Skip to main content
Global

5.3: الموجات والأطوال الموجية

  1. Last updated
  2. Save as PDF
  • Page ID
    197988

    • \( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)\(\newcommand{\AA}{\unicode[.8,0]{x212B}}\)

    أهداف التعلم

    • وصف السمات الفيزيائية المهمة لأشكال الموجة
    • أظهر كيف ترتبط الخصائص الفيزيائية لموجات الضوء بالتجربة الإدراكية
    • أظهر كيف ترتبط الخصائص الفيزيائية للموجات الصوتية بالتجربة الإدراكية

    تحدث المنبهات البصرية والسمعية على شكل موجات. على الرغم من اختلاف المنبهات اختلافًا كبيرًا من حيث التكوين، إلا أن أشكال الموجات تشترك في خصائص متشابهة ذات أهمية خاصة لتصوراتنا البصرية والسمعية. في هذا القسم، نصف الخصائص الفيزيائية للموجات وكذلك التجارب الإدراكية المرتبطة بها.

    السعة والطول الموجي

    هناك خاصيتان فيزيائيتان للموجة هما السعة والطول الموجي. سعة الموجة هي ارتفاع الموجة كما يتم قياسه من أعلى نقطة في الموجة (الذروة أو القمة) إلى أدنى نقطة في الموجة (الحوض). يشير الطول الموجي إلى طول الموجة من قمة إلى أخرى.

    يوضِّح الرسم التخطيطي الأجزاء الأساسية للموجة. بالانتقال من اليسار إلى اليمين، يبدأ خط الطول الموجي فوق خط أفقي مستقيم ويسقط ويرتفع بالتساوي فوق هذا الخط وتحته. إحدى المناطق التي يصل فيها خط الطول الموجي إلى أعلى نقطة تسمى «الذروة». يمتد قوس أفقي، يسمى «الطول الموجي»، من هذه المنطقة إلى الذروة التالية. إحدى المناطق التي يصل فيها الطول الموجي إلى أدنى نقطة لها تسمى «Trough». يمتد القوس الرأسي، المسمى «السعة»، من «الذروة» إلى «الحوض الصغير».
    الشكل\(\PageIndex{1}\): يتم قياس سعة الموجة أو ارتفاعها من الذروة إلى الحوض. يتم قياس الطول الموجي من الذروة إلى الذروة.

    يرتبط الطول الموجي ارتباطًا مباشرًا بتردد شكل موجة معين. يشير التردد إلى عدد الموجات التي تمر بنقطة معينة في فترة زمنية معينة وغالبًا ما يتم التعبير عنها بالهرتز (Hz) أو الدورات في الثانية. ستحتوي الأطوال الموجية الأطول على ترددات أقل، وستكون الأطوال الموجية الأقصر ذات ترددات أعلى.

    يتم تكديس 5 موجات ذات ألوان وأطوال موجية مختلفة عموديًا. الموجة العلوية حمراء بأطوال موجية طويلة تشير إلى تردد منخفض. عند الانتقال إلى الأسفل، يختلف لون كل موجة: البرتقالي والأصفر والأخضر والأزرق. عند التحرك لأسفل أيضًا، تصبح الأطوال الموجية أقصر مع زيادة الترددات.
    الشكل\(\PageIndex{2}\): يوضح هذا الشكل موجات ذات أطوال موجية/ترددات مختلفة. في الجزء العلوي من الشكل، يكون للموجة الحمراء طول موجي طويل/تردد قصير. بالانتقال من الأعلى إلى الأسفل، تنخفض الأطوال الموجية وتزداد الترددات.

    موجات ضوئية

    الطيف المرئي هو جزء من الطيف الكهرومغناطيسي الأكبر الذي يمكننا رؤيته. كما يوضح الشكل أدناه، يشمل الطيف الكهرومغناطيسي جميع الإشعاع الكهرومغناطيسي الذي يحدث في بيئتنا ويشمل أشعة جاما والأشعة السينية والأشعة\(x\) فوق البنفسجية والضوء المرئي وضوء الأشعة تحت الحمراء والميكروويف وموجات الراديو. يرتبط الطيف المرئي في البشر بالأطوال الموجية التي تتراوح من\(380\) إلى نانومتر\(740\) - وهي مسافة صغيرة جدًا، حيث أن النانومتر (nm) هو جزء من مليار من المتر. يمكن للأنواع الأخرى اكتشاف أجزاء أخرى من الطيف الكهرومغناطيسي. على سبيل المثال، يمكن لنحل العسل رؤية الضوء في نطاق الأشعة فوق البنفسجية (Wakakuwa و Stavenga و Arikawa، 2007)، ويمكن لبعض الثعابين اكتشاف الأشعة تحت الحمراء بالإضافة إلى إشارات الضوء المرئي التقليدية (Chen, Deng, Brauth, Ding, & Tang, 2012; Hartline, Kass, & Loop, 1978).

