الحركة الدورية هي كل حركة تكرر نفسها بعد فترة زمنية ثابتة، مثل دوران الأرض حول الشمس وعقرب الساعة ونبض القلب. أما الحركة الاهتزازية فهي حركة دورية يتحرك فيها الجسم ذهابًا وإيابًا حول موضع اتزانه، كجسم معلّق في نابض أو ثقل بندول.
Periodic motion is any motion that repeats itself after a fixed interval of time, like the Earth orbiting the Sun, the hand of a clock or the heartbeat. Oscillatory motion is a periodic motion in which the body moves to and fro about its equilibrium position, like a body hanging on a spring or the bob of a pendulum.
مثالان على الحركة الاهتزازية: نابض معلّق وبندول.
Two examples of oscillatory motion: a hanging spring and a pendulum.
هي حركة اهتزازية لجسم في خط مستقيم حول موضع الاتزان، تتناسب فيها قوة الإرجاع طرديًا مع الإزاحة وتعاكسها في الاتجاه (تعيد الجسم دائمًا نحو موضع الاتزان).
It is the oscillation of a body along a straight line about its equilibrium position in which the restoring force is directly proportional to the displacement and opposite to it (it always pulls the body back toward equilibrium).
| الكميةQuantity | تعريفهاDefinition | الرمز والوحدةSymbol and unit |
|---|---|---|
| السعةAmplitude | أكبر إزاحة للجسم عن موضع الاتزانThe maximum displacement from the equilibrium position | \(A\ (m)\) |
| الزمن الدوريPeriod | الزمن اللازم لإتمام اهتزازة كاملةThe time for one complete oscillation | \(T\ (s)\) |
| الترددFrequency | عدد الاهتزازات الكاملة في الثانية الواحدةThe number of complete oscillations in one second | \(f\ (Hz=s^{-1})\) |
نابض يهتز بسعة \(A\): ينزل إلى \(-A\) ثم يعود، ومنحنى الإزاحة مع الزمن موجة جيبية.
A spring oscillating with amplitude \(A\): it goes down to \(-A\) and back, and the displacement–time curve is a sine wave.
\[f=\dfrac{1}{T}\qquad\Longleftrightarrow\qquad T=\dfrac{1}{f}\]
اهتزاز الجسم \(N\) اهتزازة في زمن \(t\) يعطي: \(T=\dfrac{t}{N}\) و\(f=\dfrac{N}{t}\).
If the body makes \(N\) oscillations in a time \(t\): \(T=\dfrac{t}{N}\) and \(f=\dfrac{N}{t}\).
في منحنى الإزاحة مع الزمن: السعة هي أعلى ارتفاع للمنحنى عن محور الزمن (قمة الموجة)، والزمن الدوري هو المسافة الأفقية بين قمتين متتاليتين (أو بين أي نقطتين متتاليتين متماثلتين). عند أقصى إزاحة تكون سرعة الجسم لحظيًا صفرًا لأنه يغيّر اتجاه حركته، وعند مروره بموضع الاتزان تكون سرعته أكبر ما يمكن.
In the displacement–time graph the amplitude is the height of the curve above the time axis (the crest), and the period is the horizontal distance between two successive crests (or any two successive identical points). At maximum displacement the speed is instantly zero because the body reverses its direction, and when it passes the equilibrium position its speed is maximum.
أكمل جسم معلّق بنابض \(30\) اهتزازة كاملة في \(15\ s\). تردد حركته:
A body hanging on a spring makes \(30\) complete oscillations in \(15\ s\). The frequency of its motion is:
أي العبارات التالية صحيحة لجسم يهتز حركة توافقية بسيطة عند مروره بموضع الاتزان؟
Which statement is correct for a body in simple harmonic motion as it passes the equilibrium position?
اكتشف العالم الإنجليزي روبرت هوك أن النابض (أو أي جسم مرن) إذا شُوّه تشوهًا صغيرًا فإن مقدار التشوه (الاستطالة أو الانضغاط) يتناسب طرديًا مع القوة المؤثرة، وأن الجسم يعود إلى شكله الأصلي عند زوال القوة.
The English scientist Robert Hooke found that a spring (or any elastic body) that is deformed slightly changes its length (stretches or compresses) by an amount that is directly proportional to the applied force, and that the body returns to its original shape when the force is removed.
\[F=-k\,x\]
\(x\): الإزاحة عن الوضع الطبيعي (m)، \(k\): ثابت النابض (N/m)، والإشارة السالبة تعني أن قوة الإرجاع عكس اتجاه الإزاحة. إذا أردنا مقدار القوة فقط: \(F=k\,x\) ومنه \(k=\dfrac{F}{x}\) وهو ميل الخط المستقيم في رسم القوة مقابل الإزاحة.
