ÜNİTE 3 4 MOERN MANYETİZMA FİZİ Bölüm 1 Işığın Manyetik Tanecikli Alan Yapısı 5 ALGALAR Sayfa No BÖLÜM 1 SES ALGALARI................................................. 445 Ses Şiddeti ve Ses Şiddet üzeyi............................................... 446 Ses Frekansı ve Ses Hızı...................................................... 447 Ses algalarında oppler Olayı................................................. 448 Rezonans................................................................... 449 Vuru Olayı.................................................................. 450 Şok algaları................................................................ 451 BÖLÜM 2 IŞIĞIN YAYILMASI VE AYINLANMA................................. 457 Işığın oğrusal Yolla Yayılması ve Gölge Olayı.................................... 458 Işık Hızı..................................................................... 460 Aydınlanma................................................................. 462
Titreşen bir diyapozonun kollarından birine kuvvetli ya da hafif vurulması çıkan sesin frekansını etkilemez. Sadece çıkan sesin şiddeti farklı olur. SES ALGALARI Ses, titreşen cisimler tarafından üretilen ve dalgalar şeklinde yayılan bir olgudur. Titreştirilmek istenen, örneğin bir mandolin teline ya da flütün içindeki hava sütununa belli miktarda mekanik enerji verilir. Bu enerji, ortamının ardışık parçacıkları tarafından dalgalar, biçiminde birbirlerine aktarılarak ilerler. İlerleyen bu dalgalar kulak zarına çarparak zarın da bu dalgalara uyumlu biçimde titreşmesine neden olur. Beyin bu titreşimleri ses olarak algılar. Ses dalgalarının oluşturduğu titreşim hareketi, dalgalar şeklinde kulağımıza gelinceye kadar esnek ortamlardan geçer. Yapılan deneyler bu ortamların katı, sıvı ve gaz şeklinde olabileceğini ortaya koyar. Ses dalgaları bu ortamlarda yayılırken, ortamın parçacıkları hareket doğrultusu boyunca yoğunluk ve hacim değişiklikleri oluşturur. Oluşan bu titreşim doğrultusu ile yayılma doğrultusunun aynı olduğu dalga türlerine boyuna dalgalar denir. O nedenle ses, boyuna dalga türüne en tipik örnektir. iyapozon ses üretir S k flma (Yüksek bas nç) λ algaboyu Geniflleme (Alçak bas nç) BÖLÜM 1 Ses algas Biribirine normalden daha yak n duran moleküller Biribirine normalden daha uzak duran moleküller Örneğin, diyapozondan çıkan ses dalgaları, hava ortamında boyuna dalgalar şeklinde yayılırken hava molekülleri sıkışma ve gevşeme hareketi yapar. Ses kaynağı olan diyapozonun kolu sağa ve sola doğru titreşirken hava moleküllerini hareket ettirerek hava ortamında basınç değişimleri yaratır. Yukarıdaki şekilde koyu bölgeler sıkışmayı, açık bölgeler gevşemeyi göstermektedir. Bilinen enine dalgalarda olduğu gibi burada da dalga boyu tanımlanabilir. Yukarıdaki şekilde görüldüğü gibi ardışık iki koyu bölge ya da ardışık iki açık bölge arası uzaklığa dalga boyu denir. Bir noktadan saniyede geçen tam dalga sayısına frekans denir. Ayrıca bir tam dalganın oluşması için geçen süreye ise dalgaların periyodu denir. λ: alga boyu ϑ f: Frekans λ = ; λ = ϑ T f ϑ: Hız T: Periyot şeklinde yazılır. ÜNİTE 5 ALGALAR Bölüm 1 Ses algaları 445
ÜNİTE 5 ALGALAR Bölüm 1 Ses algaları Flüt içindeki hava sütununun titreşimleri değişik frekansta ses üretir. Ses aynağı Şiddet Ι (w/m 2 ) Şiddet düzeyi β (db) Jet Uçağı 1 120 aya matkabı 10 2 100 Yoğun trafik 10 5 70 Normal konuşma 10 6 60 Fısıltı 10 10 20 Yaprak hışırtısı 10 11 10 uyma eşiği 10 12 0 Yaklaşık olarak ses şiddetleri ve ses şiddet düzeyleri E BİLGİ Ι : Ses şiddeti Ι 0 : 10 12 W/m 2 β : Ses şiddet düzeyi Ι β = 10 log cι m 0 Sesin yayılması için kesinlikle maddesel bir ortam zorunludur. Öyleyse ses boşlukta yayılamaz diyebiliriz. Ses, tekdüze olan üç boyutlu ortamda üç boyutlu olarak yayılır. Böylece dalga genliği kaynaktan uzaklaştıkça küçülür. Çünkü dalga tarafından taşınan enerjinin, kaynaktan uzaklaştıkça daha büyük dalga cephesi üzerinde dağılır. Böylece bir dalga cephesinin bir birim uzunluğu, cephe kaynaktan uzaklaştıkça daha az enerji taşımaktadır. Bu özellik, tek boyutlu olan ya da yay ortamlarda oluşturulan dalgalarda yoktur. O nedenle bu dalgaların genliği, eğer ortam soğurmuyorsa sabit kalır. Ses Şiddeti ve Ses Şiddet üzeyi Bir ses kaynağının titreşim genliği arttırıldıkça sesin şiddeti artar. Örneğin bir diyapozonun kollarına önce hafif sonra kuvvetli biçimde vurulduğunda kaynak aynı olmasına rağmen sesler aynı uzaklıktan dinlendiğinde sesin şiddeti farklı duyulur. Öyleyse ses şiddetini, dalganın taşıdığı enerji cinsinden ifade edebiliriz. Buna göre ses şiddeti, ses dalgası tarafından birim zamanda yayılma yönüne dik birim alandan geçen enerjidir. Birim zamanda üretilen enerjiye güç dendiğine göre, Ses fliddeti = güç alan şeklinde ifade edilebilir. aynak, noktasal ise kaynaktan çıkan dalgalar, üç boyutlu biçimde yayılması, merkezinde ses kaynağı olan küresel dalga biçimine dönüşür. Bu küresel yüzün alanı 4πr 2 dir. r kaynağa olan uzaklıktır. Gücü P ile gösterirsek ses şiddeti olan Ι, P Ι = 4π r2 olur. Görülüyor ki sesin şiddeti sadece güce bağlı değildir. Aynı zamanda kaynaktan olan uzaklığa da bağlıdır. Bu bağlılık uzaklığın karesi ile ters orantılıdır. eğişik konumlarda olan birden fazla ses kaynağının çıkardığı seslerin bir noktadaki toplam şiddeti, O noktada ayrı ayrı ölçülen ses şiddetlerinin toplamıdır. Ιtoplam = Ι1 + Ι2 + Ι3 + gg watt W Ses şiddet birimi SΙ birim sisteminde 2 & olarak verilir. Genellikle seslerin şiddetleri karşılaştırılırken W/m 2 yerine ses şiddet düzeyi olarak adlandırılan β metre m2 ^ h parametresinin birimi olan desibel (db) kullanılır. esibel insan kulağına daha uygun bir ölçektir. İnsan kulağının duyarlı olduğu en küçük şiddet Ι 0 =10 12 W/m 2 dir. Buna karşılık gelen ses şiddet düzeyi B = 0 desibel dir. İnsan kulağının duyarlı olduğu en büyük şiddet Ι = 1 W/m 2 dir. Bu değere karşılık gelen ses şiddet düzeyi ise B = 120 desibel dir. Yani insan kulağının duyarlı olduğu ses şiddet düzeyi aralığı 0 ile 120 db arasındadır. 