    يوضح هذا الرسم التوضيحي الطول الموجي والتردد وحجم الأجسام عبر الطيف الكهرومغناطيسي. في الجزء العلوي، يتم إعطاء أطوال موجية مختلفة بالتسلسل من الصغير إلى الكبير، مع رسم توضيحي متوازي لموجة ذات تردد متزايد. هذه هي الأطوال الموجية المتوفرة، المقاسة بالأمتار: «أشعة جاما 10 إلى القوة السالبة الثانية عشرة»، «الأشعة السينية 10 إلى القوة العاشرة السالبة»، الأشعة فوق البنفسجية 10 إلى القوة الثامنة السالبة، «مرئية 0.5 في 10 إلى القوة السادسة السالبة»، «الأشعة تحت الحمراء 10 إلى الطاقة الخامسة السالبة»، الميكروويف 10 إلى السالب «الطاقة الثانية» و «راديو 10 المكعبة». وهناك قسم آخر يحمل عنوان «بحجم» ويسرد من اليسار إلى اليمين ما يلي: «النواة الذرية» و «الذرات» و «الجزيئات» و «البروتوزوان» و «النقاط الدقيقة» و «نحل العسل» و «البشر» و «المباني» مع رسم توضيحي لكل منها. يوجد في الجزء السفلي خط يسمى «التردد» مع القياسات التالية بالهرتز: 10 إلى قوى 20 و 18 و 16 و 15 و 12 و 8 و 4. من اليسار إلى اليمين يتغير الخط في اللون من الأرجواني إلى الأحمر مع الألوان المتبقية من الطيف المرئي بينهما.
    الشكل\(\PageIndex{3}\): يشكل الضوء المرئي للبشر جزءًا صغيرًا فقط من الطيف الكهرومغناطيسي.

    في البشر، يرتبط الطول الموجي للضوء بإدراك اللون. ضمن الطيف المرئي، ترتبط تجربتنا باللون الأحمر بأطوال موجية أطول، والأخضر متوسط، والأزرق والبنفسجي أقصر في الطول الموجي. (طريقة سهلة لتذكر ذلك هي ROYGBIV الذكوري: أو أحمر، أو برتقالي، أو أصفر، أو أخضر، أو أزرق، أو نيلي، أو بنفسجي.) ترتبط سعة موجات الضوء بتجربتنا في السطوع أو شدة اللون، حيث تبدو السعات الأكبر أكثر سطوعًا.

    يوفر الخط الطول الموجي بالنانومترات لـ «400" و «500" و «600" و «700" نانومتر. داخل هذا الخط توجد جميع ألوان الطيف المرئي. تحت هذا الخط، تُسمى من اليسار إلى اليمين «الإشعاع الكوني»، و «أشعة جاما»، و «الأشعة السينية»، و «الأشعة فوق البنفسجية»، ثم منطقة شرح صغيرة للخط أعلاه تحتوي على ألوان الطيف المرئي، تليها «الأشعة تحت الحمراء» و «إشعاع تيراهيرتز» و «الرادار» و «البث التلفزيوني والإذاعي» و «دوائر التيار المتردد».
    الشكل\(\PageIndex{4}\): ترتبط الأطوال الموجية المختلفة للضوء بإدراكنا للألوان المختلفة. (الائتمان: تعديل العمل من قبل يوهانس أهلمان)

    الموجات الصوتية

    مثل موجات الضوء، ترتبط الخصائص الفيزيائية للموجات الصوتية بجوانب مختلفة من إدراكنا للصوت. يرتبط تردد الموجة الصوتية بإدراكنا لدرجة هذا الصوت. يُنظر إلى الموجات الصوتية عالية التردد على أنها أصوات عالية النبرة، بينما يُنظر إلى الموجات الصوتية منخفضة التردد على أنها أصوات منخفضة النبرة. يتراوح النطاق المسموع للترددات الصوتية بين\(20000\) 4\(20\) وهرتز، مع حساسية أكبر لتلك الترددات التي تقع في منتصف هذا النطاق.

    كما هو الحال مع الطيف المرئي، تظهر الأنواع الأخرى اختلافات في نطاقاتها الصوتية. على سبيل المثال، يتمتع الدجاج بنطاق صوتي محدود جدًا، من\(125\) إلى\(2000\) هرتز. تتمتع الفئران بنطاق مسموع من\(1000\) إلى\(91000\) هرتز، والنطاق المسموع لحوت البيلوغا هو من\(1000\) إلى\(123000\) هرتز. تتمتع الكلاب والقطط الأليفة لدينا بنطاقات مسموعة تبلغ حوالي\(70-45000\) هرتز\(45-64000\) وهرتز، على التوالي (Strain، 2003).