\(x\) is the displacement from the natural position (m) and \(k\) is the spring constant (N/m); the minus sign means the restoring force is opposite to the displacement. For the magnitude only: \(F=k\,x\), so \(k=\dfrac{F}{x}\), the slope of the straight line in the force–displacement graph.
\(k\) يقيس قساوة النابض: النابض ذو \(k=200\ N/m\) يحتاج \(200\ N\) ليستطيل \(1\ m\) (أو \(2\ N\) ليستطيل \(1\ cm\)). كلما كبر \(k\) صار النابض أقسى واستطال أقل بالقوة نفسها. ويصح القانون ما دام التشوه صغيرًا (ضمن حد المرونة)؛ وإذا تجاوزنا هذا الحد يتشوّه النابض بصورة دائمة ولا يعود لطوله الأصلي.
\(k\) measures the stiffness of the spring: a spring with \(k=200\ N/m\) needs \(200\ N\) to stretch \(1\ m\) (or \(2\ N\) to stretch \(1\ cm\)). The larger \(k\) is, the stiffer the spring and the less it stretches under the same force. The law holds only while the deformation is small (within the elastic limit); beyond it the spring is permanently deformed and does not return to its original length.
اختر نابضًا (A أو B أو C) وغيّر الكتلة المعلّقة به ثم اضغط «سجّل القراءة». القوة هي الوزن \(F=mg\) والاستطالة تُقرأ من المسطرة. بعد قراءتين على الأقل يظهر الخط المستقيم الذي يمر بنقطة الأصل، وميله هو ثابت النابض \(k\). جرّب النوابض الثلاثة: أيّها الأقسى؟ (استطالته أقل لنفس القوة).
Choose a spring (A, B or C), change the mass hanging from it and press “Record”. The force is the weight \(F=mg\) and the extension is read from the ruler. After at least two readings the straight line through the origin appears; its slope is the spring constant \(k\). Try the three springs: which is the stiffest? (it stretches least for the same force).
ما ثابت زنبرك يستطيل بمقدار \(12\ cm\) عندما يعلّق به جسم وزنه \(24\ N\)؟
What is the spring constant of a spring that stretches by \(12\ cm\) when a body of weight \(24\ N\) hangs from it?
زنبرك ثابته \(k=250\ N/m\) أثّرت عليه قوة شد \(75\ N\). الاستطالة بالسنتيمتر:
A spring of constant \(k=250\ N/m\) is pulled by a force of \(75\ N\). The extension in centimetres is:
عندما نشدّ النابض أو نضغطه نبذل شغلًا يُخزَّن فيه على شكل طاقة وضع مرنة. وعندما يهتز الجسم المعلّق به تتحول هذه الطاقة إلى طاقة حركة ثم تعود إلى طاقة وضع، وهكذا.
When we stretch or compress a spring we do work that is stored in it as elastic potential energy. When the body attached to it oscillates, this energy converts to kinetic energy and back to potential energy, again and again.
\[PE=\dfrac12\,k\,x^{2}\]
\[ME=KE+PE=\dfrac12\,k\,A^{2}\]
\[KE=\dfrac12\,k\,(A^{2}-x^{2})\]
الطاقة الكلية \(ME\) ثابتة وتتناسب مع مربع السعة \(A^{2}\) ومع \(k\).
The total energy \(ME\) is constant and proportional to the square of the amplitude \(A^{2}\) and to \(k\).
| الموضعPosition | السرعةSpeed | \(KE\)\(KE\) | \(PE\)\(PE\) |
|---|---|---|---|
| \(x=\pm A\) أقصى إزاحة\(x=\pm A\) maximum displacement | صفرzero | 0 | \(ME\) |
| \(x=0\) موضع الاتزان\(x=0\) equilibrium | أكبر ما يمكنmaximum | \(ME\) | 0 |
| بين الموضعينin between | متوسطةintermediate | \(KE=ME-PE\) | \(PE=ME-KE\) |
عند موضع الاتزان \(PE=0\) فتكون \(\tfrac12mv_{max}^{2}=\tfrac12kA^{2}\) ومنه \(v_{max}=A\sqrt{k/m}\). ويُثبَت أن الزمن الدوري لكتلة \(m\) على نابض ثابته \(k\) هو:
At equilibrium \(PE=0\), so \(\tfrac12mv_{max}^{2}=\tfrac12kA^{2}\) and therefore \(v_{max}=A\sqrt{k/m}\). It can be shown that the period of a mass \(m\) on a spring of constant \(k\) is:
\[T=2\pi\sqrt{\dfrac{m}{k}}\]
لاحظ أن \(T\) لا يعتمد على السعة: يزداد بزيادة الكتلة ويقل بزيادة قساوة النابض. مثال: \(m=0.5\ kg\) و\(k=50\ N/m\) يعطي \(T=2\pi\sqrt{0.5/50}=0.63\ s\).