120 db'den yüksek şiddet acı vericidir. İnsan kulağının duyarlı olduğu ses şiddet aralığı ile insan gözünün görebileceği ışık şiddet aralığının yaklaşık olarak eşit olması ilgi çekici bir araştırmanın konusu olabilir. Yüksek şiddette ses kulakta ciddi hasarlar yaratabilir. Ses düzeyi 90 db'i aşan durumlarda kulaklıklar tavsiye edilir. Gürültü kirliliği'nin kan basıncının yükselmesine, korkuya ve sinirliliğe yol açabileceği ortaya konmuştur. 446
EĞİŞİ ORTAMLARA SES HIZLARI Ortam v(m/s) Hidrojen (0 C) 1 286 atılar 25 C de Sıvılar Gazlar Helyum 972 Hava (20 C) 343 Hava (0 C) 331 Oksijen (0 C) 317 Gliserol 1907 eniz Suyu 1533 Su 1493 Civa 1450 erosene 1324 Metil alkol 1143 arbontetraklorür 926 Elmas 12 000 Pyrex cam 5 640 emir 5 130 Alüminyum 5 100 Pirinç 4 700 Bakır 3 560 Altın 3 240 Lucit 2 680 urşun 1 322 auçuk 160 Ses Frekansı ulağın sese olan duyarlılığı sesin şiddetine bağlı olduğu gibi frekansına da bağlıdır. Genel olarak ses dalgaları frekanslarına göre üç gruba ayrılır. 1. İşitilebilir Ses algaları: İnsan kulağının duyarlı olduğu frekans aralığının içindeki ses dalgalarıdır. Sesin şiddeti yeterli ise bu sınırlar 201/s ile 20000 1/s arasındadır. 2. Ses altı (infrasonik) algaları: 20 1/s frekansından küçük frekanslı ses dalgalarıdır. eprem dalgaları bunlara bir örnektir. Filler birbirlerinden kilometrelerce uzaktan bile bu ses altı dalgaları ile iletişim kurabilmektedir. 3. Ses üstü (ultrasonik) algaları: 20 000 1/s frekansından büyük frekanslı ses dalgalarıdır. Bazı hayvanlar bu sesleri duyabilir. Örneğin, ses üstü dalgalar çıkaran özel köpek düdükleri ile köpeğinizi çağırabilirsiniz. Böyle bir düdüğün yaydığı ses, insanlar tarafından hiç duyulmamasına karşın, köpekler tarafından kolayca duyulur. İnsan kulağının duyarlı olduğu frekans aralığındaki her sesin mutlaka duyulabildiğini söyleyemeyiz. Sesin duyulabilmesi için şiddet bakımındanda sınırlandırılması gerekir. ulak 3000 1/s civarındaki seslere çok duyarlıdır. Bunun dışındaki seslerin duyulabilmesi için sesin şiddetininde yeterli düzeyde olması gerekir. Örneğin 1000 1/s frekanslı bir ses dalgası şiddet düzeyi 5 db civarında olursa duyulabilir. Buna benzer biçimde 100 1/s frekanstaki sesin ise duyulabilmesi için ses düzeyi 30 db civarında olmalıdır. Buna göre tam sınır frekanstaki (20 1/s ile 20000 1/s) seslerin duyulabilmesi için şüphesiz şiddet çok yüksek olmalıdır. Bir mengeneye sıkıştırılan bir çelik lâm'ın boyunu kısalttıkça duyulan sesin inceldiği görülecektir. Sesleri bu bakımdan birbirlerinden ayıran özelliğe yükseklik denir. Ses ne kadar ince ise yüksekliği de o derece fazladır. Yüksekliği değişik oan sesler incelendiğinde bu olayda kaynakların frekanslarının rol oynadığı anlaşılır. Buna göre bir ses titreşimin frekansı arttırıldığında duyulan ses incelir ve sesin yüksekliğinin arttığı sonucuna ulaşılır. Sesin Yayılma Hızı Şimşek çaktığında oluşan gök gürültüsünün, şimşeğin görülmesinden belirli bir süre sonra duyulması, süpersonik uçakların havada görülmesinden birkaç saniye sonra seslerin duyulması gibi çok bilinen örnekler ses hızının ışık hızına göre çok küçük olduğunu gösterir. Sesin yayılma hızının büyüklüğü tamamen ortamın özelliklerine bağlıdır. Aynı ortamda seslerin frekansları farklı olsa bile hızları aynıdır. Ortamın özelliklerinde ses hızını etkileyen iki önemli faktör vardır. Bunlar esneklik ve eylemsizliktir. Örneğin bir akışkandaki (sıvı ve gaz) ses hızı için esneklik, ses dalgasının sıkışma ve gevşemesinin ne derece kolay ya da zor oluşuyla ilgilidir. Bu özellik ortamın hacim sabiti olarak B ile gösterilir. Eylemsizlik ise birim kütle ile ilgilidir yani yoğunluğa bağlıdır. Yoğunluk ρ ile gösterilirse bir akışkanın içindeki ses hızı, ϑ = bağıntısı ile verilir. B ρ Ses hızı aynı zamanda ortamın sıcaklığına da bağlıdır. Sıcaklık arttıkça ortamdaki ses hızı artar. Havada yayılan bir ses dalgası için hızın ortamın sıcaklığına olan bağlılığı aşağıdaki gibidir. ϑ = 331 1 + T 273 C Burada 331 değeri m/s olarak 0 C deki ses hızıdır. T ise Celsius ölçeğinde sıcaklık değeridir. ÜNİTE 5 ALGALAR Bölüm 1 Ses algaları 447
