امواج و اثر داپلر -علوم پایه ۴

۳۰ام, اردیبهشت ۱۴۰۲

در این ویدیو به صورت مقدماتی ابعاد فضا ، موج ، نحوه ایجاد امواج و اثر داپلر (دوپلر) رو مورد بررسی قرار میدم و پس از اون میدان الکتریکی ، مغناطیسی و نحوه تولید امواج الکترومغناطیس رو براتون شبیه سازی و طیف الکترومغناطیس رو از ابتدا تا انتها تشریح میکنم. (توجه کنید که این ویدیو و تمام ویدیو هایی که داری دایره قرمز بر روی کاور هستند ، به صورت خلاصه و تنها جهت آشنایی شما با مفاهیم ضروری تهیه شده اند ، اگر با این مفاهیم آشنایی ندارید ، دیدن این ویدیو ها برای درک ویدیوهای بعدی لازم است)

پیشنیاز لازم برای درک بهتر این ویدیو – ویدیوی از کهکشان ها تا ذرات زیر اتمی میباشد که با کلیک روی اینجا میتوانید این ویدیو را ببینید

متن ویدیو

ابعاد جهان هستی

حتما تا به حال اصطلاحاتی مثل سینمای پنج بعدی یا شش بعدی رو شنیدید ،اما به نظر من استفاده از این اصطلاحات میتونه باعث سردرگمی بشه چون در حقیقت ما قادر به درک بالاتر از سه بعد نیستیم، که این سه بعد رو با دستگاه مختصات سه بعدی مشخص می‌کنند. در این دستگاه به محور عمودی محور زد و به دو محوری که در صفحه قرار دارند محور ایکس و ایگرگ میگن و به کمک این سه محور می توانید موقعیت هر چیزی را در فضا مشخص کنید.

در مفاهیم خط ماهیتی تک بعدی داره و نقاشی روی کاغذ ماهیتی دو بعدی، اما در حقیقت در دنیای حقیقی، نقطه و نقاشی روی کاغذ هم ماهیتی سه بعدی دارن و اگر از نزدیک به آنها نگاه کنید ضخامت رنگ مداد بهش ماهیت سه بعدی می ده، که از فاصله زیاد متوجه این ابعاد نمیشیم. تا این لحظه دنیای قابل درک برای چشم ما با سه بعد قابل توضیح دادنه. هر چند که در ریاضیات از نظریه هایی مانند نظریه ریسمان ها صحبت از ابعاد بیشتری برای فضا میشه که از محدوده این بحث خارجه.

بعد از درک سه بعدی فضایی نوبت به بعد زمان میرسه .وقتی بخواهیم موقعیت چیزی را مشخص کنیم بعد از سه بعد فضایی باید از زمان استفاده کنیم، که در این مبحث بعد چهارم ما میشه و با نماد T نمایشش می‌دهند. و در نهایت سه بعدی فضایی به علاوه یک بعد زمان طبق آخرین نتایج علمی پذیرفته شده، پایه و اساس مفهومی میشه که بهش فضا زمان می گن.

موج و فرکانس

خوب حالا به بحث موج و فرکانس می‌رسیم، به تعداد مشخصی نوسان در واحد مشخصی از زمان فرکانس میگن و اگر تعداد نوسان رو در یک ثانیه در نظر بگیریم از واحد هرتز براش استفاده می کنیم.

در موج به فاصله دو قله یا دو دره از هم طول موج میگن و به ارتفاع موج دامنه موج گفته میشه. دامنه موج معادل شدت صدا میشود .و طول موج با فرکانس صدا رابطه داره .هرچقدرطول موج رو کاهش بدیم فرکانس صدا افزایش پیدا می‌کند و بالعکس اگر فرکانس صدا را دهیم طول موج صدا کاهش پیدا میکنه .این با انرژی هم رابطه داره .هرچی ما فرکانس صدا را افزایش دهیم انرژی هم افزایش پیدا میکنه یا اگر شدت صدا را افزایش دهیم انرژی صوت هم افزایش پیدا میکند.

فرکانس پایین تر از ۲۰ و فرکانس بالاتر از ۲۰ کیلوهرتز را انسان قادر نیست بشنود .فرکانس بالاتر از ۲۰ کیلوهرتز رو فراصوت میگن و فرکانس پایین تر از ۲۰ هرتز رو فرو صوت. که این دو صدا از دامنه شنوایی انسان خارجه و به دستگاه و تجهیزات خاصی برای شنیدن این نوع صدا نیاز داریم.

اثر داپلر

اگر منبعی که صدا داره تولید میکنه در حال نزدیک شدن یا دور شدن از شما باشه صدای متفاوتی میشنوید. یکی از معروفترین مثالها در این زمینه آمبولانس یا ماشین آتش نشانی هست. وقتی آمبولانسی به سمت شما حرکت میکنه، حرکتش در جهت شما باعث میشه صدای هر پالس آژیر را نسبت به حالت عادی سریعتر بشنوید و بلعکس وقتی از شما دور میشه صدای هر پالس دیرتر بگوش میرسه و به این پدیده اثرداپلر میگن که برای هواپیما و دیگر موارد مشابه به صورت صدای زیر و بم یعنی فرکانس بالاتر فرکانس پایین تر تجربه اش می کنیم.

از اثر داپلر در تجهیزاتی مثل سونوگرافی داپلر و رادارها استفاده میشه و پلیس به کمک این تکنیک میتونه سرعت شما را در جاده مشخص کنه. صدا در هوا از طریق برخورد مولکول های موجود در هوا به همدیگر منتقل میشه و سرعت صوت در هوا حدود ۳۴۰ متر بر ثانیه است و اگر جسمی بتونه از این سرعت عبور کنه دو اتفاق جالب میافته.