Notice that \(T\) does not depend on the amplitude: it grows with the mass and shrinks as the spring gets stiffer. Example: \(m=0.5\ kg\) and \(k=50\ N/m\) give \(T=2\pi\sqrt{0.5/50}=0.63\ s\).
كتلة على نابض أفقي أملس. غيّر السعة \(A\) وثابت النابض \(k\) والكتلة \(m\) ثم اضغط «شغّل». الرسم السفلي يعرض الطاقات بدلالة الإزاحة: طاقة الوضع (البرتقالي) قطع مكافئ، والحركية (الأخضر) قطع مكافئ مقلوب، ومجموعهما (البنفسجي) مستقيم أفقي ثابت. استخدم أزرار «أقصى إزاحة» و«موضع الاتزان» لتتوقف عند نقاط معينة.
A mass on a smooth horizontal spring. Change the amplitude \(A\), the spring constant \(k\) and the mass \(m\), then press “Run”. The lower graph shows the energies against displacement: potential energy (orange) is a parabola, kinetic (green) an inverted parabola, and their sum (purple) a constant horizontal line. Use the “maximum displacement” and “equilibrium” buttons to stop at particular points.
ينضغط زنبرك ثابته \(k=144\ N/m\) بمقدار \(16.5\ cm\). طاقة الوضع المرنة المخزنة فيه:
A spring of constant \(k=144\ N/m\) is compressed by \(16.5\ cm\). The elastic potential energy stored in it is:
زنبرك ثابته \(180\ N/m\) خُزّنت فيه طاقة وضع مرنة \(3.6\ J\). مقدار انضغاطه:
A spring of constant \(180\ N/m\) stores \(3.6\ J\) of elastic potential energy. Its compression is:
إذا ضوعفت سعة جسم يهتز حركة توافقية بسيطة فإن طاقته الحركية عند موضع الاتزان:
If the amplitude of a body in simple harmonic motion is doubled, its kinetic energy at the equilibrium position:
البندول البسيط ثقل صغير (كتلة نقطية) معلّق بخيط مهمل الكتلة وغير قابل للتمدد، طرفه الآخر مثبت. عند إزاحته زاوية \(\theta\) عن الوضع الرأسي وتركه يتأرجح حول وضع الاتزان.
A simple pendulum is a small bob (a point mass) hanging from a massless, inextensible string whose other end is fixed. It is displaced by an angle \(\theta\) from the vertical and released, and swings about the equilibrium position.
القوة المرجِعة هي المركبة \(mg\sin\theta\) المماسية للقوس، أما المركبة \(mg\cos\theta\) فتوازن الشد في الخيط.
The restoring force is the component \(mg\sin\theta\) tangent to the arc, while the component \(mg\cos\theta\) balances the tension in the string.
\[F=-mg\sin\theta\]
عندما تكون الزاوية أقل من \(15^{\circ}\) يكون \(\sin\theta\approx\theta\) (بالراديان) فتتناسب القوة مع الإزاحة ويصبح الاهتزاز توافقيًا بسيطًا، والزمن الدوري:
When the angle is less than \(15^{\circ}\), \(\sin\theta\approx\theta\) (in radians), so the force is proportional to the displacement and the oscillation is simple harmonic, with period:
\[T=2\pi\sqrt{\dfrac{L}{g}}\]
ولهذا يُستخدم البندول في قياس \(g\): نقيس \(T\) و\(L\) ثم \(g=\dfrac{4\pi^{2}L}{T^{2}}\)؛ وهو ما تفعله التجربة التالية بميل الخط المستقيم لـ \(T^{2}\) مقابل \(L\).
This is why a pendulum is used to measure \(g\): we measure \(T\) and \(L\) and then \(g=\dfrac{4\pi^{2}L}{T^{2}}\); the next experiment does exactly that with the slope of the straight line of \(T^{2}\) against \(L\).
غيّر طول الخيط وزاوية الإزاحة الابتدائية ثم اضغط «شغّل». يقيس البرنامج الزمن الدوري \(T\) من لحظتي مرور متتاليتين بالوضع الرأسي. اضغط «سجّل (L, T)» لأربعة أطوال مختلفة على الأقل (بزاوية \(15^{\circ}\) أو أقل) فيظهر الخط المستقيم لـ \(T^{2}\) مقابل \(L\) ويحسب البرنامج \(g\) من ميله. لاحظ أن الكتلة لا تظهر في أي مكان! وجرّب زاوية \(60^{\circ}\) لترى أن الزمن يزداد قليلًا.