ÜNİTE 5 ALGALAR Bölüm 1 Ses algaları Sağa doğru hareket eden noktasal bir kaynağın oluşturduğu dalgalarda oppler etkisi (Prıncıples of physıcs Bueche and Jerde, Palme) oppler Olayı Hepimiz, hızlı bir ambulansın bize yaklaşırken ve bizden uzaklaşırken çıkardığı siren sesini farklı biçimde duyduğumuzu biliriz. Yani duyduğumuz sesin frekansı ambulans yaklaşırken yüksek, uzaklaşırken düşüktür. Bu olayda ses kaynağının hareketinden dolayı duyulan ses frekansındaki değişime oppler etkisi denir. Benzer bir etki, ışık ve elektromanyetik dalgalar halinde de oluşur. Hareketli bir arabayı izleyen bir radarın gönderdiği elektromanyetik dalgaların arabadan yansıyanlarının frekansı incelenir. Bu frekansta meydana gelen kayma arabanın hızını belirleyebilir. Bu uygulama trafik polisinin arabanın yasal hız sınırları içinde seyahat edip etmediğine karar vermesini sağlar. Böylece doppler olayı tüm periyodik dalgaları içine alabilecek kadar geniş bir etkisi vardır. Hatta astronomlar, yıldızların, galaksilerin ve diğer gök cisimlerinin yere göre bağıl hızlarını belirlemek için oppler olayını kullanırlar. Hareketsiz olan kayna ından çıkan ses dalgaları tüm yönlerden dinlendi inde duyulan sesin dalga boyu ve ferakansı aynıdır. B C ABC Ses kaynağı ister hareketli olsun ister hareketsiz osun. Sesin havada yayılma hızı değişmez. eğişen sadece dinleyiciye ulaşan sesin dalga boyu ve frekansıdır. Bu durumun dışında kaynağın hareketsiz, dinleyicinin ise hareketli olduğu durumlarda duyulan frekans yine farklı olur. inleyici ses kaynağına yaklaşıyorsa dinleyiciye ulaşan saniyedeki dalga sayısı (frekans) kaynaktan çıkan dalga sayısından fazladır. O nedenle duyulan frekans büyük olur. Eğer dinleyici kaynaktan uzaklaşıyorsa kulağa ulaşan saniyedeki dalga sayısı azalacaktır. Böylece duyulan frekans küçük olur. Sonuç olarak ses dalgaları için doppler olayını kısaca şöyle özetleyebiliriz: uyulan ses frekansı, kaynak ve dinleyici birbirine yaklaştığı zaman artar, birbirinden uzaklaştığı zaman azalır. Şimdi doppler olayında gözlemcinin (dinleyici) duyduğu sesin frekansını bağıntılarla ifade edelim: A Sa yöne do ru ilerleyen bir ses kayna ının A, B, C, konumlarında çıkardı ı ses dalgalarının flekli yukarıda görülmektedir. Sa taraftaki dinleyicinin algıladı ı dalga boyu küçülür. Ses dalgasının hızı sabit oldu una göre ses frekansı artar. Sol taraftaki dinleyici için ise dalga boyu büyür frekans ise azalır. ϑ ϑ: Ses dalgalarının hızı ϑk: Ses kayna ının hızı λg: Gözlenen dalga boyu λ: Gerçek dalga boyu f: g Gözlenen frekans f: Ses kayna ının frekansı ϑ _ k λg= λ! Δλ & λg= λ! b f b ϑ ϑ k! ϑ b = fg f f ` b ϑ b fg = c f ϑ! ϑ m b k a Gözlemci hareketsiz, kaynak hareketlidir. aynak gözlemciye yaklaşıyorsa ( ), uzaklaşıyorsa (+) kullanılır. 448
S X ornası çalan park halindeki otomobile yaklaşan bisikletlinin duyduğu sesin frekansı, sesin gerçek frekansından büyüktür. O ϑ 0 ϑ: Ses dalgalarının hızı ϑg: Gözlemcinin hızı f: g Gözlenen frekans λ: Gerçek dalga boyu Bir ambulans 36 m/s lik hızla otobanda hareket etmektedir. Ambulansın sireni 400 1/s frekanslı ses çıkarmaktadır. Otoban kenarındaki bir adamın duyduğu sesin frekansı, a) Ambulans adama yaklaşırken, b) Ambulans adamdan uzaklaşırken kaç 1/s olur? (Sesin havada yayılma hızı 336 m/s dir.) f: Ses kayna ının frekansı ϑ! ϑ _ g fg = b λ b b ϑ! ϑg b fg = ϑ ` f b b ϑ! ϑg b fg = d nf ϑ b a aynak hareketsiz, gözlemci hareketlidir. Gözlemci kaynağa yaklaşıyorsa (+), uzaklaşıyorsa ( ) kullanılır. Yukarıda çıkarılan iki bağıntı birleştirilerek tüm durumlar için geçerli olabilecek aşağıdaki bağıntı kullanılır. + ϑg aynak ve gözlemci arasındaki uzaklık azalıyorsa f p kullanılır. -ϑ ϑ! ϑ k g fg = f pf ϑ" ϑ -ϑ k g aynak ve gözlemci arasındaki uzaklık artıyorsa f p kullanılır. + ϑk Yukarıdaki tüm bağıntılarda kaynağın ya da gözlemcinin hızı ses hızından küçük olduğu kabul edilecektir. a) ϑ 336 fg = c f 400 ϑ - ϑ m = b k 336-36 l = 448 1/s ϑ 336 b) fg = c f 400 ϑ + ϑ m = b k 336 + 36 l = 361,3 1/s bulunur. ÜNİTE 5 ALGALAR Bölüm 1 Ses algaları Rezonans Genel anlamda rezonans olayını anlatmak için basit örnek olarak bir salıncağın hareketinden yararlanılır. enge durumunda olan bir salıncağa küçük bir itme verildiğinde dengesi bozulur ve periyodik olarak eşit genlikli salınımlar yapar. Salıncak bir tam salınımı tamamladığında hep aynı yönlü olmak üzere küçük birer itme daha yapacak olursak, genliğin gittikçe büyüdüğünü görürüz. Buna göre salınım yapabilen bir sistem, salınımlarının periyoduna eşit aralarla, aynı yönlü küçük etkiler alacak olursa, büyük genlikli titreşimler yapabilir. Bu olaya rezonans denir. Bazı şarkıcılar birkaç saniye içinde belli frekansta ses çıkararak ince bir cam bardağı kırabilir. Ses dalgaları cam bardağın kenarlarını titreştirir. Titreşim genliği belli bir değerin üstüne çıktığında kırılma gerçekleşir. Rezonans olayı, titreşerek ses veren düzeneklerde deneysel olarak gösterilebilir. Aşağıda böyle bir deney gösterilmiştir. 449
ÜNİTE 5 ALGALAR Bölüm 1 Ses algaları Titreflen diyapozon su Plastik boru epo Piyanoyu akort etmek isteyen bir müzisyen piyano telinin gerilimini ayarlamak için frekansı bilinen diyapozon ile piyano teli arasındaki seslerin vurularını dinler. su Titreştirilerek ses vermesi sağlanan bir diyapozon, yandaki şekildeki gibi kısmen su dolu cam borunun açık ucu üzerinde tutulursa belli koşullarda diyapozonun verdiği sesin şiddetinde artış görülebilir. iyapozonun verdiği sesin kendiliğinden gösterdiği artış, ancak rezonans durumunda gerçekleşir. Rezonans durumunu sağlamak için boruyu yukarı aşağı hareket ettirerek, borunun boş kısmının uzunluğu değiştirilir. Böylece suyun üst yüzeyinden yansıyan ses dalgaları ile gelen ses dalgaları duraklı dalga oluşturan hava sütunu meydana getirir. Bu hava sütununun borunun açık kısmındaki şekli karın bölgesidir. Suya değdiği nokta ise düğüm noktasıdır. Sesin dalga boyu bir uçta düğüm ve diğer uçta karın oluşturacak şekilde, bir uygunluk sağlarsa hava sütunu rezonansa gelir. Bu rezonans durumu diyapozonun çıkardığı sesin şiddetini arttırır. Vuru Olayı Frekansları birbirine yakın peryodik iki ses dalgası, aynı anda iki kaynaktan çıkarak kaynaklara aynı uzaklıkta olan bir dinleyicinin kulağında nasıl bir etki yaptığını inceleyelim. Örneğin A ve B kaynakları