פיזיקה תיכונית/קרינה וחומר/גלים/מושגים

מבוא לגלים

"ההיסטוריה של התפתחות תורת הגלים מתחילה מן המאה הרביעית לפני הספירה. באותה תקופה, היה ברור שגלים יכולים להיווצר רק בתווך חומרי. התורה הגלית המכנית מתארת תנועה של הפרעה המתקדמת בחומר. לגלים תכונות מיוחדות ושונות משל חלקיקים" (סיפתח).

מהו גל?

גל הוא תופעת התפשטות (או התקדמות) של הפרעה בתווך.  יש גלים שיכולים להתפשט רק בחומר (גלי קול או גלים במים) ואחרים שיכולים להתפשט גם בריק (גלים אלקטרומגנטיים). - (מט"ח - קורס קרינה וחומר)

מושגים בסיסיים:

משרעת\אמפליטודה: הגודל המקסימלי של הגל, המרחק ממצב מנוחה עד שיא ההפרעה. מסומן לרוב באות A. יחידת המידה של האמפליטודה/משרעת היא מטר (m).

Simple harmonic motion

אורך גל: המרחק בין נקודות בגל הנעות יחד, באותו כיוון, האורך של מחזור אחד בגל מחזורי. לדוגמה: האורך משיא לשיא, משפל לשפל. מסומן לרוב באות למדה (λ), יחידת המידה של אורך הגל היא מטר (m).

זמן מחזור: הזמן שלוקח לגל לעבור את את המחרק בין שתי נקודות הנעות יחד, באותו כיוון.מסומן באות T, יחידת המידה של זמן המחזור היא שניות (s).

תווך - תווך הוא דבר שדרכו נע גל. תווך יכול להיום חומר מסויים. אך גם ריק יכול להיות תווך (גלים אלקטרו מגנטים נעים דרכו). כאשר גל נע בתוך תווך, התווך משפיע על הגל בדרכים רבות, ויכול לגרום לשבירה, החזרה, בליעה ועוד.
הפרעה - הפרעה הינה סטיה ממצב של מנוחה או מצב של שווי משקל. הפרעה יכולה לחזור על עצמה באופן מחזורי או באופן שאינו מחזורי (פולס).

סוגי גלים

גלי אורך רוחב

גל אורך - כיוון ההתקדמות של הגל זהה לכיוון ההפרעה.
ניתן להבין זאת בעזרת אבני דומינו אשר כיוון התקדמות הגל - (כיוון התקדמות אבני הדומינו) זהה לכיוון ההפרעה - (כיוון הנפילה של האבנים).
התקדמות הגל הינה אופקית ובנוסף החלקיקים בפולס מתקדמים בכיוון הגל.
דוגמאות לגלי אורך: גל קול, דחיסה של קפיץ ושחרורו.
דחיסת קפיץ ושחרורו - כיוון ההפרעה (חלקי הקפיץ שמתקדמים ודוחפים אחד את השני) זהה לכיוון ההתקדמות של הקפיץ אופקית ימינה או שמאלה.

גל רוחב - כיוון ההתקדמות של הגל מאונך לכיוון ההפרעה

ניתן להבין זאת בעזרת גלים במים. התקדמות הגל לעבר החוף אך ההפרעה הינה שהמים עולים ויורדים, המים לא מתקדמים אל החוף. המשמעות היא שההתקדמות של הגל מאונך לכיוון ההפרעה.
התקדמות הגל הינה אופקית ואילו החלקיקים בפולס עולים אנכית לכיוון הגל.

דוגמאות לגל רוחב: גל אלקטרומגנטי, גל הנוצר על פני המים,אדוה במים , נדנוד חבל.

גלים מכנים ואלקטרומגנטיים

גל מכני: גל אשר הפרעתו היא שינוי בתווך מסויים, התווך יכול להיות חומר מוצק, גז או נוזל. גל מכני אינו יכול להתקדם במרחב ללא שינוי בתווך, מאחר ותנועתו תלויה אך ורק בשינוי בתווך. דוגמאות לגלים מכנים אלו גלי קול, או גל בים.