Change the string length and the initial angle, then press “Run”. The program measures the period \(T\) from two successive passes through the vertical. Press “Record (L, T)” for at least four different lengths (at \(15^{\circ}\) or less) and the straight line of \(T^{2}\) against \(L\) appears; the program computes \(g\) from its slope. Notice that the mass does not appear anywhere! Try \(60^{\circ}\) to see the period grow slightly.
بندول بسيط طوله \(1\ m\) في مكان \(g=9.81\ m/s^{2}\). زمنه الدوري تقريبًا:
A simple pendulum of length \(1\ m\) is in a place where \(g=9.81\ m/s^{2}\). Its period is about:
الزمن الدوري للبندول البسيط يعتمد على:
The period of a simple pendulum depends on:
الموجة اضطراب ينقل الطاقة خلال المادة أو الفضاء دون أن تنتقل جزيئات المادة نفسها مع الموجة. والوسط هو المادة التي تنتقل خلالها الموجة. والموجة الميكانيكية تحتاج إلى وسط مادي لتنتقل مثل الموجات الصوتية وموجات الماء وموجات الحبل؛ فلا تنتقل الموجات الصوتية عبر الفراغ، بخلاف الموجات الكهرومغناطيسية (كالضوء) التي لا تحتاج إلى وسط.
A wave is a disturbance that carries energy through matter or space without the particles of the matter travelling with the wave. The medium is the material through which the wave travels. A mechanical wave needs a material medium to travel, like sound waves, water waves and rope waves; sound cannot travel through a vacuum, unlike electromagnetic waves (such as light), which need no medium.
عندما تمر موجة ميكانيكية في وسط فإن كل جسيم منه يهتز حركة توافقية بسيطة حول موضع اتزانه ثم يُحرّك الجسيم المجاور له. مثال: عندما تنتقل موجة على سطح بحيرة فإن ورقة شجر عائمة ترتفع وتنخفض في مكانها تقريبًا ولا تُحمل مع الموجة؛ الذي يتحرك للأمام هو الاضطراب (الطاقة) وليس الماء.
When a mechanical wave passes through a medium each of its particles performs simple harmonic motion about its equilibrium position and then sets the neighbouring particle in motion. For example, when a wave crosses a lake a floating leaf rises and falls in roughly the same place and is not carried along; what moves forward is the disturbance (the energy), not the water.
الموجة العرضية تهتز فيها جسيمات الوسط عموديًا على اتجاه انتشار الموجة. في الشكل: تهتز الكرات للأعلى وللأسفل بينما تنتقل الموجة أفقيًا من اليسار إلى اليمين. أعلى نقطة تسمى قمة وأخفض نقطة قاع. أمثلة: موجات الحبل، والضوء.
In a transverse wave the particles of the medium vibrate perpendicular to the direction in which the wave travels. In the figure the balls move up and down while the wave travels horizontally from left to right. The highest point is a crest and the lowest a trough. Examples: waves on a rope, and light.
موجة عرضية: الجسيمات تهتز رأسيًا والموجة تنتقل أفقيًا.
A transverse wave: the particles move vertically and the wave travels horizontally.
الموجة الطولية تهتز فيها جسيمات الوسط بالتوازي مع اتجاه انتشار الموجة ذهابًا وإيابًا. تتكوّن فيها مناطق تقارب الجسيمات تسمى تضاغطات ومناطق تباعد تسمى تخلخلات. مثال: الصوت في الهواء، والموجة المنتقلة على نابض مضغوط.
In a longitudinal wave the particles vibrate parallel to the direction of travel, back and forth. Regions where particles are close together are compressions and regions where they are far apart are rarefactions. Examples: sound in air, and a wave travelling along a compressed spring.
موجة طولية: تتناوب مناطق التضاغط والتخلخل وتهتز الجسيمات أفقيًا.
A longitudinal wave: compressions and rarefactions alternate and the particles move horizontally.
عند سطح الماء تكون الموجة مزيجًا من الموجتين: تتحرك جزيئات الماء في مسارات دائرية تقريبًا، فتهتز أحيانًا موازية لاتجاه انتشار الموجة وأحيانًا عمودية عليه. ولذلك لا تُصنَّف موجات سطح الماء عرضية صرفة ولا طولية صرفة. وتقل سعة هذه الحركة الدائرية مع العمق حتى تنعدم تقريبًا في الأعماق. جرّب التجربة التالية، ويمكنك أيضًا استخدام محاكاة GeoGebra في نهاية الصفحة.
