بازتاب امواج

آیا می‌دانید؛ همین حالا که این مقاله را می‌خوانید، کدام قانون طبیعت برای دیدن این صفحه و کلمات به شما کمک می‌کند؟ یا می‌دانید چرا وقتی در کوه فریاد می‌زنید، پژواک صدای خود را می‌شنوید؟

به این فکر کرده‌اید که دلفین‌ها و خفاش‌ها چگونه طعمه‌های خود را شکار می‌کنند؟ هنگام تماشای برخورد موج‌های دریا به صخره‌های ساحلی به رفتار موج هنگام برگشت دقت کرده‌اید؟ یا از آن زیباتر تصویر آسمان و ابرها را در سطح دریاچه دیده‌اید؟ دقت کرده‌اید که می‌توانید هر روز قبل از اینکه از خانه بیرون روید؛ خود را در آینه ببینید؟

این تجربه‌های ما از دنیای اطراف‌مان نتیجه بازتاب امواج است. تجربه ما از دنیای اطراف‌مان نشان می‌دهد، که امواج در برخورد با مرز دو محیط برهم‌کنش‌های مختلفی دارند.

این برهم‌کنش به شکل‌های مختلفی ظاهر می‌شود. نور خورشید را به عنوان موج الکترومغناطیسی در نظر بگیرید. هنگامی که به شیشه پنجره اتاق‌تان برخورد می‌کند؛ مقداری از این نور از شیشه عبور می‌کند؛ مقداری از آن جذب شیشه می‌شود و مقداری هم از سطح آن برمی‌گردد.

آن قسمتی از موج که از مرز دو محیط بازمی‌گردد؛ دچار بازتاب می‌شود. اما اینکه بازتاب موج ها چیست و چه قانون‌هایی بر آن حاکم است و چه کاربردهایی دارد، موضوعی است که این مقاله به آن می‌پردازد.

بازتاب امواج چیست؟

وقتی یک موج مکانیکی چون صدا یا موجی الکترومغناطیسی چون نور، در مسیر انتشارشان به مرز با محیط دیگری برسند، می‌توانند از آن مرز، داخل محیط اول بازگردند. این برهم‌کنش امواج با مرز دو محیط را بازتاب موج می‌نامند. ^{Physics Tutorial: Reflection, Refraction, and Diffraction}

بازتاب امواج مکانیکی

فرض کنید موجی مکانیکی، مانند صدا یا موج روی آب در حال انتشار است، وقتی این موج به مرز با محیط دیگر می‌رسد، مقداری از انرژی این موج از مرز مشترک دو محیط عبور می‌کند و بقیه آن از مرز مشترک بازتاب می‌شود و به محیط اول باز می‌گردد. برای بررسی بازتاب موج مکانیکی آن را در سه حالت مختلف بررسی می‌کنیم.

بازتاب موج مکانیکی در یک بعد

فرض کنید در طنابی که یک سر آن به تکیه‌گاهی محکم بسته شده است و سر دیگر آن آزاد است، موجی عرضی ایجاد می‌کنیم. این موج در طول طناب پیش می‌رود تا به نقطه انتهایی طناب که به تکیه‌گاه بسته شده است برسد.

طناب به این نقطه نیرو وارد می‌کند اما این نقطه ثابت است و نمی‌تواند جابه‌جا شود، طبق قانون سوم نیوتن، تکیه‌گاه به طناب نیروی به سمت پایین خلاف جهت وارد می‌کند.

درست مانند آن است که انتهای طناب را با دست گرفته و رو به پایین بکشیم. در این بازتاب، تپی در خلاف جهت تپ فرودی در طناب ایجاد می‌شود که برآمدگی را به فرورفتگی و فرورفتگی را به برآمدگی تبدیل می‌کند.

بازتاب موج مکانیکی در دوبعد

برای درک و تجسم این شکل از بازتاب، تصور کنید که سنگی را روی سطح آب برکه‌ای پرتاب می‌کنید، آنچه مشاهده می‌کند دایره‌های هم‌مرکزی است که روی آب گسترش می‌یابد.

سطح آب را می‌توان مانند یک صفحه در نظر گرفت که موج ایجاد شده روی آن منتشر می‌شود. اگر این موج در مسیر انتشار خود به یک مانع یا به کناره‌های برکه برخورد کند، باز می‌تابد. این بازتاب در دو بعد است.

با استفاده از جبهه‌های موج ایجاد شده روی سطح آب می‌توان رفتار موج را هنگام برخورد با کناره برکه یا هر مانع دیگری را  بررسی کرد. اما از طرح معادل و ساده‌تر نمودار پرتویی نیز می‌توان به بررسی رفتار موج پرداخت.

یک پرتو پیکان مستقیمی عمود بر جبهه‌های موج است که جهت انتشار موج را نشان می‌دهد. زاویه بین خط عمود بر سطح مانع و پرتوی تابیده (فرودی) را زاویه تابش می‌نامند و با نشان می‌دهند.

