Dalgalar ÜNİTE 10. Amaçlar. İçindekiler. Öneriler. Bu üniteyi çalıştıktan sonra,

Transkript

1 ÜNİTE 10 Dalgalar Bu üniteyi çalıştıktan sonra, Amaçlar dalgaların özelliklerini, bir dalganın frekansını, hızını, su dalgası modelini, elektromanyetik spektrumu (tayf), x-ışınlarını, çeşitli ışıma çeşitlerini, mikrodalgaları öğreneceksiniz. İçindekiler Giriş Dalgaların Özellikleri Bir Dalganın Frekansı ve Hızı Su Dalgası Modeli Elektromanyetik Spektrum X-Işınları Işıma Çeşitleri Mikro Dalgalar Özet Değerlendirme Soruları Öneriler Bu üniteyi çok iyi çalışarak verilen kavramları öğreniniz. Ünite sonundaki soruları yanıt-layınız. Güçlük çektiğinizde ünitenin ilgili bölümünü yeniden okuyun. Üniteyi çalışırken her bölümü birkaç cümleyle özetlemeye çalışın ve yaptığınız özeti ünitenin sonundaki özetle karşılaştırın.

2 1. GİRİŞ Dalgaların temel belirgin özellikleri, elektromanyetik dalgaların ve sesin anlaşılması bu ünitede incelenecektir. Bir dalganın; dalgaboyu, frekansı ve hızı arasındaki ilişki tanıtılacaktır. Yansıma ve kırılma olayları su dalga modeli ile açıklanacaktır. X-ışınlarının üretimi ve kullanımı yerleri üzerinde durulacaktır. Ayrıca, ışıma (radyasyon) çeşitleri arasında morötesi (ultraviyole) ve kızılötesi (infrared) ışımalar anlatılacak, mikrodalgalar ve kullanım yerleri tanıtılacaktır. 2. DALGALARIN ÖZELLİKLERİ Bir okyanusta veya bir denizdeki dalgaları hiç seyrettiniz mi? Su yukarı ve aşağı doğru hareket ederken, dalgalar ileri doğru yol alırlar. Herbir dalga bir noktadan geçerken, su yukarı ve aşağı doğru hareket eder. Dalga boşlukta ve madde içinde yayılabilen ritmik bir olaydır. Bir iple yaratılan dalga, bir tepe ve bir vadiye sahiptir. Tepeye karın, vadiye ise çukur adı verilir (Şekil.1). Her dalga belli bir dalgaboyuna sahiptir. Bir karından bir karına olan toplam mesafeye bir dalgaboyu adı verilir. Aynı şekilde bir çukurdan, diğerine olan mesafede aynıdır. y (m) A Dalga boyu Tepe Genlik t(s) Genlik -A Dalga boyu Şekil 1. Bir dalga ve özellikleri Vadi Genlik, bir dalganın normal konumundan yükselme ve alçalma mesafesidir. Uzanımın en büyük ve en küçük olduğu konumlar diye de tarif edilebilir. Genlik, dalgayı ortaya çıkaran enerjinin miktarına bağlıdır. Dalganın enerjisi artarken, genlik de artar. Örneğin, bir havuza