تا زمان عبور نمی توانید از روی صدا متوجه نزدیک شدنش به سمت خودتون بشید. چون سریعتر از صدای خودش حرکت میکنه ۲٫ باعث شکسته شدن دیوار صوتی میشه که صدای مهیبی داره و می‌تونه باعث شکسته شدن شیشه های یک منطقه بشه به همین دلیل هم پرواز در سطح پایین یا مناطق شهری برای این نوع پرواز ممنوعه. اثر داپلر در مورد نور هم میتونه اتفاق بیفته که این مورد رو پس از توضیح امواج الکترومغناطیس ، تشریح می‌کنم.

میدان الکتریکی و مغناطیسی

در کلیپ قبل متوجه شدیم اتمها از ذرات مختلفی تشکیل شدن و پروتون ها دارای بار ذاتی مثبت و الکترون ها دارای بار ذاتی منفی هستند. بارهای مثبت به دلیل اینکه در هسته اتم هستند، قابلیت جابجایی ندارند. اما بارهای منفی یا الکترون ها می توانند حرکت کنند و از جسمی به جسم دیگر منتقل بشن و کم و زیاد شدن ،الکترون ها در مواد مختلف میتونه باعث ایجاد میدان الکتریکی مثبت و منفی بشه.

مثال ساده از این میدان وقتی است که شما شانه یا بادکنک را به موهای خودتون میکشید.

و در مورد میدان مغناطیسی ،الکترون ها در اتم ها ثابت نیستند و علاوه بر حرکت به دور اتم چرخشی هم به دور خودشان دارند، که بهش اسپین میگن و این چرخش باعث ایجاد میدان مغناطیسی میشه که به کمک تکنیک‌هایی این چرخشها را در بعضی از مواد می‌توانند در یک راستا قرار بدهند و به این ترتیب آهنربای دائمی ساخته میشه.

ما میتونیم میدان های مغناطیسی را با حرکت دادن الکترون ها در طول سیم پیش هم ایجاد کنیم که این مبنای ساخت آهنربای الکتریکی هستش. که فوق العاده کاربرد زیادی داره و اساس کار الکتروموتورها بسیاری از تجهیزات دیگه هست.

اگر الکترون های یک مدار الکتریکی در یک جهت حکت کنند ، نشان دهنده برق مستقیم یا جریان DC هست که باعث ایجاد میدان مغناطیسی یا آهنربای الکتریکی میشه و اگر الکترون ها به صورت رفت و برگشتی حرکت کنند موجب ایجاد جریان AC میشود که بهش برق متناوب میگن و باعث ایجاد امواج الکترومغناطیس میشود

همچنین از جریان ac با فرکانس متغیر میتوان برای ایجاد موسیقی بهره گرفت

طیف الکترومغناطیس

در بخش قبلی متوجه شدیم که حرکت الکترون ها باعث ایجاد میدان مغناطیسی میشه . حال اگر الکترون را در یک جهت مشخص حرکت دهیم ،یک الکتریکی ایجاد کردیم و اگر الکترون ها به صورت رفت و برگشت حرکت کنند یعنی مانند برق متناوب ،باعث ایجاد امواج الکترومغناطیس میشه.

امواج الکترومغناطیس بر خلاف صدا که نیازمند وجود هوا برای انتقال هستند نیازی به ماده ندارند و این امواج میتونن با سرعتی معادل سرعت نور در فضا پخش بشن. امواج الکترومغناطیس با توجه به فرکانس یا طول موج مانند صدا طبقه بندی میشن همانطور که در مورد صدا دیدیم که ما محدوده خاصی از صدا رو میتونیم بشنویم در مورد امواج الکترومغناطیس هم شما قادر به دیدن محدوده ی بسیار کوچکی از امواج الکترومغناطیس هستید که در محدوده ۷۰۰ تا ۴۰۰ نانومتر از نظر طول موج یا ۴۳۰ ترا هرتز تا ۷۵۰ تراهرتز از نظر فرکانس قرار میگیره و بالاتر یا پایین تر از این مقداررو قادر نیستیم با چشم غیر مسلح ببینیم

اما برخی از حشرات و حیوانات قادر هستند خارج از این محدوده را ببینند ،مثل زنبور عسل که میتونه فرابنفش رو هم ببینه

(جهت توضیح بیشتر تصویر ویدیو را ببینید)

تا اینجا با امواج الکترومغناطیس آشنا شدید

در صورتی که یک منبع تولید امواج مثل چراغ قوه در حال نزدیک شدن به ما باشد به دلیل اثر داپلر طول موج نورش کاهش پیدا میکند یا فرکانس نور بالا میره که این باعث میشه رنگ نور چراغ قوه به رنگ آبی متمایل بشه و به این پدیده شیفت آبی میگن.

و بالعکس اگر منبع نور در حال دور شدن از ما باشه باعث میشه نورش به سمت فرکانس‌های پایین تر یعنی قرمز متمایل بشه که بهش شیفت قرمز میگن.

البته مشاهده این پدیده به دلیل سرعت بسیار بالای خود نور یعنی ۳۰۰ هزار کیلومتر بر ثانیه در روی زمین قابل مشاهده نیست. اما در مقیاس های فضایی کهکشان ها با سرعت بالایی به دلیل انبساط جهان دارن از هم فاصله می‌گیرند و این باعث میشه بتونیم شیفت قرمز را از تلسکوپ ها برای کهکشان ها را ببینیم .حال این سوال پیش میاد که امواج الکترومغناطیس در فرکانس های بالا مثل نور مرئی که با چشم میبینیم، چطور توسط لامپی که به برق مستقیم یا فرکانس پایین متصله پدید میاد که این میشه موضوع یک ویدیوی دیگه