة باسم نقطة الاستقرار). وإذا تحركت الكرة بعيدًا، فإن ذلك يكون نتيجة للطاقة الحركية التي اكتسبتها من الموجة.
خصائص الموجات
تتعدد الخصائص التي تميز الأمواج، مما يتيح لنا تمييز كل نوع منها عن الآخر، ويمكن أن نصف الموجات على أساس طاقتها العالية أو المنخفضة. ومن هذه الخصائص:
- الطول الموجي.
- الزمن الدوري.
- التردد.
- السعة.
- سرعة انتشار الموجة.
- طاقة الموجة.
في الفقرات التالية، سنستعرض كل خاصية من خصائص الموجات، مع التركيز على الطول الموجي لفهم الإجابة عن السؤال المطروح.
الطول الموجي
الطول الموجي هو أقصر مسافة بين قمتين متتاليتين أو قاعين متتاليين، ويشير إلى وجود النقاط المتشابهة في الطور.
يتم تمثيل الطول الموجي بالرمز λ.
عادةً ما يُقاس الطول الموجي للموجات العرضية (وهي الموجة التي تتذبذب في أي زاوية أفقية) من قمة إلى قمة أو من قاع إلى قاع.
أما بالنسبة للموجات الطولية (التي تهتز في اتجاه واحد)، فيتم قياس الطول الموجي من الضغط الأول إلى الضغط الثاني أو من الفراغ الأول إلى الفراغ الذي يليه.
قانون الطول الموجي
يُعبر عن الطول الموجي بالعلاقة التالية: λ = V / f، حيث تمثل:
الطول الموجي λ
الطول الموجي يُقاس عادةً بالمتر.
سرعة الموجة V
تشير إلى سرعة الموجة في اتجاه محدد، وتُقاس بمقياس المتر في الثانية (م/ث).
التردد F
يمثل التردد عدد القمم الموجية التي تمر بنقطة محددة في زمن معين، ويقاس بوحدة الهرتز.
العلاقة بين الطول الموجي والتردد
هناك علاقة وثيقة بين الطول الموجي والتردد، فكلما زاد التردد قلت قيمة الطول الموجي، وذلك بسبب سرعة الموجات الضوئية الثابتة في الفراغ.
تتوقف عدد القمم الموجية التي تمر بنقطة محددة في زمن معين على الطول الموجي، مما يوضح العلاقة العكسية بينهما.
لذا، فكلما كان الطول الموجي قصيرًا، كان التردد أعلى، والعكس صحيح.
يمكن تمثيل العلاقة بين الطول الموجي والتردد في المعادلة التالية:
C = λv
حيث C يمثل سرعة الضوء، λ يمثل الطول الموجي، وV يمثل التردد.
الزمن الدوري
يمثل الزمن الدوري الوقت الذي تستغرقه موجة كاملة للعبور من نقطة معينة، ويُقاس بالثواني.
التردد
التردد هو نسبة تكرار الموجة للزمن، ويعتمد على سرعة الموجة والطول الموجي، ويمكن التعبير عنه بالعلاقة التالية: ع = تد × λ، حيث يشير الرمز “ع” إلى سرعة انتشار الموجة، و”تد” يشير إلى التردد الموجي، و”λ” يمثل الطول الموجي.
يمكننا أن نستنتج من هذه العلاقة أن التردد والطول الموجي مرتبطان دائمًا بعلاقة عكسية. حيث يقل التردد مع زيادة الطول الموجي، ووحدة قياس التردد هي الهرتز.
السعة
تعتبر السعة من الخصائص الحيوية للموجة، حيث لها تأثير مباشر على طاقتها. إذ ترتبط الطاقة الموجية ارتباطًا طرديًا بالسعة.
تُعرف السعة بأنها المسافة بين قاع الموجة وقمتها مع مستوى الصفر، وهو المستوى الذي تنعدم فيه حركة الموجة، ويعرف بمستوى اتزان الأوساط الناقلة.
تُقاس السعة بوحدات الطول.
سرعة انتشار الموجة
تشير سرعة انتشار الموجة إلى السرعة التي تتحرك بها، سواء في الفراغات أو في الأوساط الناقلة، وتُعرف بأنها سرعة إعادة توليد الموجات لنفسها.
يُمكن قياسها باستخدام وحدات قياسية، حيث تكون وحدة قياس السرعة هي م/ث.
طاقة الموجة
تعتبر طاقة الموجة إحدى الخصائص المميزة لها، فهي توضح لنا الطاقة المنقولة من الموجات إلى أشياء أخرى، وهي تتناسب مع مربع التردد والسعة، وأيضًا مع السرعة الموجية.
أنواع الموجات
يمكن تصنيف الموجات بناءً على معايير مختلفة، حيث يوجد تصنيفات متعددة للموجات.
أحد المعايير يعتمد على اتجاه انتشار الموجة، بينما المعيار الآخر يعتمد على ما إذا كانت تحتاج إلى وسط للحركة أم لا. وفيما يلي، سنوضح كلا المعين:
تصنيف الموجة بناءً على الاتجاه
الموجات الطولية
تتكون الموجات الطولية من عملية انضغاط واحدة وتخلخل واحد مثل الموجات الصوتية.
حيث يحدث تضاغط للجزيئات المحمولة بالهواء، مما يجعلها تقترب من بعضها البعض، وتخلخلها هو ابتعاد هذه الجزيئات عن بعضها.
الموجات المستعرضة
تتكون من قمم وقيعان؛ فعلى سبيل المثال، عند أخذ موجة من المياه، تظهر على شكل ارتفاعات وانخفاضات.
تصنيف الموجة بناءً على الوسط
يمكن تقسيم الموجات إلى نوعين: النوع الذي يحتاج وسطًا للتحرك والنوع الذي يمكن أن يتحرك في الفراغ.
يُعرف النوع الذي لا يحتاج إلى وسط باسم الموجة الكهرومغناطيسية، والتي تنتقل طاقتها، مثل الضوء المرئي، عبر الفراغ.
بينما يُعرف النوع الآخر باسم الموجة الميكانيكية، والتي تحتاج إلى وسط لنقل الطاقة، كما في حالة الموجات الصوتية.