3 küçük bir taş yerine, büyük bir kaya parçası atarsanız meydana gelen dalga büyük olur. Bu durumda genlik artar. Su veya bir iple teşkil edilen dalgalara enine dalgalar denir. Enine bir dalgada, madde dalganın yayılma yönüne dik bir yönde titreşir. Titreşim, çok hızlı bir şekilde ileri geri hareket etmek demektir. Bir su dalgasında, dalga su boyunca ilerler. Su molekülleri aşağı yukarı titreşirler. 3. BİR DALGANIN FREKANSI VE HIZI Tüm dalgalar belli bir frekansa sahiptir. Frekans, bir saniyede belli bir noktadan geçen dalgaların sayısıdır. Şimdi, bir havuza bir çakıl atalım. 15 saniyede bir kayayı geçen su çırpıntısı üç dalga tepesi meydana getirmiş olsun. Frekans nedir? Dalganın frekansı 15 saniyede üç dalgadır. Bu, her saniye başına 0,2 dalga demektir. 3 dalga = 0,2 dalga 15 saniye saniye Verilen bir noktayı bir saniyede geçen dalga sayısı artıkça, frekansda artar. Bir köprü ayağında dikilip alttan geçen su dalgalarını gözlediniz mi? Dalganın uzunluğu arttıkça, verilen bir noktadan geçiş süresi de artar. Dalga kısaldıkça, verilen bir noktadan geçiş süresi de azalır. Maddenin ileri geri hareketine titreşim hareketi denir. Bu hareketi, lastik bir bandı gerip onu bir parmağınızla çekerseniz görebilirsiniz. Bu titreşim ileri geri bir harekettir. Lastik bandın titreşimi, sudaki bir dalgaya benzer. Lastik banddaki titreşimler, sudaki dalgalardan çok daha hızlıdır. Bir titreşimin frekansı, hertz adı verilen bir birimle ölçülür. Bir hertz (Hz), bir dalganın her saniyede bir devir veya bir titreşim yapmasıdır. Örneğin, bir tür diyapozon ile çıkarılan sesin frekansı 256 hertz dir. Bir diyapozon bir saniyede 256 kez titreşim yapar. Doğal alarak, bu olayı gözle görmek mümkün değildir. Bunun yerine sadece sesi duyulur. Bir dalganın frekansı ve dalgaboyu arasında bir ilişki vardır. Bir dalganın boyu artarsa, frekansı azalır. Uzun dalgalar düşük bir frekansa, kısa dalgalar ise yüksek bir frekansa sahiptir. Bir dalganın hızı, dalganın frekansı ve dalgaboyuna bağlıdır. Bir dalganın hızını aşağıdaki denklem ile hesaplayabiliriz

4 Hız = Dalgaboyu x Frekans v = l x f Örneğin, yukarıda bahsedilen diyapozonun frekansı 256 hertz'di. Diyapozon tarafından meydana getirilen ses dalgasının dalgaboyu 1,3 metredir. Bu takdirde ses dalgasının hızı; v = 1,3 m x 256 Hz = 332,8 m/s dir. Hertz, saniyedeki titreşim sayısını gösteren bir birimdir. Dolayısıyla, ses hızı m/s cinsinden olur. 4. SU DALGASI MODELİ Bir su tankındaki dalgalar; ses, ışık ve diğer enerji dalgalarının davranışını açıklamak için kullanılabilir. Su dalgaları yansımayı göstermek üzere incelenebilir. Yansıma, bir dalganın bir cisme çarpıp geri sıçraması demektir. Bir cisme gelip çarpan dalgalara gelen dalgalar adı verilir. Sıçrayan dalgalara ise yansıyan dalgalar denilir (Şekil.2). Normal Gelme açısı gelen dalga Yansıma açısı i i yansıyan dalga Tahta engel Şekil 2. Bir dalganın bir engelde yansıması Kırınım ise dalgaların bükülmesidir. Su dalgaları bu olayı açıklayabilir. Bir su dalgası sığ bir suya doğru ilerlerken, dalga boyu azalır. Dalgaların hızı azalır. Hızın, frekans ile dalgaboyunun çarpımına eşit olduğunu hatırlayalım. Bu durumda, frekans aynı kalırsa, dalgaboyu küçülür ve sonuçta hız azalır. Su dalgalarının hızı, derin sudan sığ suya geçişte değişir. Su dalgaları, sığ suya bir açıyla geçerlerse, dalgalar bükülür ya da kırınır. Kırınım daima bir dalganın hızının azaldığı bölgeye doğrudur (Şekil.3)