    ترتبط جهارة صوت معين ارتباطًا وثيقًا بسعة الموجة الصوتية. ترتبط السعات العالية بأصوات أعلى. يتم قياس ارتفاع الصوت من حيث الديسيبل (dB)، وهي وحدة لوغاريتمية لشدة الصوت. قد ترتبط المحادثة النموذجية بـ\(60\) dB؛ قد تصل حفلة موسيقى الروك إلى\(120\) dB. تقع الأصوات\(5\) مثل مكيف هواء النافذة والمحادثة العادية وحتى حركة المرور الكثيفة أو المكنسة الكهربائية في الطرف الأدنى من نطاق السمع لدينا؛ وتقع الأصوات مثل مكيف هواء النافذة والمحادثة العادية وحتى حركة المرور الكثيفة أو المكنسة الكهربائية ضمن نطاق مقبول. ومع ذلك، هناك احتمال لتلف السمع من حوالي\(80\) ديسيبل إلى\(130\) ديسيبل: هذه هي أصوات معالج الطعام، وجزازة العشب الكهربائية، والشاحنة الثقيلة (على بعد\(25\) أقدام)، وقطار الأنفاق (على بعد\(20\) أقدام)، وموسيقى الروك الحية، وجاك هامر. تبلغ عتبة الألم حوالي\(130\) ديسيبل، عند إقلاع طائرة نفاثة أو إطلاق مسدس من مسافة قريبة (Dunkle، 1982).

    يحتوي هذا الرسم التوضيحي على شريط عمودي في المنتصف يحمل علامة ديسيبل (dB) مرقّمة من 0 إلى 140 بفواصل زمنية من 20 من الأسفل إلى الأعلى. على يسار الشريط، تُسمى «شدة الصوت» للأصوات المختلفة: «حد السمع» هو 0؛ «الهمس» هو 30، «الموسيقى الناعمة» 40، «خطر فقدان السمع» هو 110، «حد الألم» هو 130، و «الضار» هو 140. على يمين الشريط توجد صور فوتوغرافية تصور «الصوت العادي»: عند 20 ديسيبل توجد صورة لأوراق حارقة؛ في سن 60 يتحدث شخصان، في سن 60 يتحدث شخصان، في 80 سيارة، في 90 هي محضر طعام، 120 حفلة موسيقية، وفي 130 طائرة نفاثة.
    الشكل\(\PageIndex{5}\): يوضح هذا الشكل ارتفاع الأصوات الشائعة. (الائتمان: «الطائرات»: تعديل العمل من قبل ماكس بفاندل؛ الائتمان «الحشد»: تعديل العمل من قبل كريستيان هولمير؛ الائتمان «الخلاط»: تعديل العمل من قبل جو برودي؛ الائتمان «السيارة»: تعديل العمل من قبل NRMA New Cars/Flickr؛ الائتمان «الحديث»: تعديل العمل من قبل جوي إيتو؛ «الإجازات» الائتمانية: تعديل العمل بواسطة أوريليوس فاليشا)

    على الرغم من أن سعة الموجة ترتبط عمومًا بصوت الصوت، إلا أن هناك بعض التفاعل بين التردد والسعة في إدراكنا لارتفاع الصوت داخل النطاق المسموع. على سبيل المثال، تكون الموجة الصوتية\(10\) Hz غير مسموعة بغض النظر عن سعة الموجة. من ناحية أخرى، قد تختلف الموجة الصوتية\(1000\) Hz بشكل كبير من حيث ارتفاع الصوت المتصور مع زيادة سعة الموجة.

    بالطبع، يمكن للآلات الموسيقية المختلفة أن تعزف نفس النوتة الموسيقية بنفس مستوى الصوت، لكنها لا تزال تبدو مختلفة تمامًا. يُعرف هذا باسم جرس الصوت. يشير Timbre إلى نقاء الصوت، ويتأثر بالتفاعل المعقد بين التردد والسعة وتوقيت الموجات الصوتية.

    ملخص

    يمكن وصف كل من الضوء والصوت من حيث الأشكال الموجية ذات الخصائص الفيزيائية مثل السعة والطول الموجي والجرس. يرتبط الطول الموجي والتردد ارتباطًا عكسيًا بحيث تكون الموجات الأطول ذات ترددات أقل، وللموجات الأقصر ترددات أعلى. في النظام المرئي، يرتبط الطول الموجي للموجة الضوئية عمومًا بالألوان، وترتبط اتساعها بالسطوع. في النظام السمعي، يرتبط تردد الصوت بدرجة الصوت، ويرتبط اتساعه بالجهارة.

    مسرد المصطلحات

    سعة
    ارتفاع الموجة
    ديسيبل (ديسيبل)
    وحدة لوغاريتمية لشدة الصوت
    طيف كهرومغناطيسي
    كل الإشعاع الكهرومغناطيسي الذي يحدث في بيئتنا
    التردد
    عدد الموجات التي تمر بنقطة معينة في فترة زمنية معينة
    هيرتز (هرتز)
    دورة في الثانية؛ قياس التردد
    قمة
    (أيضًا، القمة) أعلى نقطة في الموجة
    أرض الملعب
    إدراك تردد الصوت
    جرس
    نقاء الصوت
    الحوض الصغير
    أدنى نقطة في الموجة
    طيف مرئي
    جزء من الطيف الكهرومغناطيسي الذي يمكننا رؤيته
    الطول الموجي
    طول الموجة من قمة واحدة إلى الذروة التالية

    Contributors and Attributions