زاویه بین خط عمود بر سطح مانع و پرتوی بازتابیده را زاویه بازتابش می‌نامند و با نشان می‌دهند. برای هر وضعیت مانع، و همه انواع دیگر موج، مانند امواج دایره ای یا کروی نیز، همواره زاویه بازتابش برابر با زاویه تابش است یعنی:   که به آن، قانون بازتاب عمومی گفته می‌شود.

بازتاب موج مکانیکی در سه بعد و کاربردهای آن

امواج مکانیکی می‌توانند؛ مانند سایر امواج از سطوح خمیده نیز بازتابیده شوند. شاید در پارک های تفریحی دو سطح کاو را در برابر هم دیده باشید که وقتی شخصی در کانون یکی از این سطوح صحبت می‌کند؛ شخص دیگری در کانون سطح کاو دیگر آن را می‌شنود. نمونه‌ای از این سطح را می‌توانید در باغ کتاب تهران ببینید و آزمایش کنید.

یکی از کاربردهای بازتاب امواج مکانیکی در در میکروفون سهموی است. در این نوع از میکروفون‌ها از یک سطح کاو سهموی برای جمع و کانونی کردن امواج صوتی در یک گیرنده استفاده می‌شود.

این میکروفون‌ها به همین دلیل، حساسیت بسیار زیادی به صداهایی دارند که موازی با محور سطح سهموی به این سطح می تابند. استفاده مرسوم از این میکروفون‌ها در ثبت صداهای پرندگان دوردست، صداهای ورزشگاه‌ها و نیز استراق سمع است.

دستگاه لیتوتریپسی که از آن برای شکستن سنگ کلیه استفاده می‌شود از پدیده بازتاب امواج صوتی کمک می‌گیرد. در این دستگاه از این ویژگی سطح بیضوی که دو کانون دارد استفاده می کنند.

اگر موج صوتی در یک کانون ایجاد شود، این موج پس از بازتاب از نقاط مختلف سطح، در کانون دیگر جمع می شود. در دستگاه لیتوتریپسی، چشمه‌ای فراصوت در یک کانون بازتابنده بیضوی ایجاد می‌کنند و محل بیمار را طوری تنظیم می‌کنند که سنگ کلیه او در محل کانون دوم سطح این بازتابنده باشد.

بازتاب امواج مکانیکی در سه بعد را در کوهستان به خوبی می‌توان تجربه کرد. کافی است مقابل کوهی بایستید و فریاد یا دست بزنید، پس از چند لحظه بازتاب صدای خود را خواهید شنید. این بازتاب صدا را که با یک تاخیر زمانی به گوش شما می‌رسد، پژواک می‌نامند.

برای آشنایی با کاربردهای دیگر بازتاب امواج صوتی و همچنین مکان‌یابی پژواکی می‌توانید به مقاله امواج صوتی مراجعه کنید.

بازتاب امواج الکترومغناطیسی

امواج الکترومغناطیسی، از جمله نور مرئی، امواج رادیویی، مایکروویو و اشعه ایکس، که ناشی از نوسان‌های میدان‌های الکتریکی و مغناطیسی هستند، دارای ویژگی‌های منحصر به فردی هستند، که آنها را از سایر انواع امواج متمایز می‌کند.

یکی از این ویژگی‌های جالب، بازتاب امواج الکترومغناطیسی است. بازتاب زمانی رخ می‌دهد که یک موج الکترومغناطیسی به سطح یک جسم برخورد می‌کند و به جای عبور از آن، به عقب برمی‌گردد.

این پدیده، که در مورد انواع مختلف امواج الکترومغناطیسی از جمله نور، امواج رادیویی و مایکروویو صدق می‌کند، اساس بسیاری از فناوری‌ها و پدیده‌های طبیعی است که در زندگی روزمره با آنها سروکار داریم.

امواج الکترومغناطیسی از همان قانون بازتاب عمومی امواج پیروی می کنند؛ یعنی زاویه تابش و بازتابش در هر بازتابشی با هم برابرند. افزون بر این، برای امواج الکترومغناطیسی نیز همچون سایر امواج، پرتوی تابش، پرتوی بازتابش، و خط عمود بر سطح بازتابنده، در هر بازتابشی در یک صفحه واقع‌اند.بازتاب منظم یا آینه‌ای

در مواردی که سطح بازتابنده نور همچون یک آینه، بسیار هموار باشد، بازتاب نور را بازتاب آینه‌ای یا منظم می‌گویند. اما هموار بودن یک سطح با چه معیاری سنجیده می‌شود؟

ما سطح دیوار، میز و یا حتی صفحه گوشی‌مان را هموار می‌بینیم؛ اما در واقعیت این سطوح هموار نیستند. سطح هموار سطحی است که اندازه برآمدگی و فرورفتگی‌های میکروسکوپی آن در مقایسه با طول موج تابیده بسیار کوچک باشد. در بازتاب آینه‌ای از یک آینه تخت، بازتابش یک دسته پرتوی موازی را فقط در یک جهت می توانید ببینید.

بازتاب منظم یا پخشنده

نوع دیگر بازتاب، بازتاب پخشنده یا نامنظم است. این بازتاب وقتی رخ می دهد که نور به سطحی برخورد کند که صیقلی و هموار نباشد. یعنی اندازه پستی و بلندی‌های میکروسکوپی آن از اندازه طول موج تابیده بزرگتر باشد.