At the surface of water the wave is a mixture of both kinds: the water particles move in roughly circular paths, so they sometimes move parallel to the direction of travel and sometimes perpendicular to it. That is why water surface waves are neither purely transverse nor purely longitudinal. The size of this circular motion decreases with depth until it almost vanishes. Try the next experiment, and you can also use the GeoGebra simulation at the end of the page.
شاهد كيف تتحرك جزيئات الماء عند مرور موجة على السطح: كل جزيء يدور في دائرة تقريبًا (الدوائر الحمراء تعرض ثلاثة أعماق مختلفة لجزيء واحد)، فيهتز أحيانًا موازيًا لاتجاه انتشار الموجة وأحيانًا عموديًا عليه، ولا ينتقل مع الموجة. غيّر الطول الموجي والسعة ولاحظ أن المدارات تصغر بسرعة مع العمق.
Watch how the water particles move as a wave passes along the surface: each one travels in roughly a circle (the red circles show three different depths for the same column), so it moves sometimes parallel to the direction of travel and sometimes perpendicular to it, and is not carried along with the wave. Change the wavelength and the amplitude and notice that the orbits shrink quickly with depth.
بدّل بين الموجة العرضية والطولية، وغيّر التردد والطول الموجي والسعة. تابع الجسيم الأحمر: في العرضية يهتز عموديًا على اتجاه الانتشار، وفي الطولية يهتز على امتداده، وفي الحالتين لا ينتقل مع الموجة بل تنتقل الطاقة فقط. سرعة الموجة تُحسب من \(v=\lambda f\).
Switch between the transverse and the longitudinal wave, and change the frequency, the wavelength and the amplitude. Follow the red particle: in the transverse wave it moves perpendicular to the direction of travel, in the longitudinal wave along it, and in both cases it does not travel with the wave; only the energy does. The wave speed is found from \(v=\lambda f\).
أي الموجات التالية موجة طولية؟
Which of the following waves is a longitudinal wave?
تُعرَّف خصائص الموجة بالطريقة نفسها التي تُعرَّف بها خصائص اهتزاز جسيمات الوسط:
The properties of a wave are defined the same way as those of the vibration of the particles of the medium:
| الكميةQuantity | المعنىMeaning | الرمز والوحدةSymbol and unit |
|---|---|---|
| الزمن الدوريPeriod | الزمن اللازم لاهتزازة كاملةThe time for one complete vibration | \(T\ (s)\) |
| الترددFrequency | عدد الاهتزازات في الثانيةThe number of vibrations per second | \(f\ (Hz)\) |
| السعةAmplitude | أقصى إزاحة عن موضع الاتزانThe maximum displacement from equilibrium | \(A\ (m)\) |
| الطول الموجيWavelength | المسافة بين قمتين متتاليتين (أو أي نقطتين متتاليتين متفقتين في الطور)The distance between two successive crests (or any two successive points in phase) | \(\lambda\ (m)\) |
\[v=\lambda\,f\qquad\Longleftrightarrow\qquad \lambda=\dfrac{v}{f}\]
في زمن دوري واحد \(T\) تتقدم الموجة مسافة قدرها طول موجة واحد، فتكون \(v=\dfrac{\lambda}{T}=\lambda f\).
In one period \(T\) the wave advances one wavelength, so \(v=\dfrac{\lambda}{T}=\lambda f\).
مصدر يولّد موجة تردد \(5\ Hz\) وطولها الموجي \(0.4\ m\). سرعة الموجة:
A source produces a wave of frequency \(5\ Hz\) and wavelength \(0.4\ m\). The speed of the wave is:
عندما تنتقل موجة من وسط إلى آخر تقل فيه سرعتها، أي الكميات التالية تبقى ثابتة؟
When a wave passes into a medium in which it is slower, which of the following stays constant?
عندما تصل الموجة إلى حدّ (نقطة يتغير عندها الوسط) يحدث ثلاثة أشياء: ينتقل جزء من الموجة إلى الوسط الجديد (انتقال)، وينعكس جزء آخر إلى الوسط الأول (انعكاس)، ويُمتص جزء من الطاقة. وسرعة النبضة المنعكسة تساوي سرعة النبضة الساقطة لأنها ما زالت في الوسط نفسه.
When a wave reaches a boundary (a point where the medium changes) three things happen: part of the wave passes into the new medium (transmission), another part is sent back into the first medium (reflection), and some of the energy is absorbed. The reflected pulse has the same speed as the incident one because it is still in the same medium.