sırayla 1000 1/s ve 999 1/s frekansında ses çıkardığını düşünelim. t = 0 anında kulağa aynı anda ulaşan seslerin toplam şiddeti maksimumdur. t = 0,5 s anında A, saniyede 500 kez titreşmiştir. B ise 499,5 kez titreşir. Böylece B, A dan yarım periyot geridedir. Bu durumda dalgalar birbirerini söndürür. uyulan ses minimumdur. t = 1 saniye sonra ise A, saniyede 1000 kez titreştiği anda B, 999 kez titreşmiştir. Böylece B, A nın tam bir peryotluk süre gerisinde kaldığı için t = 0 anındaki gibi ses dalgaları birbirlerini kuvvetlendirerek şiddetli bir ses duyulur. Sonuç olarak 1 saniyede bir şiddetli bir ses duyulacaktır. İşte bu şekilde bileşik ses dalgalarında genliğin periyotlu biçimde azalıp çoğalmasına vuru olayı denir. (a) y y f A = 1000 1/s f B = 999 1/s t t f vuru = f A f B Saniyede duyulan vuru sayısı veya vuru frekansı iki kaynak arasındaki frekans farkına eşittir. Yukarıdaki örneğimizde, A ve B nin frekansları f A = 1000 1/s ve f B = 999 1/s idi. Oluşan vuru frekansı: fvuru = fa - fb = 1 1/s dir. İnsan kulağının duyabileceği vuru frekansı 20 1/s civarındadır. Vuru frekansı bu değeri aştığı zaman, vuruları üreten bileşik sesler, ayırt edilemeyecek şekilde karışır. 450
r 1 L r 2 kulak Ses algalarının Girişiminden Yararlanarak Ses Hızının Hesaplanması Ses dalgalarıda diğer periyodik dalgalar gibi girişim yapar. Aynı fazda ve aynı frekansta oluşan iki ses dalgası, bir noktaya aynı fazda ulaşırsa o noktadaki bileşik sesin şiddeti artar. Zıt fazda ulaşırsa o noktadaki dalgalar birbirlerini yok eder ve o noktada ses duyulmaz. Şimdi ses dalgalarının girişimini gösteren akustik bir sistemi aşağıda inceleyelim. Şok algaları Şekli yanda verilen akustik sistem, iç içe girebilen U şeklinde iki borudan ibarettir. Belli bir f frekansında ses veren bir diyapozon ağızından sisteme ses dalgaları gönderir. Önce r 1 ve r 2 uzunlukları eşit tutulur. Bu durumda noktasından ikiye ayrılan ses dalgaları L noktasına aynı fazda ulaşır ve maksimum şiddette ses duyulur. aha sonra r 2 yolu kısaltılarak yavaş yavaş yol farkı arttırılır. Bu durumda duyulan sesin şiddeti gittikçe azalır. Yol farkı, ilk kez sesin dalga boyunun yarısına ulaştığında ses dalgaları L noktasına zıt fazda ulaşır ve birbirlerini yok eder. Ses duyulmaz. Ses hızını bulmak için sadece sesin frekansının ve r 1 r 2 yol farkının bilinmesi yeterlidir. λ ϑ r1- r2= & r r 2 1-2= 2f ϑ = 2(r 1 r 2 )f r 1, r 2 ve f biliniyorsa yukarıdaki bağıntıdan ϑ ses hızı hesaplanır. Ses kaynağının hızı, ses hızına yaklaştığı ya da ona eşit olduğu anda ilginç bir durum ortaya çıkar. ϑ fg = c f ϑ- ϑ m k bağıntısına göre kaynağın hızı olan ϑ k, ses hızı olan ϑ değerine eşit alınırsa f frekansı sonsuza gider. Yani dinleyiciye sonsuz sayıda dalga tepesi ulaşır. aynağın önündeki küçük bir bölgede dalga enerjisi yoğunlaşır. aynak ses hızından büyük olursa kaynağın arkasına doğru bir şok dalgası oluşur. ÜNİTE 5 ALGALAR Bölüm 1 Ses algaları Bir bot su dalgasından hızlı hareket etmektedir. Botun arka tarafında şok dalgası (kuyruk dalgası) görülmektedir. Süpersonik (sesten hızlı) uçaklar şok dalgaları üretir. Bu dalgaları duyanlar tarafından "gürültü patlaması" olarak adlandırılır. Oluşan şok dalga, yüksek basınç değişimleri nedeniyle uçağın arka tarafında koni şeklindedir. Enerji koni yüzeyinde yoğunlaşmıştır. Şok dalgaları insan kulağını rahatsız edici özelliktedir. üşük irtifada uçak süpersonik uçaklar binalara zarar verecek düzeyde şok dalga oluşturabilir. fiok dalgas Süpersonik uçak Süpersonik uçağın şok dalga konisi yere değdiği noktada duran bir dinleyici "gürültü patlaması" algılar. 451
ÜNİTE 5 ALGALAR Bölüm 1 Ses algaları SONAR Ses dalgalarını kullanarak cismin boyut, uzaklık ve diğer verileri elde etmemize yarayan alettir. Ses dalgaları ortamda ilerlerken bir cisme çarpıp geriye yansır. Yansıyan bu dalgaların analizi sonucunda uzaklık, büyüklük vb. veriler elde edilir. Su altında kullanılarak deniz tabanı hakkında bilgiler edinilir. Şimşek ışığı görüldükten 10 saniye sonra gök gürültüsü duyulmaktadır. Havadaki ses hızı 340 m/s olduğuna göre şimşek çakan yerin dinleyiciye olan uzaklığı kaç m dir? (Işığın dinleyiciye ulaşması için geçen süreyi önemsiz sayınız.) Bir hoparlörden ortalama 60 W gücünde ses çıkmaktadır. Hoparlörden 10 m uzakta duyulan ses dalgasının şiddeti kaç W/m 2 dır? (π = 3; ses kaynağını noktasal kabul ediniz.) urmakta olan bir otomobilin kornası 500 1/s lik frekansta ses çıkarmaktadır. a) Bir motosikletli 20 m/s lik hızla otomobile yaklaşırken duyduğu sesin frekansı kaç 1/s dir? b) Motosikletli 20 m/s lik hızla otomobilden uzaklaşıyorsa duyduğu sesin frekansı kaç 1/s dir? (Ses hızı 330 m/s) Frekansları 400 1/s ve 395 1/s olan iki ses kaynağından eşit uzaklıkta olan bir dinleyicinin duyduğu vuru frekansı kaçtır? ΔX = ϑ. Δt ΔX = 340.10 = 3400 m = 3,4 km uzakta olduğu bulunur. P Ses kaynağının şiddeti, Ι = dir. 4π r2 Bağıntıdaki 4πr 2 ifadesi şöyle açıklanabilir: aynaktan her yönde çıkan ses dalgaları küresel olarak dağılır. r kadar uzaktaki küre alanı 4πr 2 olduğu için enerji bu alana yayılarak o noktaya Ι şiddetinde ulaşır. ϑ ϑg a) fs = e + o f ϑ 330 + 20 fs = b l500 = 530, 3 m/s 330 ϑ ϑg 330 20 b) fg = e - o - f = 500 = 469,6 m/s ϑ b l 330 fvuru = f1 - f2 = 400-395 = 5 1/s bulunur. Yani duyduğu sesin şiddeti saniyede 5 kez azalıp çoğalır. Yarasalar uçarken sonar sistemini kullanır. Hoparlör f 1 = 100 1/s f 2 = 100 1/s L 1 Hoparlör Özdeş iki hoparlörden 100 1/s frekanslı aynı fazda ses çıkmaktadır. Şekilde görüldüğü gibi P noktasına ulaşan ses dalgaları L 1 = L 2 olduğu anda birbirlerini kuvvetlendirmektedir. Buna göre P noktasında ses duyulmaması için L 1 L 2 uzaklık farkı en az kaç m olmalıdır? (Sesin hızı 340 m/s) L 2 P λ L1- L2 = n n = 1, 3, 5... ise P noktasındaki ses dalgaları birbirlerini yok eder. 2 L 1 L 2 yol farkının minimum olması için n = 1 olmalıdır. λ ϑ L1- L2 = 1 & λ = 2 f ϑ 340 L1- L2 = = = 1,7 m 2f 2.100 bulunur. 452
