برهمکنش‌­های موج

امواج می­‌توانند با محیط و با یکدیگر برهمکنش­‌هایی داشته باشند. برهمکنش امواج با محیط شامل بازتاب موج، شکست موج و پراش موج است و برهمکنش امواج با یک‌دیگر تداخل امواج نامیده می­‌شود که به تفصیل به آنها می­‌پردازیم.

بازتاب موج

زمانی که موج به انتهای محیط یا به عبارت دیگر به مرز دو محیط می­رسد متوقف نمی­‌شود، بلکه بخشی از موج از مرز دو محیط بازتاب می­‌شود و بخش دیگر آن وارد محیط دوم می‌­شود (علاوه بر اینکه بخشی از انرژی موج توسط هر محیط جذب می­‌شود.) ویژگی‌­های موج بازتاب به شرایط مرز دو محیط بستگی دارد.

مشاهده و انجام آزمایش در سایت آزتو

بازتاب موج در محیط­‌های یک بعدی مانند ریسمان و فنر، در محیط دو بعدی مانند سطح آب و یا در محیط سه بعدی مانند بازتاب نور از اجسام ممکن است رخ دهد. در همه انواع موج شامل امواج مکانیکی و الکترومغناطیسی بازتاب موج پدید می‌­آید. به عنوان مثال پژواک نمونه­‌ای از بازتاب موج صوتی است همچنین بازتاب نور از سطح اجسام عاملی است که سبب می­‌شود ما آن اجسام را ببینیم. موج بازتاب دارای سرعت و بسامد یکسانی با موج اولیه است.

فرض کنیم امواج به سطح یک مانع برخورد کنند در این حالت برای نشان دادن انتشار موج علاوه بر جبهه موج می­‌توانیم از نمودار پرتویی استفاده کنیم. در نمودار پرتویی جهت انتشار موج با یک پیکان نشان داده می‌­شود که عمود بر جبهه موج است. زاویه میان پرتو موج و خط عمود بر سطح، زاویه تابش (\inline \theta _{i}) و زاویه میان پرتو بازتاب و خط عمود زاویه بازتابش (\inline \theta _{r})  نامیده می­‌شود. قانون بازتاب عمومی بیان می‌­کند که برای انواع امواج و هر نوع مانع (به شرط آنکه اندازه سطح نسبت به طول موج به طور قابل توجه بزرگتر باشد) همواره زاویه تابش و زاویه بازتاب با هم برابر است.

اگر سطحی که موج از آن بازتاب می­‌شود سطح کاملا هموار باشد بازتاب آن بازتاب منظم است اما اگر سطح دارای ناهمواری باشد بازتاب نامنظم اتفاق می‌­افتد که در آن یک دسته پرتو موازی به صورت پراکنده و در جهت­‌های مختلف بازتاب می‌­شوند.

شکست موج

سرعت یک موج به ویژگی­‌های محیط بستگی دارد بنابراین اگر موج از محیط اول وارد محیط دوم شود سرعت آن تغییر می­‌کند و این عامل سبب ایجاد پدیده شکست موج می­‌شود. بدین ترتیب زمانی که موج از یک محیط وارد محیط دیگر می‌­شود جهت پرتو موج، سرعت و طول موج تغییر می­‌کند. زمانی که به درون یک استخر نگاه کنیم شکست نور از هوا به آب و از آب به هوا سبب می­‌شود ما اجسام درون آب را در مکانی متفاوت از مکان واقعی آن جسم ببینیم.

زاویه پرتو شکسته شده با خط عمود زاویه شکست نامیده می­‌شود. همانطور که اشاره کردیم علت شکست موج تغییر سرعت موج است، بنابراین میزان شکست نور به نسبت سرعت موج در دو محیط بستگی دارد و مطابق قانون شکست عمومی از رابطه زیر پیروی می­کند (زیروندهای یک و دو مربوط به محیط اول و دوم است)

\frac{sin\theta _{2}}{sin\theta _{1}}=\frac{v_{2}}{v_{1}}

از آنجایی که پدیده شکست موج در نور سبب می­‌شود دید ما تغییر کند و دارای کاربرد­های بسیاری است، اهمیت بیشتری دارد. در امواج الکترومغناطیس برای هر محیط یک پارامتر به نام ضریب شکست (n) بیان می­‌شود که نسبت سرعت نور در خلا (c) را به سرعت نور در آن محیط نشان می‌­دهد.

n=\frac{c}{v}

قانون شکست عمومی را می­‌توانیم با جایگزینی ضریب شکست نیز بیان کنیم که به آن قانون شکست اسنل گفته می­‌شود.

n_{1}sin\theta _{1}=n_{2}sin\theta _{2}

مشاهده و انجام آزمایش در سایت آزتو

پراش موج

پراش موج زمانی اتفاق می­‌افتد که موج از لبه­‌ها یا شکاف یک مانع عبور کند. پراش ممکن است در همه انواع موج رخ دهد اما در برخی امواج پدیده پراش برجسته­‌تر است. به عنوان مثال، امواج صوتی بسیار بیشتر از نور در اطراف گوشه‌ها خم می‌شوند. میزان پراش امواج به اندازه شکاف و طول موج امواج بستگی دارد. زمانی که اندازه طول موج کوچکتر از اندازه شکاف باشد پراش قابل توجهی رخ نمی­‌دهد.

تداخل امواج

اغلب امواجی که در محیط وجود دارند مانند امواج سطح دریا یا امواج صوتی که در یک سالن موسیقی به گوش می­‌رسند یک موج ساده نیستند، بلکه ترکیبی از دو یا چندین موج هستند که به طور همزمان در یک مکان قرار می­‌گیرند و با هم ترکیب می­‌شوند. این ترکیب امواج، تداخل امواج نامیده می­‌شود. اثر تداخل بر محیط برابر با مجموع اثر خالص دو موج منفرد بر محیط است. اگر در یک مکان جهت جابه‌جایی دو موج یکسان باشد جابه‌جایی موج برآیند برابر جابه­‌جایی مجموع دو موج است که به آن تداخل سازنده گفته می­‌شود اما اگر در یک مکان جهت جابه‌جایی دو موج عکس باشد آنگاه دو موج اثر یکدیگر را می­‌کاهند که به آن تداخل مخرب می­‌گوییم.

مشاهده و انجام آزمایش در سایت آزتو

اگر دو موج هم دامنه و هم بسامد با هم تداخل یابند موج برآیند دارای همان بسامد خواهد بود اما دامنه موج برآیند به اختلاف فاز دو موج بستگی دارد. اگر اختلاف فاز دو موج برابر صفر باشد یعنی دو قله در یک مکان قرار گیرند موج برآیند دارای حداکثر دامنه یعنی دو برابر دامنه اولیه خواهد بود اما اگر اختلاف فاز دو موج ۹۰ درجه باشد یعنی قله یک موج با قعر موج دوم در یک مکان جمع شوند اثر یکدیگر را خنثی می­‌کنند و دامنه برابر صفر می‌­شود. به همین ترتیب متناسب با اختلاف فاز دامنه موج برآیند تغییر می­‌کند.

n_{1}sin\theta _{1}=n_{2}sin\theta _{2}

مشاهده و انجام آزمایش در سایت آزتو