في الحالتين تكون سعة النبضة المنعكسة أصغر من الساقطة لأن جزءًا من الطاقة انتقل أو امتُص.
In both cases the reflected pulse has a smaller amplitude than the incident one because some of the energy was transmitted or absorbed.
يسار: انعكاس عن طرف ثابت (نبضة مقلوبة). يمين: انعكاس عن طرف حر (نبضة معتدلة).
Left: reflection from a fixed end (inverted pulse). Right: reflection from a free end (upright pulse).
نبضة على حبل تنعكس عن طرفه المثبّت في الجدار. النبضة المنعكسة:
A pulse on a rope reflects from its end fixed to a wall. The reflected pulse is:
عندما تتداخل موجتان أو أكثر في الوسط نفسه في الوقت نفسه نسمي ذلك تداخل الموجات. تمر النبضتان إحداهما عبر الأخرى وتتابع كل منهما طريقها وكأن شيئًا لم يحدث، وهذا مبدأ الاستقلالية، ويظهر التأثير فقط أثناء التقائهما.
When two or more waves overlap in the same medium at the same time we call it wave interference. The two pulses pass through each other and each continues as if nothing had happened, which is the principle of independence; the effect appears only while they overlap.
إزاحة الوسط عند أي نقطة أثناء التقاء عدة موجات تساوي المجموع الجبري لإزاحات الموجات الفردية عند تلك النقطة: \(y=y_1+y_2+\dots\)
The displacement of the medium at any point while several waves overlap equals the algebraic sum of the displacements of the individual waves at that point: \(y=y_1+y_2+\dots\)
الخطوط المنقطة الملونة تمثل النبضتين الأصليتين، والخط الأسود هو الشكل الفعلي (مجموعهما) الذي نراه.
The coloured dotted lines are the original pulses and the black line is the actual shape (their sum) that we see.
| الحالةCase | فرق الطورPhase difference | السعة الناتجةResultant amplitude |
|---|---|---|
| تداخل بنّاء (قمة مع قمة)Constructive (crest meets crest) | \(0^{\circ}\) (في الطور)\(0^{\circ}\) (in phase) | \(A_1+A_2\)\(A_1+A_2\) |
| تداخل هدّام (قمة مع قاع)Destructive (crest meets trough) | \(180^{\circ}\) (عكس الطور)\(180^{\circ}\) (opposite phase) | \(|A_1-A_2|\) وتنعدم إذا تساوتا\(|A_1-A_2|\), zero if they are equal |
عندما تلغي موجتان بعضهما لحظيًا لا تختفي طاقتهما: في تلك اللحظة تكون الطاقة كلها طاقة حركة للجسيمات (الوسط مستقيم لكنه في حالة حركة)، ثم تعود الموجتان فتظهران من جديد بعد أن تتجاوز كل منهما الأخرى.
When two waves momentarily cancel, their energy does not vanish: at that instant it is all kinetic energy of the particles (the medium is straight but still moving), and the two waves emerge again after passing through each other.
موجتان متماثلتان في التردد والطول الموجي، الأولى (الحمراء) والثانية (الزرقاء). غيّر فرق الطور بينهما وسعة الثانية، وشاهد الموجة الناتجة (البنفسجية) وهي المجموع الجبري لإزاحتي الموجتين في كل نقطة (مبدأ التراكب). جرّب الأزرار: في الطور (0°) وعكس الطور (180°) وربع دورة (90°).
Two waves of the same frequency and wavelength, the first (red) and the second (blue). Change the phase difference and the amplitude of the second, and watch the resultant wave (purple), the algebraic sum of the two displacements at every point (the superposition principle). Try the buttons: in phase (0°), opposite phase (180°) and a quarter cycle (90°).
تداخلت موجتان متفقتان في الطور سعة الأولى \(3\ cm\) وسعة الثانية \(2\ cm\). سعة الموجة الناتجة:
Two waves in phase, of amplitudes \(3\ cm\) and \(2\ cm\), interfere. The amplitude of the resultant wave is:
عندما تتحرك موجتان متماثلتان في الطول الموجي في اتجاهين متعاكسين في الوسط نفسه (مثل موجة وانعكاسها على وتر) فإن تراكبهما ينتج موجة واقفة، وتسمى كذلك لأنها لا تتحرك في اتجاه أي من الموجتين. بعض نقاطها لا تتحرك أبدًا وتسمى العقد، والنقاط التي تهتز بأكبر سعة تسمى البطون. والمسافة بين عقدتين متتاليتين (أو بطنين) تساوي نصف طول موجي.