پرتوهای نوری که به سطح ناهموار برخورد می‌کنند، به طور کاتوره‌ای از پستی و بلندی‌های سطح بازتابیده، و در تمام جهات پراکنده می شوند. به دلیل این بازتاب است که شما صفحه کاغذ، دیوار، دست‌تان، دوست خود، و… را می بینید. در بازتاب پخشنده، بازتابش یک دسته پرتو موازی را می‌توانید در جهتهای مختلف مشاهده کنید.

کاربردهای بازتاب امواج الکترومغناطیسی

امواج الکترومغناطیسی، از جمله نورمرئی، فروسرخ، امواج رادیویی وریزموج‌ها در مسیر انتشارشان و در برخورد با مرز محیط دیگری، می‌توانند بازتاب شوند. بازتاب امواج الکترومغناطیسی کاربردهای فراوانی در طبیعت و زندگی روزمره ما دارد که چند مورد از آن را بررسی می‌کنیم.

دیدن

بیشتر چیزهایی که در اطرافمان می‌بینیم، از این رو قابل دیدن‌اند که نور ناشی از چشمه‌‌ای چون خورشید و یا لامپ را که به آنها رسیده است را باز می‌تابانند. وقتی کتابی‌ می‌خوانید، صفحه کتاب با نور خورشید یا نور لامپ روشن شده است.

الکتروهای اتم‌های کاغذ با دریافت امواج الکترومغناطیسی و تحت تاثیر میدان الکتریکی آنها با انرژی زیادی نوسان می‌کنند، این الکترون‌ها با انرژی دریافتی از منبع نور، خودشان نوری را بازتاب می‌کنند، که با آن می‌توان کلمات را دید و خواند.

چشم انسان با استفاده از بازتاب نور از اجسام، قادر به دیدن آنهاست. نوری که به جسمی می‌تابد، پس از برخورد با آن، به چشم ما بازتاب می‌شود و تصویر جسم را در مغز ایجاد می‌کند.

آینه

آینه‌ها با استفاده از بازتاب نور، تصویر دقیقی از اجسام را نمایش می‌دهند. این خاصیت آینه‌ها در بسیاری از وسایل مانند آینه‌های دستی، آینه‌های خودرو و حتی تلسکوپ‌ها کاربرد دارد.

رادار

رادارها با استفاده از بازتاب امواج رادیویی، قادر به تشخیص مکان و تندی اجسام هستند. این تکنولوژی در هواپیماها، کشتی‌ها و خودروها برای جلوگیری از تصادف و همچنین در سیستم‌های نظامی برای شناسایی دشمن استفاده می‌شود.

ارتباطات

امواج رادیویی و مایکروویو که در ارتباطات بی‌سیم مانند تلفن همراه، وای‌فای و ماهواره استفاده می‌شوند، برای ارسال و دریافت اطلاعات از بازتاب امواج از موانع مختلف مانند ساختمان‌ها و کوه‌ها بهره می‌برند.

پزشکی

در علم پزشکی، از بازتاب امواج الکترومغناطیسی (مانند MRI) برای تصویربرداری از اندام‌های داخلی بدن و تشخیص بیماری‌ها استفاده می‌شود.

هواشناسی

رادار هواشناسی با استفاده از بازتاب امواج رادیویی از ذرات موجود در ابرها، قادر به پیش‌بینی وضعیت آب و هوا و شناسایی طوفان‌ها و سایر پدیده‌های جوی است.

عکاسی

در عکاسی، از بازتاب نور از اجسام برای ثبت تصاویر استفاده می‌شود. دوربین‌های عکاسی با استفاده از لنزها و آینه‌ها، نور بازتاب شده از جسم را بر روی فیلم یا سنسور تصویر متمرکز می‌کنند.

فناوری‌های نوری

بازتاب امواج الکترومغناطیسی در بسیاری از فناوری‌های نوری مانند فیبرهای نوری، لیزرها و دستگاه‌های اپتیکی دیگر کاربرد دارد. این تنها چند نمونه از کاربردهای فراوان بازتاب امواج الکترومغناطیسی در طبیعت و زندگی روزمره هستند. این پدیده فیزیکی نقش بسیار مهمی در پیشرفت علم و فناوری و بهبود کیفیت زندگی انسان‌ها ایفا کرده است.

سخن پایانی درباره بازتاب امواج

بازتاب امواج، چه مکانیکی و چه الکترومغناطیسی، پدیده‌ای اساسی در طبیعت است، که بسیاری از تجربه‌های روزمره ما را شکل می‌دهد. در مجموع، بازتاب موج ها مفهومی بنیادین است، که هم در دنیای طبیعی و هم در فناوری‌های پیشرفته، نقشی کلیدی ایفا می‌کند. درک قوانین حاکم بر بازتاب موج، نه‌تنها باعث شناخت بهتر دنیای پیرامون ما می‌شود؛ بلکه مسیر پیشرفت علمی و فنی را نیز هموارتر می‌سازد.