1. Havası alınmış bir ortamda çalmakta olan bir zilin sesi neden duyulmaz? 2. Hava ortamından su ortamına iletilen ses dalgasının hızı nasıl değişir? 3. Hava ortamından su ortamına iletilen sesin frekansı ve dalga boyu nasıl olur? 4. Hava ortamında noktasal bir kaynaktan çıkan ses dalgaları kaynaktan uzaklaştıkça genliği nasıl değişir? 5. Ses şiddeti nedir? 6. Yüksek frekanslı ses ile düşük frekanslı ses aynı şiddette olabilir mi? 7. Ses şiddet düzeyi birimi nedir? 8. Ses şiddeti birimi nedir? 9. İnsan kulağının duyarlı olduğu ses şiddet düzeyinin sınırları nedir? 1. Yayıldığı ortama göre ses dalgaları... dalga türündendir. 2. Yayılma biçimine göre ses dalgaları... dalgalardır. 3. Ortam değiştiren ses dalgalarının... değişmez. 4. Sesin sudaki yayılma hızı havadaki yayılma hızından... tür. 5. Ses dalgasının genliği azaldıkça... azalır. 6. Sesin yüksekliği sesin... özelliğine bağlıdır. 7. Bir ses titreşiminin... artırılırsa duyulan ses incelir. 8. Ortamın sıcaklığı arttıkça sesin yayılma hızı... 9. uyulan ses frekansı, kaynak ve dinleyici... azalır. 10. Sesten hızlı uçan uçaklara... uçak denir. 11. 20 1/s frekansından düşük frekanslı seslere... denir. 1. Ses enine dalgadır. 2. Ses elektromanyetik dalgadır. 3. Ses boşlukta yayılmaz. 4. Sesin yayılma hızı sesin frekansına bağlı değildir. 5. Gaz ortamında yayılan sesin yayılma hızı gaz basıncına bağlıdır. 6. Havanın sıcaklığı arttırılırsa hava ortamındaki ses hızı artar. 7. Hava ortamında yayılan sesin bir noktadaki şiddeti uzaklığın karesi ile ters orantılıdır. 8. Şiddeti büyük bir sesin kesinlikle yüksekliğide fazladır. 9. Hareket eden bir ses kaynağından çıkan sesin bu ortamdaki yayılma hızı kaynağın hareketine bağlıdır. ÜNİTE 5 ALGALAR Bölüm 1 Ses algaları 10. Frekanslarına göre ses dalgalarının adlarını yazınız. 12. 20000 1/s frekansından büyük frekanslı seslere... denir. 10. Şok dalgalarının oluşması için kaynak sesten hızlı hareket etmelidir. 13. Seslerin insan kulağı tarafından duyulabilmesi için hem... hem de 11. Ses dalgalarının girişimi oluşmaz. 11. Ses hızını etkileyen iki önemli faktörü yazınız.... bakımından sınırlandırılması gerekir. 14. Aynı fazda ve frekansta ses veren iki nok- 12. Ses dalgalarının kırılma özellikleri vardır. 12. Ses kaynağı dinleyiciye doğru yaklaştığında ya da uzaklaştığında dinleyicinin duyduğu sesin frekansı nasıl değişir? tasal kaynağın bulunduğu bir ortamda sesin duyulmadığı bir nokta vardır. Bu noktanın kaynaklara olan yol farkı en az... olmalıdır. 13. Frekansları f 1 = 200 1/s ve f 2 = 202 1/s olan iki ses kaynağının vuru frekansı 2 1/s dir. 453
ÜNİTE 5 MOERN FİZİ Bölüm 1 Ses algaları 1. Havası alınmış bir ortamda çalmakta olan bir zilin sesi neden duyulmaz? Ses, mekanik dalga olduğu için ortamın maddesel olması durumunda yayılma olur. Havası alınmış ortamda madde olmadığı için ses yayılmaz. 2. Hava ortamından su ortamına iletilen ses dalgasının hızı nasıl değişir? Ses dalgasının hızı artar. 3. Hava ortamından su ortamına iletilen sesin frekansı ve dalga boyu nasıl olur? Frekans değişmez, dalga boyu artar. 4. Hava ortamında noktasal bir kaynaktan çıkan ses dalgaları kaynaktan uzaklaştıkça genliği nasıl değişir? Genlik azalır. 5. Ses şiddeti nedir? Birim zamanda yayılma yönüne dik birim alandan geçen ses enerjisidir. 6. Yüksek frekanslı ses ile düşük frekanslı ses aynı şiddette olabilir mi? Aynı frekansta olabilir. 7. Ses şiddet düzeyi birimi nedir? disebel (db) 8. Ses şiddeti birimi nedir? Watt/(metre) 2 9. İnsan kulağının duyarlı olduğu ses şiddet düzeyinin sınırları nedir? 0 ile 120 db arasındadır. 1. Yayıldığı ortama göre ses dalgaları mekanik dalga türündedir. 2. Yayılma biçimine göre ses dalgaları boyuna dalgalardır. 3. Ortam değiştiren ses dalgalarının frekansı değişmez. 4. Sesin sudaki yayılma hızı havadaki yayılma hızından büyüktür. 5. Ses dalgasının genliği azaldıkça şiddeti azalır. 6. Sesin yüksekliği sesin frekans özelliğine bağlıdır. 7. Bir ses titreşiminin yüksekliği artırılırsa duyulan ses incelir. 8. Ortamın sıcaklığı arttıkça sesin yayılma hızı artar. 9. uyulan ses frekansı, kaynak ve dinleyici yaklaşıyorsa azalır. 10. Sesten hızlı uçan uçaklara süpersonik uçak denir. 11. 20 1/s frekansından düşük frekanslı seslere infrasonik ses denir. Y Y Y Y 1. Ses enine dalgadır. 2. Ses elektromanyetik dalgadır. 3. Ses boşlukta yayılmaz. 4. Sesin yayılma hızı sesin frekansına bağlı değildir. 5. Gaz ortamında yayılan sesin yayılma hızı gaz basıncına bağlıdır. 6. Havanın sıcaklığı arttırılırsa hava ortamındaki ses hızı artar. 7. Hava ortamında yayılan sesin bir noktadaki şiddeti uzaklığın karesi ile ters orantılıdır. 8. Şiddeti büyük bir sesin kesinlikle yüksekliğide fazladır. 9. Hareket eden bir ses kaynağından çıkan sesin bu ortamdaki yayılma hızı kaynağın hareketine bağlıdır. 10. Frekanslarına göre ses dalgalarının adlarını yazınız. 1) İsitilebilir ses dalgaları 12. 20000 1/s frekansından büyük frekanslı seslere ultrasonik ses denir. 