When two waves of the same wavelength move in opposite directions in the same medium (such as a wave and its reflection on a string) their superposition produces a standing wave, so called because it does not move in the direction of either wave. Some of its points never move and are called nodes; the points that vibrate with the largest amplitude are antinodes. The distance between two successive nodes (or antinodes) is half a wavelength.
في وتر مثبّت من طرفيه توجد دائمًا عقدة عند كل طرف، ولا تتكوّن موجة واقفة إلا لأطوال موجية معينة. يسمى كل نمط اهتزاز توافقيًا:
On a string fixed at both ends there is always a node at each end, and standing waves form only for certain wavelengths. Each vibration pattern is called a harmonic:
التوافقيات الأول والثاني والثالث على وتر مثبّت من طرفيه.
The first, second and third harmonics on a string fixed at both ends.
| التوافقيHarmonic | عدد القطعSegments | الطولLength | الطول الموجيWavelength | الترددFrequency |
|---|---|---|---|---|
| الأول (الأساسي)First (fundamental) | 1 | \(L=\dfrac{\lambda}{2}\) | \(\lambda=2L\) | \(f_0\) |
| الثانيSecond | 2 | \(L=\lambda\) | \(\lambda=L\) | \(2f_0\) |
| الثالثThird | 3 | \(L=\dfrac{3\lambda}{2}\) | \(\lambda=\dfrac{2L}{3}\) | \(3f_0\) |
\[L=n\,\dfrac{\lambda_n}{2}\ ,\qquad \lambda_n=\dfrac{2L}{n}\ ,\qquad f_n=\dfrac{v}{\lambda_n}=n\,\dfrac{v}{2L}=n\,f_0\]
\(n=1,2,3,\dots\): عدد البطون \(n\) وعدد العقد \(n+1\) (بما فيها الطرفان). والتردد الأساسي \(f_0=\dfrac{v}{2L}\).
\(n=1,2,3,\dots\): the number of antinodes is \(n\) and of nodes \(n+1\) (including the two ends). The fundamental frequency is \(f_0=\dfrac{v}{2L}\).
وتر مثبّت من طرفيه. اختر رتبة التوافقي \(n\) وغيّر طول الوتر وسرعة الموجة فيه. لاحظ أن العقد (الدوائر الحمراء) ثابتة، وعددها \(n+1\) (طرفان وما بينهما)، وعدد البطون \(n\)، وأن التردد يساوي \(n\) مرة التردد الأساسي.
A string fixed at both ends. Choose the harmonic number \(n\) and change the length of the string and the wave speed in it. Notice that the nodes (red circles) stay fixed, there are \(n+1\) of them (the two ends and those between), the number of antinodes is \(n\), and the frequency is \(n\) times the fundamental frequency.
وتر طوله \(0.6\ m\) مثبّت من طرفيه وسرعة الموجة فيه \(240\ m/s\). التردد الأساسي:
A string of length \(0.6\ m\) is fixed at both ends and the wave speed in it is \(240\ m/s\). The fundamental frequency is:
في الموجة الواقفة النقاط التي لا تتحرك تسمى:
In a standing wave the points that do not move are called:
عند سقوط حصاة في بركة يُدفع الماء للأسفل ثم يرتد للأعلى فتنتشر حلقات متحدة المركز نحو الخارج. مقدمة الموجة هي الخط الذي يصل بين النقاط التي بلغها الاضطراب بالطور نفسه (الحلقات البيضاء). والمسافة بين مقدمتي موجة متتاليتين هي الطول الموجي. وتنتشر الموجة في كل الاتجاهات، واتجاه الانتشار (الشعاع) دائمًا عمودي على مقدمة الموجة.
When a pebble drops into a pond the water is pushed down and then rebounds, and concentric rings spread outward. A wavefront is the line joining the points reached by the disturbance in the same phase (the white rings). The distance between two successive wavefronts is the wavelength. The wave spreads in all directions, and the direction of travel (the ray) is always perpendicular to the wavefront.
الحلقات البيضاء مقدمات الموجة والسوداء القيعان، والمسافة بين حلقتين بيضاوين متتاليتين هي الطول الموجي.
The white rings are wavefronts and the black ones troughs; the distance between two successive white rings is the wavelength.
عندما تصطدم الموجة بحاجز ينعكس جزء منها إلى الوسط الأصلي. نرسم العمود المقام على السطح عند نقطة السقوط، ونقيس زاويتين منه: زاوية السقوط \(\theta_i\) بين الشعاع الساقط والعمود، وزاوية الانعكاس \(\theta_r\) بين الشعاع المنعكس والعمود.