5 Normal Gelen dalga i i Yansıyan dalga Hava Su r Kırınan dalga Şekil 3. Bir dalganın kırınımı ve yansıması Herhangi bir türdeki dalga kırınıma uğrayabilir. Bir dalga bir ortamdan farklı bir ortama geçtiği takdirde, hızı değişir. Eğer bir dalga iki farklı ortamı ayıran sınıra bir açıyla yaklaşırsa, kırınıma uğrar. Şekil 3'de görüldüğü gibi havadan suya geçen bir dalga kırınıma uğramıştır. Havada daha hızlı hareket eden dalga, suya geçince hızını azaltmak zorundadır. 5. ELEKTROMANYETİK SPEKTRUM Her yanımız dalgalarla kaplıdır. Gözlerinizle ışık dalgalarını ve su dalgalarını da görebilirsiniz. Görünmeyen dalgalar da vardır. Örneğin; radyo, radar, kızılötesi, x-ışını ve gama ışını dalgaları görünmezler. Kızılötesi dalgalar, radyasyon (ışıma) enerjisidir. Gama ışınları bir tür nükleer ışımadır. Yukarıda söylenen her tipteki dalganın farklı bir dalgaboyu ve frekansı vardır. Bu dalgaların tamamı aynı hızla hareket ederler. Eğer dalgalar, dalgaboyu ve frekanslarına göre düzenlenirse, elektromanyetik spektrum (tayf) elde edilmiş olur. Bunlara niçin elektromanyetik denilmektedir? Elektromanyetik spektrumdaki dalgalar, elektrik ve manyetizma ile elde edilebilirler. Elektromanyetik spektrumu teşkil eden tüm dalgalar enine dalgalardır. Bu dalgalar, foton adı verilen paketler veya küçük demetler halinde taşınırlar. Foton, ışıma dalga enerjisi taşıyan bir parçacıktır. En güçlü mikroskop ile bile görülemeyecek kadar küçüktür. Fotonlar boşlukta saniyede metre yol alırlar. Fotonlar o kadar çok hızlı hareket ederler ki bunlar bir saniyede yeryüzü etrafında yedi kez dolanırlar. Elektromanyatik enerji fotonları uzaydan geçebilirler. Işık ışınları ve görünmez ışıma ışınları da foton akımından ibarettir

6 Elektromanyetik dalgaların bir boşlukta hareket etme yetenekleri, bunları su ve ses dalgalarından ayıran bir özelliktir. Elektromanyetik ışımanın dalgaboyları metre ile (elektrik dalgaları) metre (kozmik ışınlar) arasında değişir. Bundan dolayı, çok düşük elektromanyetik dalga frekansları ile çok yüksek kozmik ışınların frekansları arasında frekanslar değişme gösterirler. En yüksek frekanslı dalgalar, en büyük enerjiye sahiptirler (Şekil.4). 6. X-IŞINLARI Gama ışıması x-ışınları mor Mor ötesi kırmızı Görünür ışık Kızılötesi Mikrodalga TV Kısa radar FM dalga Radyo dalgaları AM Dalgaboyu l (m) Şekil 4. Elektromanyetik spektrum (tayf) Önemli bir keşif 1895 yılında Alman Fizikçisi W.K.Röntgen tarafından yapılmıştı. İçerisindeki hava boşaltılmış olan bir cam tüpten yüksek elektrik akımı geçiren Röntgen, tesadüfen çok önemli bir olaya tanık olmuştu. Tüp yakınında bulunan bir floresan ekran yeşilimsi bir renkle parıldamaya başlamıştı. Floresan madde ışımaya maruz kalınca parıldamıştır. Röntgen, cam tüpün bilinmeyen bir türde ışıma yaptığını görmüş ve ışımaya X-ışınları adını vermiştir. "X" bilinmeyen anlamına gelmekteydi. Yapılan deneyler, elektronların cam gibi bir katı maddeye çarptıklarında, elektron demetinin X-ışınları ürettiğini göstermiştir. X-ışınları, bir X-ışın tüpü içinde üretilebilir. X-ışın tüpü yüksek voltajlı bir katod-ışını tüpüdür. İçerisinde bir metal hedef ve bir metal filaman vardır (Şekil.5). Elektronlar metal hedefe çarptıkları zaman, X-ışınları metal tarafından salınırlar