10. Şok dalgalarının oluşması için kaynak sesten hızlı hareket etmelidir. 2) İnfrasonik ses dalgaları 3) Ultrasonik ses dalgaları 11. Ses hızını etkileyen iki önemli faktörü yazınız. Esneklik ve eylemsizlik. 12. Ses kaynağı dinleyiciye doğru yaklaştığında ya da uzaklaştığında dinleyicinin duyduğu sesin frekansı nasıl değişir? Yaklaştığında frekans artar, uzaklaştığında frekans azalır. 13. Seslerin insan kulağı tarafından duyulabilmesi için hem frekans hem de şiddet bakımından sınırlandırılması gerekir. 14. Aynı fazda ve frekansta ses veren iki noktasal kaynağın bulunduğu bir ortamda sesin duyulmadığı bir nokta vardır. Bu noktanın kaynaklara olan yol farkı en az dalga boyunun yarısı olmalıdır. Y 11. Ses dalgalarının girişimi oluşmaz. 12. Ses dalgalarının kırılma özellikleri vardır. 13. Frekansları f 1 = 200 1/s ve f 2 = 202 1/s olan iki ses kaynağının vuru frekansı 2 1/s dir. 454
1. Şimşek ışığını gördükten 10 saniye sonra gök gürültüsünü duyuyorsanız şimşek çakan yerden kaç m uzaktasınız? (Sesin havadaki hızı 343 m/s; ışığın hareket süresi önemsizdir.) 3430 m 2. Bir gitar teli 500 Hz frekans ile hava ortamında titreşmektedir. Yaydığı sesin dalga boyu kaç m dir? (Sesin havadaki hızı 340 m/s) 0,68 m 3. erinliği 20 m olan kuyuya üst yüzeyden bir taş serbest bırakılıyor. Taş serbest bırakıldıktan kaç saniye sonra çarpma sesi duyulur? (Havadaki ses hızı 340 m/s; g = 10 m/s 2 ; sürtünmeler önemsizdir.) 35 s 17 4. Yarasalar karanlıkta avlarını yakalamak için avlarının boyutlarında bir dalga boyuna sahip ses ötesi dalgalar yayarlar. 10 mm boyutundaki bir avı yakalamak için kaç s 1 frekanslı ses dalgası çıkarmalıdır? (ϑ ses = 340 m/s) 5. Bir müzik setinin bir hoparlörünün yüzey alanı 40 cm 2 dir. Bu hoparlörden çıkan sesin gücü 0,1 W ise hoparlörden çıkan sesin şiddeti kaç W/m 2 dir? Yol gösterme: Ses fliddeti = güç yüzey alanı 25 w/m 2 6. Bir ambulans 36 m/s ik hızla düz bir yolda gitmektedir. Ambulansın çaldığı sirenin frekansı 300 s 1 dir. urakta bekleyen bir yolcu kendisine doğru gelmekte olan bu ambulansın sireninin frekansını kaç s 1 duyar? (ϑ ses = 336 m/s) 336 1/s 7. Bir yeraltı treni 60 m/s lik hızla bir istasyona uğramadan 400 Hz frekanslı düdük çalarak uzaklaşmaktadır. İstasyondaki yolcu uzaklaşan trenin düdüğünün frekansını kaç 1/s olarak duyar? (ϑ ses = 340 m/s) 8. Otoban bir yolda hızı 35 m/s olan bir ambulansın sireni 600 1/s frekansla çalmaktadır. arşı yönden 15 m/s lik hızla yaklaşmakta olan otomobildeki bir yolcu sirenin frekansını kaç s 1 duyar? (ϑ ses = 335 m/s) 9. Hızları 60 m/s ve 20 m/s olan iki tren zıt yönlerden gelerek birbirlerini geçtikten sonra hızı büyük olanın çaldığı sirenin çıkardığı sesin frekansı 400 1/s dir. Bu sesin frekansı diğer trendeki bir yolcu tarafından kaç s 1 lik ses olarak algılanır? (ϑ ses = 340 m/s) 10. L M kulak iyapozon 700 1/s 320 1/s Titreştirildiğinde 50 s 1 frekanslı ses çıkaran bir diyapozonun ses dalgaları LM ve NM eşit uzunluktaki yolları alarak M noktasındaki dinleyiciye maksimum şiddette ses ulaşmaktadır. LM ile NM arasında yol farkı yaratılarak ilk kez dinleyici ses duymadığına göre oluşan sesin dalga boyu kaç m dir? (ϑ ses = 340 m/s) N ÜNİTE 5 ALGALAR Bölüm 1 Ses algaları 34000 1/s 340 1/s 6,8 m 455
ÜNİTE 5 ALGALAR Bölüm 1 Ses algaları 1. Homojen esnek bir ortamda frekansı f, hızı ϑ, dalga boyu λ olan ses oluşturuluyor. Sesin frekansı iki katına çıkarılırsa, I. Hız iki katına çıkar. II. alga boyu yarıya düşer. III. Hız değişmez. yargılarından hangileri doğrudur? A) Yalnız I B) Yalnız II C) Yalnız III ) I ve II E) II ve III 2. eniz yüzeyinden belli bir derinlikte oluşturulan bir ses dalgası hava ortamından dinlenmektedir. eniz ortamından hava ortamına geçen bu ses dalgaları için, I. Yayılma hızları artar. II. Frekansları artar. III. alga boyu artar. yargılarından hangileri yanlıştır? A) Yalnız I B) I ve III C) Yalnız III ) II ve III E) I, II ve III 4. Ses dalgalarının insan kulağı tarafından duyulabilmesi için, I. Şiddet II. Yayılma hızı III. Frekans niceliklerinden hangileri belli değerler arasında olmalıdır? A) Yalnız I B) Yalnız II C) Yalnız III ) I ve III E) I, II ve III 5. Ses dalgalarına ait, I. Rezonans II. Vuru olayı III. oppler olayı özelliklerinden hangilerinde frekans aynı kalma koşuluyla ses şiddetinde artış görülebilir? A) Yalnız I B) Yalnız II C) Yalnız III ) I ve II E) I ve III 7. Sireni çalan bir ambulans dinleyiciye doğru gelirken, çıkardığı sesin, I. Frekansı II. alga boyu III. Şiddeti niceliklerinden hangilerini dinleyici, gerçek değerlerinden daha düşük algılar? A) Yalnız I B) Yalnız II C) Yalnız III ) I ve II E) II ve III 8. Hareket etmekte olan ses kaynağının çıkardığı ses için; I. Şok ses dalgaları II. oppler olayı III. Vuru olayı verilenlerinden hangileri ses kaynağının hızı ile ilgilidir? A) Yalnız I B) I ve II C) Yalnız III ) I ve III E) I, II ve III 3. Aşağıdakilerden hangisi ses şiddet birimi olarak kullanılabilir? 9. watt I. 2 ^metreh II. III. newton ^metreh^saniyeh joule 3 ^metreh A) Yalnız I B) I ve II C) Yalnız III ) I ve III E) I, II ve III 6. Ses dalgaları ile elektromanyetik dalgalara ait aşağıdaki karşılaştırmalardan hangisi yanlıştır? A) Ses dalgaları boyuna dalgalardır. B) Elektromanyetik dalga enine dalgadır. C) Ses dalgaları mekanik dalgadır. ) Ses dalgalarının havadaki hızı sudaki yayılma hızından büyüktür. E) Elektromanyetik dalgaların havadaki hızı sudaki yayılma hızından büyüktür. N L O Aynı fazda aynı frekansta ses çıkaran S 1 ve S 2 noktasal ses kaynaklarının ses dalgaları şekilde verilmiştir. Hangi noktada duran dinleyici kaynaklardan çıkan hiç bir sesi duyamaz? A) B) L C) M ) N E) O M S 1 S 2 456 1) E 2) E 3) B 4) 5) A 6) 7) B 8) B 9) C