When a wave strikes a barrier part of it is reflected back into the original medium. We draw the normal to the surface at the point of incidence and measure two angles from it: the angle of incidence \(\theta_i\) between the incident ray and the normal, and the angle of reflection \(\theta_r\) between the reflected ray and the normal.
\[\theta_i=\theta_r\]
الشعاع الساقط والشعاع المنعكس والعمود تقع جميعها في مستوى واحد، وهذا ما يحدث عند ارتداد موجات الماء عن جانب البركة.
The incident ray, the reflected ray and the normal all lie in one plane; this is what happens when water waves bounce off the side of a pond.
انكسار الموجة هو انحرافها عن مسارها عندما تنتقل من وسط إلى آخر بزاوية غير قائمة على الحد بينهما، وسببه تغيّر سرعتها في الوسط الجديد (بينما يبقى ترددها ثابتًا). وفي الضوء نعبّر عن سرعته في الوسط بمعامل الانكسار \(n=c/v\)، ويُحسب الانكسار بقانون سنل:
Refraction is the bending of a wave when it passes from one medium to another at an angle other than 90° to the boundary; it is caused by the change of the wave's speed in the new medium (its frequency stays constant). For light we describe its speed in a medium by the refractive index \(n=c/v\), and the refraction is calculated with Snell's law:
\[n_1\sin\theta_1=n_2\sin\theta_2\]
عند الانتقال إلى وسط معامل انكساره أكبر (سرعة الموجة فيه أقل) تنكسر الموجة مقتربة من العمود؛ وعند الانتقال إلى وسط معامله أقل تنكسر مبتعدة عن العمود. مثال: ضوء من الهواء (\(n=1\)) إلى الماء (\(n=1.33\)) بزاوية سقوط \(40^{\circ}\): \(\sin\theta_2=\dfrac{\sin40^{\circ}}{1.33}=0.483\Rightarrow\theta_2\approx28.9^{\circ}\) أي أقرب إلى العمود.
On entering a medium of larger refractive index (where the wave is slower) the wave bends toward the normal; on entering one of smaller index it bends away from the normal. Example: light from air (\(n=1\)) into water (\(n=1.33\)) at an angle of incidence of \(40^{\circ}\): \(\sin\theta_2=\dfrac{\sin40^{\circ}}{1.33}=0.483\Rightarrow\theta_2\approx28.9^{\circ}\), closer to the normal.
ضوء ينتقل من الهواء (\(n=1\)) إلى زجاج (\(n=1.5\)) بزاوية سقوط \(30^{\circ}\). زاوية الانكسار:
Light passes from air (\(n=1\)) into glass (\(n=1.5\)) at an angle of incidence of \(30^{\circ}\). The angle of refraction is:
موجة ماء تصطدم بجدار بزاوية سقوط \(35^{\circ}\). زاوية انعكاسها:
A water wave strikes a wall at an angle of incidence of \(35^{\circ}\). Its angle of reflection is:
| الموضوعTopic | القانونLaw |
|---|---|
| التردد والزمن الدوريFrequency and period | \(f=\dfrac1T\) |
| قانون هوكHooke's law | \(F=-kx\) |
| طاقة الوضع المرنة والطاقة الكليةElastic potential and total energy | \(PE=\tfrac12kx^{2},\ ME=\tfrac12kA^{2}\) |
| زمن نابضPeriod of a spring | \(T=2\pi\sqrt{m/k}\) |
| زمن بندول بسيطPeriod of a simple pendulum | \(T=2\pi\sqrt{L/g}\) |
| الموجةThe wave | \(v=\lambda f\) |
| الموجة الواقفة على وترStanding wave on a string | \(\lambda_n=\dfrac{2L}{n},\ f_n=n\dfrac{v}{2L}\) |
| الانعكاس والانكسارReflection and refraction | \(\theta_i=\theta_r\ ,\ n_1\sin\theta_1=n_2\sin\theta_2\) |
أنهِ الدرس بالاختبار التفاعلي التالي؛ أسئلته تجمع بين الفهم والحساب وتغطي جميع أقسام الدرس.
Finish with the interactive exam below; its questions mix understanding with calculation and cover every section of the lesson.
20 سؤالاً - الحركة التوافقية وقانون هوك والبندول وخصائص الأمواج والتداخل والموجات الواقفة 20 Questions - SHM, Hooke's Law, the Pendulum, Wave Properties, Interference and Standing Waves
اضغط «تشغيل» لتعمل المحاكاة هنا داخل الدرس؛ ويمكن للطالب الرجوع إليها لتجربة الفكرة بطريقة أخرى.
Press “Run” to run the simulation right here inside the lesson; the student can use it to try the idea in another way.











