Skip to main content
Global

5.2: الموجات والأطوال الموجية

  1. Last updated
  2. Save as PDF
  • Page ID
    199589

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

    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 (الشكل 5.5). سعة الموجة هي المسافة من خط الوسط إلى النقطة العليا للقمة أو النقطة السفلية للحوض. 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 5.5 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، وستحتوي الأطوال الموجية الأقصر على ترددات أعلى (الشكل 5.6).

    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 5.6 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 5.7، يشمل الطيف الكهرومغناطيسي كل الإشعاع الكهرومغناطيسي الذي يحدث في بيئتنا ويشمل أشعة جاما والأشعة السينية والأشعة فوق البنفسجية والضوء المرئي وضوء الأشعة تحت الحمراء والميكروويف وموجات الراديو. يرتبط الطيف المرئي في البشر بأطوال موجية تتراوح من 380 إلى 740 نانومتر - وهي مسافة صغيرة جدًا، حيث يبلغ النانومتر (nm) مليار جزء 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 5.7 يشكل الضوء المرئي للبشر جزءًا صغيرًا فقط من الطيف الكهرومغناطيسي.

    في البشر، يرتبط الطول الموجي للضوء بإدراك اللون (الشكل 5.8). 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 5.8 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 20 و 20000 هرتز، 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 للغاية، من 125 إلى 2000 هرتز. تتمتع الفئران بنطاق مسموع من 1000 إلى 91000 هرتز، ويتراوح النطاق المسموع لحوت البيلوغا من 1000 إلى 123000 هرتز. تتمتع الكلاب والقطط الأليفة لدينا بنطاقات مسموعة تتراوح من 70 إلى 45000 هرتز و45-64000 هرتز، على التوالي (سترين، 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 ديسيبل؛ قد تصل حفلة موسيقى الروك إلى 120 ديسيبل (الشكل 5.9). تقع أصوات الهمس على بعد 5 أقدام أو أوراق الحفيف في الطرف الأدنى من نطاق السمع لدينا؛ وتقع أصوات 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، والشاحنات الثقيلة (على بعد 25 قدمًا)، وقطار المترو (على بعد 20 قدمًا)، وموسيقى الروك الحية، وجاك هامر. يرجع حوالي ثلث حالات فقدان السمع إلى التعرض للضوضاء، وكلما ارتفع الصوت، كلما كان التعرض المطلوب للتسبب في تلف السمع أقصر (Le، Stratman، Lea، & Westerberg، 2017). يمكن أن يؤدي الاستماع إلى الموسيقى من خلال سماعات الأذن بأقصى مستوى صوت (حوالي 100-105 ديسيبل) إلى فقدان السمع الناجم عن الضوضاء بعد 15 دقيقة من التعرض. على الرغم من أن الاستماع إلى الموسيقى بأقصى مستوى صوت قد لا يسبب ضررًا، إلا أنه يزيد من خطر فقدان السمع المرتبط بالعمر (Kujawa & Liberman، 2006). 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 150 بفواصل زمنية من الأسفل إلى الأعلى. على يسار الشريط، تُسمى «شدة الصوت» للأصوات المختلفة: «عتبة السمع» هي 0؛ «الهمس» هو 30، «الموسيقى الهادئة» 40، «الثلاجة» 45، «آمنة» و «محادثة عادية» 60، «حركة المرور الكثيفة في المدينة» مع «الضرر الدائم بعد 8 ساعات من التعرض» هي 85، «دراجة نارية» مع «دائمة» الضرر بعد التعرض لمدة 6 ساعات» هو 95، و «الحد الأقصى لحجم سماعات الأذن» مع «التلف الدائم بعد التعرض لمدة 15 دقيقة» هو 105، و «خطر فقدان السمع» هو 110، و «حد الألم» هو 130، و «الضار» هو 140، و «الأسلحة النارية» ذات «الضرر الدائم الفوري» هي 150. على يمين الشريط توجد صور فوتوغرافية تصور «الصوت العادي»: عند 20 ديسيبل توجد صورة لأوراق حارقة؛ في سن 60 يتحدث شخصان، وفي الخامسة والثمانين حركة المرور، وعند 105 توجد براعم للأذن، وفي 120 حفلة موسيقية، وفي 130 طائرة نفاثة.
    الشكل 5.9 يوضح هذا الشكل ارتفاع الأصوات الشائعة. (الائتمان: «الطائرات»: تعديل العمل من قبل ماكس بفاندل؛ الائتمان «الحشد»: تعديل العمل من قبل كريستيان هولمير؛ الائتمان: «سماعات الأذن»: تعديل العمل من قبل «سكيني غي لوفير_فليكر» /فليكر؛ الائتمان «حركة المرور»: تعديل العمل من قبل «QuinntheIslander_Pixabay» /Pixabay؛ الائتمان «الحديث»: تعديل العمل من قبل جوي إيتو؛ «الإجازات» الائتمانية: تعديل العمل من قبل 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 ذات 10 هرتز غير مسموعة بغض النظر عن سعة الموجة. من ناحية أخرى، قد تختلف الموجة الصوتية 1000 هرتز بشكل كبير من حيث ارتفاع الصوت المتصور مع زيادة سعة الموجة.

    رابط إلى التعلم

    شاهد هذا الفيديو المختصر حول تصورنا للتردد والسعة لمعرفة المزيد.

    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.