BÖLÜM 2 Çevremizdeki tüm canlı ve cansız varlıkları, yaşadığımız dünyayı ve içinde bulunduğumuz Evrenin yıldızlarını, gezegenlerini görmemizi sağlayan ışıktır. Işığın temel yapısının ne olduğunu araştıran bilim insanları yüzlerce yıllık araştırmalar sonucunda önce ışığın belli fizik yasalarına uygun davrandığını belirlediler. oğrusal yolla yayılma, yansıma ve kırılma bunlardan sadece bir kaçıdır. ÜNİTE 5 ALGALAR IŞIĞIN YAYILMASI VE AYINLANMA Güneş, yıldızlar, lambalar, hatta ateş böcekleri bile ışık yayar. Bunlara ışıklı cisimler denir. iğer cisimler ışıksızdır. Bunlar ancak ışıklı bir cisimden ışık alıp bunu gözümüze doğru yansıttıkları zaman görünürler. aranlık bir odada bulunduğumuz zaman hiçbir şey göremeyiz. Ancak, bir ışık kaynağı odadaki eşyaları görünür hale getirir. emek ki görme olayı tamamen ışık ile ilgilidir. Buna göre bir cismi görebilmek için cisimden çıkan ya da yansıyan ışınların göze ulaşması gerekir. Işık çıkaran cisimlere ışık kaynağı denir. Bir ışık kaynağı ile gözümüz arasına ince bir cam blok konulduğunda kaynak görünmeye devam eder. emek ki ışık cam bloktan geçmektedir. Bu şekilde ışığı geçiren cam gibi maddelere saydam maddeler denir. Hava ve saf su en çok bilinen saydam maddelerdendir. İnce kağıt, buzlu cam... gibi, ışığın bir kısmını geçiren cisimlere yarı saydam cisimler denir. Tahta, kitap, duvar... gibi, ışığı hiç geçirmeyen cisimlere saydam olmayan cisimler denir. Çevremizdeki cisimleri ışık olmadan göremeyiz. Iflık kayna ı Iflık kayna ı i ne deli i Bir ışık ışınının grafikte elde edilebilecek en ince ışık demetinden daha ince olduğunu düşünmek ışığın incelenmesinde kolaylık sağlar. üşünülebilecek en ince ışık demeti geometrideki anlamıyla bir doğrudur. İşte düşünülebilen bu en ince ışık demetine ışık ışını denir. Gerçekte hiçbir zaman bir tek ışık ışını oluşturulamaz; fakat bir tek ışın kavramı ışık olaylarının yorumunda çok kullanışlıdır. Işık üzerine çalışma yapan bilim insanlarının ışığın temel yapısı hakkındaki görüşlerinde, günümüze kadar birçok değişiklikler olmuştur. Örneğin ışığın doğrusal yolla yayılmasında modern ışık kuramı, aykırı durumlar açıklamasına karşın bu kitaptaki tüm ışık olaylarında Newton'un aşağıdaki hipotezini kullanmak yanlış olmayacaktır. Bir ışık kaynağının her noktası, çevresindeki tüm doğrultulara homojen ve saydam ortam içinde doğrusal yollarla yayılan ışınlar yayar. Newton'un fiziğin birçok alanında olduğu gibi ışık konusunda da önemli buluşları olmuştur. Işığın doğrusal yolla yayılmasına göstereceğimiz en önemli kanıt gölge olaylarıdır. Gölge, ışığın doğrular boyunca yayılmasından dolayı engel arkasına ulaşamama sonucu gerçekleşir. Güneş ve Ay tutulmaları, ışığın doğrusal yolla yayılmasının neticesinde birer gölge olayıdır. 457 Iflık ıflını
ÜNİTE 5 ALGALAR Işığın oğrusal Yolla Yayılması ve Gölge Olayı Noktasal fl k kayna Noktasal bir ışık kaynağının önüne saydam olmayan bir cismin konulduğunda, cismin arkasındaki ekranda oluşan ışık almayan bölgeye tam gölge denir. Şekil 1 ve Şekil 2 de görüldüğü gibi noktasal kaynaktan çıkan ışınların düştüğü bölgeler aydınlık, ışık almayan bölgeler ise tam gölge olarak görülmektedir. Tek noktasal kaynağın kullanıldığı gölge olayları daima tam gölge verir. Gölgenin boyutları, kaynak, cisim ve ekranın konumlarına bağlı olduğu gibi cismin büyüklüğüne de bağlıdır. küresel fl k kayna fiekil 3 Noktasal kaynak yerine küresel kaynak ya da birden fazla noktasal kaynak kullanılırsa Şekil 3 ve Şekil 4 de görüldüğü gibi saydam olmayan cismin ekran üzerinde tam ve yarı gölgeleri oluşur. Yarı gölgenin olduğu bölgeler ışık kaynağının bazı bölgelerinden ışık alır. Yani bu bölgeler ne tam aydınlık, ne de tam karanlıktır. Şekil 3 te yarı gölgenin olduğu bölgeye küresel kaynağın kenarlarından ışık düşmektedir. Şekil 4 de ise yarı gölgenin olduğu bölgeyi S 1 kaynağından gelen ışınlar aydınlatmaktadır. ın aydınlık olan bölümleri hem S 1 hem de S 2 kaynağından ışık alır. A B Cisim Engel Tam gölge Yar gölge S 1 S 2 Noktasal fl k Noktasal kayna fl k kayna fiekil 5 Noktasal fl k kayna fiekil 1 fiekil 2 fiekil 4 Tam gölge Engel B A Yar gölge Işığın doğrusal yolla yayıldığını gösteren kanıtlardan biri de karanlık kutu deneyidir. Bu deney için, ışık geçirmeyen bir kutunun bir yüzü buzlu cam ile kaplı olsun. Buzlu camın karşısındaki yüzün ortasına küçük bir delik açılarak önüne ışıklı bir cisim Şekil 5 deki gibi yerleştirilsin. Işıklı cismin buzlu cam üstünde ters görüntüsü elde edilir. Ters görüntü olmasının nedeni A ve B noktalarından çıkan ışınlar doğrusal yolla yayılarak şekildeki gibi yukarıdaki A noktasının görüntüsünün aşağıdaki A' noktasında, aşağıdaki B noktasının görüntüsünün yukarıdaki B' noktasında oluşmasının bir sonucudur. 458
1. ayna ın özelli ine ve ekranın konumuna göre bazı gölge ve yarı gölge durumları afla da gösterilmifltir. küresel fl k kayna Noktasal fl k kayna Noktasal fl k kayna Engel Engel Tam gölge Yar gölge Tam gölge Yar gölge küresel fl k kayna Noktasal fl k kayna Noktasal fl k kayna Engel Tam gölge Engel Yar gölge Tam gölge Yar gölge 2. ın bulundu u bölgeden engel ve kayna a do ru de iflik noktalardan bakan bir gözlemcinin kayna nasıl gördü ünü afla daki bir örnekte inceleyelim. küresel fl k kayna Engel Yukarıdaki flekilde, L ve M noktalarında kayna a do ru bakan gözlemci kayna ı, afla da gösterildi i gibi görür. L M ÜNİTE 5 ALGALAR L M 459