7 kılıf anot tungsten hedef pencere x- ışınları elektronlar metal filaman katod Şekil 5. X-ışınlarının üretimi X-ışınları ne şekilde üretilir? Hareketli bir elektronun kinetik enerjisi vardır. Yüksek hıza sahip bir elektron tungstene çarpınca bir tungsten atomu ile çarpışır. Elektron durdurulana kadar birçok atomla çarpışmak zorunda kalabilir. Elektronun durdurulması sırasında kaybedilen kinetik enerjinin bir kısmı X-ışınlarına dönüşür. Gerçekten, kinetik enerjinin yüzde biri veya daha az kısmı X-ışını ışımasına, geri kalan kısım ise ısı enerjisine dönüşür. Vücudunuzun her hangi bir kısmı bir doktor veya dişçi tarafından X-ışınlarına maruz bırakıldı mı? Tüm elektromanyetik ışıma gibi, X-ışınları ışık hızı ile hareket ederler. X- ışınları bütün maddelerden geçebilir. Ancak, tüm maddeler, gazlarda dahil olmak üzere, X- ışınlarını bir dereceye kadar soğurabilir (yutabilir). Soğurma miktarı, maddenin yoğunluğuna bağlıdır. Örneğin, kemik etten daha çok soğurma yapar. Kurşun, aluminyumdan daha fazla soğurur. 7. IŞIMA ÇEŞİTLERİ A) Morötesi ışıma (ultraviyole ışıma) veya kısaca UV, güneş ışığında vardır. Güneş ışığı vücudumuza çarptığında, UV ışıması derimizde D vitamini üretir. D vitamini sağlıklı kemikler ve dişler için gereklidir. Bazı yiyecekler, UV ışınlarına maruz bırakılırsa D vitamini içerikleri artış gösterir. Örneğin, süt içerisindeki D vitaminini arttırmak için UV lambasından çıkan ışınlara tutulur. UV ışıması mikropları öldürür. Bu sebeple, hastanelerin ameliyat odalarında mikropları yok

8 etmek için UV lambaları kullanılır. UV ışıması görünmez olup, dalgaboyu görünür ışığınkinden daha da azdır. Elektromanyetik tayfta, görünür ışığa komşu olan UV, mor ışığın altında görünür bölgeye yakındır. UV ışıması, floresan bir madde ile aranabilir. Işımaya tabi olan floresan madde parıldamaya başlar ve ışık çıkarır. UV ışımasının bu özelliğinden dolayı bazen ona "siyah ışık" adı verilir. UV ışımasına aşırı maruz kalma zararlı olabilir. Güneşte aşırı derecede kalmak deri kanserine yol açabilir. B) Kızılötesi ışıma (infrared ışıma) veya kısaca IR, eşyaları kurutmakta veya ısıtmakta kullanılır. Örneğin, endüstride boya kurutulmasında IR lambaları kullanılır. Bir restorandaki pişmiş yemekler IR lamba ile sıcak tutulabilir. Sıcak cisimler IR ışınları yayarlar. Bundan dolayı askeri amaçla, ısı kaynağı arayan füzeler geliştirilmiştir. Bu füzeler, hedeflerini onların yaydıkları IR ışınlarını aramak suretiyle vururlar. IR ışıması aynı zamanda tümörlerin aranmasında da kullanılır. IR ışıması da görünmez olup, görünür ışıktan daha büyük bir dalgaboyuna sahiptir. Elektromanyetik tayfta, görünür ışık bandının kırmızı ucundan sonra yer alır. IR ışıması soğurulduğunda ısı yayar. Aşırı ısı ise doku yanmasına yol açabilir. IR ışımasını aramanın bir yolu özel olarak yapılmış ve IR'ye hassas filmler kullanmaktadır. IR ışıması endüstride bilinmeyen maddelerin tayininde kullanılır. Bir madde IR ışınlarına maruz bırakılırsa, madde içindeki atomlar titreşmeye başlarlar. Maddedeki her bir bileşiğin titreşimleri bir makina tarafından kaydedilen bir spektrum (tayf) meydana getirir. Her bileşiğin kendine has parmak izi gibi bir IR tayfı vardır. Petroldeki bileşiklerden çoğu bu yolla belirlenmiştir. 8. MİKRODALGALAR Mikrodalgalar çok kısa radyo dalgalarıdır. Elektromanyetik tayfta bunlar basit radyo dalgaları ile IR dalgaları arasında yer alırlar. Mikrodalga ışınları yağmur, sis ve kirli hava içinden geçebilirler. Bunlar, bu yüzden iletişimde kullanılırlar. Örneğin, telefon tesislerinin çok zor olarak kurulabileceği dağlık arazilerde haberleşme mikrodalgalarla (telsiz telefon) sağlanır. Bir mikrodalga fırınında çok kuvvetli bir mikrodalga ışın demeti yayan bir elektronik tüp vardır. Soğurulduğu takdirde, ışıma yiyecek içerisindeki moleküllerin titreşmesine yol açar. Yiyeceğin kinetik enerjisi artar. Yiyeceğin sıcaklığı artar ve böylece pişmesi sağlanır. Mikrodalgalar doğrudan doğruya yiyecek tarafından soğurulur. Mikrodalgalar yiyeceğin kabına nüfuz edemez. Cam veya kağıt pişirme kapları kullanılır, çünkü bunlar mikrodalgaları

