ماهية الضوء والصوت وخصائصهما

تمهيد

الضوء والصوت ظاهرتان طبيعيتان تلعبان دوراً محورياً في حياتنا اليومية. فهم خصائصهما وكيفية تفاعلهما مع العالم من حولنا يساهم في توسيع مداركنا العلمية وتقديرنا للكون.

ماهو الضوء؟

الضوء عبارة عن موجات كهرومغناطيسية قادرة على الانتقال في الفراغ بسرعة فائقة تقدر بحوالي 300 ألف كيلومتر في الثانية. تعتمد طاقة هذه الموجات على ترددها، فكلما زاد تردد الموجة، زادت طاقتها. وفقاً لنظرية النسبية الخاصة، تمثل سرعة الضوء الحد الأقصى للسرعة التي يمكن أن يتحرك بها أي شكل من أشكال الطاقة، المادة أو المعلومات في الكون. كما أنها سرعة الجسيمات عديمة الكتلة، وسرعة الجاذبية التي تتنبأ بها النظريات الحديثة. تتحرك الجسيمات عديمة الكتلة والأمواج بسرعة الضوء بغض النظر عن سرعة المصدر.

ماهو الصوت؟

الصوت هو ظاهرة فيزيائية تؤثر على حاسة السمع. يختلف نطاق السمع بين الكائنات الحية المختلفة. على سبيل المثال، يستطيع الإنسان سماع الأصوات عندما تصل الذبذبات بتردد يتراوح بين 15 و 20,000 هرتز إلى الأذن الداخلية. تنتقل هذه الذبذبات عبر الهواء لتصل إلى الأذن. يطلق العلماء مصطلح “الصوت” على جميع الذبذبات المماثلة التي تحدث في السوائل والمواد الصلبة.

أما الموجات فوق الصوتية فهي تلك التي يزيد ترددها عن 20,000 هرتز. سواء كان انتقال الصوت عرضيًا أو طوليًا، فإن الطاقة الموجودة في حركة الموجة الصوتية تنتقل عبر الوسط الناقل دون أن يتحرك أي جزء منه.

الخصائص المميزة للضوء

للضوء خصائص متعددة يمكن تصنيفها كالتالي:

• خصائص هندسية: وتشمل الانتشار في خطوط مستقيمة، والسرعة المحدودة، والانعكاس، والانكسار، والتشتت.
• خصائص موجية: وتتضمن التداخل، والحيود، والخاصية الكهرومغناطيسية، والاستقطاب، والانكسار المزدوج.
• خصائص كمية: مثل المدارات الذرية، وكثافات الاحتمالية، ومستويات الطاقة، والكمات، والليزر.

السمات الأساسية للصوت

تتميز الأصوات بعدة سمات تحدد طبيعتها وكيفية إدراكنا لها:

• درجة الصوت (حدة الصوت)
• ارتفاع الصوت (شدة الصوت)
• جودة الصوت (النغمة)
• التردد
• السعة
• نمط الموجة

قياس سرعة الضوء

بسبب سرعة الضوء الهائلة، يبدو انتقاله فوريًا. و نظرًا للمسافات الشاسعة بين النجوم والكواكب والأرض، ابتكر علماء الفيزياء والفلك طريقة مبسطة لقياس هذه المسافات، وهي السنة الضوئية. تعتمد هذه الطريقة على حقيقة أن سرعة الضوء ثابتة وتبلغ 300 ألف كيلومتر في الثانية. على سبيل المثال، يستغرق ضوء الشمس للوصول إلينا حوالي 8 دقائق، علمًا بأن الشمس تبعد عنا حوالي 150 مليون كيلومتر.

أثبتت نظرية النسبية لأينشتاين أنه لا توجد سرعة أكبر من سرعة الضوء. هذه السرعة تحدد الحد النظري لسرعة عمل الحواسيب، لأن المعلومات تنتقل داخل الحاسوب كتيارات كهربائية من رقاقة إلى أخرى. جميع الموجات الكهرومغناطيسية تنتقل أيضًا بسرعة الضوء، لأن الضوء نفسه عبارة عن موجات كهرومغناطيسية.

تحديد سرعة الصوت

تختلف سرعة الصوت تبعًا للوسط الذي تنتقل فيه الموجات. تحدد الكثافة ومعامل الحجم سرعة الصوت. تكون سرعة الصوت في المواد الصلبة أكبر منها في السوائل، وأكبر منها في الغازات. ويرجع ذلك إلى أن الجزيئات في الغازات متباعدة عن بعضها البعض، بينما تكون متقاربة جدًا في السوائل والمواد الصلبة. تتأثر السرعة أيضًا بدرجة الحرارة، والعلاقة بينهما طردية.

في وسط هوائي عادي وجاف عند درجة حرارة (20 درجة مئوية أو 68 درجة فهرنهايت)، تقدر السرعة بحوالي 343 مترًا في الثانية أو 1224 كيلومترًا في الساعة.