גל אלקטרומגנטי: גל אשר הפרעתו היא שינוים בשדה המגנטי והחשמלי. כל הגלים האלקטרומגנטים נעים באותה מהירות בריק (מהירות האור). ההבדל העיקרי בין גל אלקטרו מגנטי לבין גל מכני הוא שגל אלקטרומגנטי לא זקוק לתווך פיזי על מנת לנוע, כלומר ההפרעה יכולה לנועה בריק. דוגמאות לגלים אלקטרו מגנטים הן גלי רדיו , אור נראה , ואינפרא אדום.

תרגול

זהה את סוג הגל לפי התמונה \ התרשים המוצג:
1. 2.

3. ציין מה מבין השניים כל גל: מכני או אלקטרומגנטי?

Abell S740, cropped to ESO 325-G004

דוגמה גל אנושי

א. אולטרה סגול
ב. גלים במים
ג. קרני גמא

4. האם שני אנשים יכולים לנהל שיחה בחלל?

5. במשחק ספורט מסויים, החליטו קבוצת אוהדים לבצע גל אנושי. כלומר, כל אדם בשורה על פי תורו קם עומד מרים את ידיו ויושב.

רעיונית ניתן לייצג את קהל האוהדים בתור התווך בו נע הגל,והאוהדים עצמם שקמים כחלקיקי חומר. סמנו את ההיגד הנכון:

1 א. החלקיקים מתנדנדים מעלה מטה.

ב. החלקיקים מתנדנדים ימינה ושמאלה.

2 א. ההפרעה נעה מעלה מטה.

ב. ההפרעה נעה קדימה.

3 א. החלקיקים מתנדנדים עם כיוון ההפרעה. לכן זהו גל רוחב.

ב. החלקיקים מתנדנדים בניצב לכיוון ההפרעה. לכן זהו גל רוחב.

ג. החלקיקים מתנדנדים עם כיוון ההפרעה. לכן זהו גל אורך

ד. החלקיקים מתנדנדים בניצב לכיוון ההפרעה. לכן זהו גל אורך

6. נתון מטען בגודל 1c. האם השדה החשמלי במרחק 1m בנוכחות המטען בלבד יהיה שווה לשדה החשמלי שיווצר במרחק 1m מהמטען כאשר הפעם המטען נמצא בנוכחות גלי רדיו?

תשובות:
1.גל אורך, כיוון ההתקדמות ככיון ההפרעה
2.גל רוחב, כיוון ההתקדמות אנכי לכיון ההפרעה
3. א. גל אלקטרומגנטי, עובר בריק.
ב. גל מכני, ישנו חומר שמוליך אותו
ג. גל אלקטרומגנטי, עובר בריק.
4. קול הוא גל מכני שזקוק לתווך (חומר) לעבור דרכו וכאשר שני אנשים נמצאים בריק, כמו בתנאים של חלל שבו אין אוויר וכך אין חומר שדרכו גלי הקול יכולים לעבור, נוצר מצב שבו שני האנשים לא יוכלו ליצור הפרעות בגלי הקול משום שאלו לא מתקיימים בריק, וכך שני האנשים לא יוכלו לשמוע אחד את השני.

5. 1- א מאחר וכל אוהד אך ורק קם מקומו ויורד, התנודה שלהם היא מעלה מטה.

2- ב למרות שכל אוהד באופן אינדיבידואלי עולה ויורד, ההפרעה עצמה מתקדמת קדימה. זאת מאחר וליד כל אוהד שקם, קם עוד אוהד, וליד כל אוהד שמתיישב מתיישב גם כן עוד אוהד. דבר זה מוביל להתקדמות ההפרעה לפי קצב הקימה של האוהדים.

3- ד מאחר שמצד אחד האוהדים נעים באופן אנכי, והפולס נע באופן אופקי, החלקיקים מאונכים לכיוון התפשטות. דבר אשר מתאים להגדרה של גל אורך

6. השדה החשמלי במרחק 1m מהמטען בשני המקרים לא יהיה שווה זאת כיוון שגל רדיו הינו גל אלקטרומגנטי, וכאשר גל אלקטרומגנטי נע הפרעתו כלומר השינוי שהוא גורם הוא לשינוי בשדה המגנטי והחשמלי. לכן בנוכחות גלי רדיו השדה השדה המגנטי אשר היה קיים רק בנוכחות המטען בלבד ישתנה.