9 doğrudan geçirirler. Metal kaplar ise kullanılmaz çünkü bunlar mikrodalgaları yansıtırlar. Mikrodalga fırını ile pişirmek gaz veya elektrikle pişirmekten çok daha süratlidir. Mikrodalga fırını, insanları ışımadan korumak için bir kalkan içine alınmıştır. Mikrodalga ışınları zararlı olup, insanları hasta edebilir. Özet Dalgalar uzay ve madde içinde yol alabilirler. Titreşimler, ses dalgaları üretebilirler. Her dalganın bir frekansı, genilği ve dalgaboyu vardır. Su dalgaları bir dalga leğeni veya tankında incelenebilir. Elektromanyetik tayftaki dalgalar, elektrik ve magnetizma ile üretilebilir. Işık, radyo, televizyon ve X-ışınları elektromanyetik tayfın bir parçasıdır. Değerlendirme Soruları 1. Aşağıdakilerden hangisi bir dalga frekansının birimidir? A) m/s B) s C) Hz D) m/s 2 E) s 2 2. Işığın boşlukta yayılma hızı (m/s cinsinden) nedir? A) B) C) D) E) Dalgaların meydana getirebileceği en önemli iki fiziksel olay aşağıdakilerden hangisidir? A) frekans-dalgaboyu B) yansıma-kırılma C) genlik-enerji D) ışıma-frekans E) enerji-dalgaboyu 4. Aşağıdakilerden hangi gözle görülür bir ışıktır? A) kızılötesi (IR) B) morötesi (UV) C) X-ışını D) sarı ışık E) mikrodalga

10 5. Elektromanyetik enerjiyi taşıyan parçacığın adı nedir? A) elektron B) proton C) megaton D) fonon E) foton 6. X-ışınları aşağıdakilerden hangisi tarafından en çok soğurulabilir? A) et B) kemik C) aluminyum D) kurşun E) demir 7. UV ışınının dalgaboyu, görünür ışığınkinden daha kısadır. Bu duruma UV ışınının frekansı, görünür ışığınkine kıyasla nasıldır? A) büyüktür B) küçüktür C) aynıdır D) yaklaşıktır E) birşey söylenemez 8. Sıcak cisimler aşağıdaki ışınlardan hangisini yayarlar? A) X-ışınları B) UV C) IR D) mikrodalga E) radar 9. Bir dalganın hızını bulmak istiyoruz. Dalga kaynağı saniyede 300 titreşim yapıyor ve dalgaboyu ise 0,5 m dir. Buna göre, dalganın hızı (m/s) nedir? A) 300 B) 600 C) 1500 D) 150 E) Işığın hızı boşlukta m/s dir. Dalga boyu m olan bir UV ışığının frekansı (Hz) nedir? A) B) C) D) 10 E)