ÜNİTE 5 ALGALAR Güneş tutulması Güneş ve Ay Tutulması Günefl Günefl Şekil 6 da Ay'ın Güneş'le ünya arasında bulunduğu konumda, ünya üzerine Ay'ın tam gölgesi ve yarı gölgesi düşer. Tam gölgede bulunan bir gözlemci Güneş'i hiç göremez. Bu olaya Güneş tutulması denir. Yarı gölgede bulunan bir gözlemci ise Güneş'i kısmen görür. Bu olaya da kısmî Güneş tutulması denir. Şekil 7 de ünya'nın gölge konisi Ay üzerine düşerse Ay Güneş'ten ışık alamaz. ünya üzerindeki bir gözlemci Ay'a baktığında Ay'ı karanlık görür. Bu olaya Ay tutulması denir. Işık Hızı Işık hızı, Evrende bilinen en büyük hızdır. Bu hızın doğru olarak bilinmesi fizikte birçok olayın aydınlanmasında oldukça etkili olmuştur. Işık boşlukta yaklaşık olarak saniyede 300 000 km yol alır. Bu durumda ışığın bir yılda aldığı yol yaklaşık 10 trilyon km dir. Bu değere bir ışık yılı adı verilir. Işık hızının ilk kez gerçek değerine yakın ölçülmesi Michelson'un geliştirdiği döner ayna yöntemi ile gerçekleştirilmiştir. Bu yöntemin uygulanışı şöyledir; 8 yüzlü bir döner ana ve bu aynadan 36 km uzağa bir düzlem ayna Şekilde gösterildiği gibi yerleştirilir. Şekilde gösterilen döner aynanın I. yüzüne gönderilen ışın 36 km kadar uzaktaki düzlem aynadan ve döner aynanın III. yüzünden yansıyarak göze ulaşır. Ayna yavaş yavaş döndürülmeye başlandığında göze gelen ışığın sürekliliği bozulur. Aynanın dönme hızı öyle bir değere ulaşır ki ışık, kesiksiz görülür. Bu özel durumdan yararlanarak ışığın 72 km lik yolu kaç saniyede aldığı bulunur. Verilen örneğe göre, 8 yüzlü aynanın saniyede 520 tam dönme yapması gerekir. 1 Buna göre, dönmeyi t saniyede yapar. 8 1 1 t = $ = 8 520 1 saniye 4160 yol 72 Hız = zaman = = 299520 km/s bulunur. 1/4160 Ay fiekil 6 fiekil 7 ünya ünya öner ayna I III II Göz 36 km Ay üzlem ayna 460
ör Eden Işık arşıdan gelen arabaların farları bizi rahatsız eder çünkü parlak ışık gözümüzü alır. Ayrıca bir elektrik kesintisi olduğunda bir an için hiçbir şey göremez hale geliriz. Sonra gözümüz yavaş yavaş karanlığa alışır ve etrafımızdaki cisimleri seçmeye başlarız. Niye gözlerimiz ışığa karşı böyle bir tepki gösterir? Cevap: İnsan gözünün retinasında "çubuk" ve "koni" hücreler olmak üzere ışığa duyarlı iki tür alıcı sinir hücre bulunur. Çubuk hücreler, düşük yoğunluktaki ışığa duyarlıdırlar ama renkleri ayırt etmede başarısızdırlar; bu bakımdan gece şartları altında kullanışlı hale gelirler. oni hücreler ise yüksek yoğunluktaki ışığa duyarlıdırlar ve renk algılayabilmektedirler. Retinanın üzerine ışık düştüğünde, ışık enerjisi, ışığa duyarlı hücrelerde yer alan bir pigment tarafından ("rodopsin" adı verilen bir protein) emilir. Ortaya çıkan kimyasal madde, sinir uyarılarını beyne iletir. "Görme işlemi" pigmentin ışığa duyarlı kısmının yeniden oluşması ile tamamlanır. Gözlerimiz herhangi bir yoğunluktaki ışığa, gözbebeklerinin büyüklüklerini değiştirerek ve göz kapaklarını kısıp açarak uyum sağlar. Böylece ışıktan etkilenerek beyazlanan pigment miktarı ile yeniden oluşan pigment sayısı arasında bir denge sağlanmış olur. Göze giren ışık miktarı aniden değişecek olursa, bu denge bozulur ve yeni bir denge kuruluna kadar geçen sürede görüşümüzü kaybederiz. Göze giren ışık çok parlak olacak olursa da gözlerimizi tümden kapatırız (Yazı TÜBİTA Popüler Bilim itapları Gündelik Bilmeceler Partha Ghose, ipankar Home) 1 2 Top 1 ve 2 noktasal kaynaklarının önüne konulan ışık geçirmeyen bir topun ekran üzerindeki tam gölge ve yarı gölge bölgeleri nerede nasıl oluşur? 1 2r 2 Top r 1 ve 2 noktasal kaynaklarının önüne konulan ışık geçirmeyen bir topun ekran üzerindeki tam gölge ve yarı gölge bölgeleri nerede nasıl oluşur? Normal kaynak 2d Engel L r O Noktasal ışık kaynağının önüne şekildeki gibi r yarıçaplı saydam olmayan bir küresel cisim konuluyor. daki tam gölgenin alanı kaç πr 2 dir? 3d M 1 2 Top ın karşıdan görünüşü şekildeki gibidir. BC çaplı bölge, kaynakların hiçbirinden ışık almadığı için tam gölge, sadece 1 den ışık alan AB ve C arası, yarı gölge şeklinde görünür. 1 2 ın karşıdan görünüşü şekildeki gibidir. BC arası kaynakların hiç birinden ışık almadığı için tam gölgedir. AB arası sadece 1 den ve C arası sadece 2 den ışık aldığı için yarı gölge şeklinde görülür. 2d & & O OL OL + NM dir. = N NM 2d 5d r r 5 = & r1 = r 1 2 Tam gölgenin alanı; L r O 5 2 S = πb r l 2 25 S = π r 4 2 3d M N A B C A B r 1 C ÜNİTE 5 ALGALAR bulunur. 461
ÜNİTE 5 ALGALAR r = 1 m Ι = 1 cd 1 Lümen: Işık şiddeti 1 cd olan noktasal bir kaynaktan 1m uzakta, ışınlara dik olarak yerleştirilmiş 1 m 2 lik yüzeye düşen ışık akısıdır. AYINLANMA Bir ışık kaynağını bir ekrana yaklaştırdığımız zaman ekrandaki aydınlanmanın daha büyük olduğu, uzaklaştırdığımız zaman aydınlanmanın küçüldüğünü hepimiz biliriz. Bu ışık olayının nedenini anlamak için ışık ışınlarının çok küçük taneciklerin oluşturduğu tanecik seli şeklinde yayıldığını düşünmek zorundayız. Boya püskürten bir düzenek aydınlanmayı açıklamak için güzel bir örnek olabilir. Püsküren boya damlacıkları kaynaktan uzaklaştıkça birbirlerinden uzaklaşır. Böylece çarptıkları yüzeyde daha seyrek bir görüntü oluşturur. İşte ışık tanecikleride bu şekilde düşünülebilir. yakında ise birim yüzeye birim zamanda çarpan tanecik sayısı daha fazladır. Uzaklık arttıkça birim yüzeye çarpan tanecik sayısı doğal olarak azalacaktır. Yapılan deneylerde uzaklık iki katına çıktığında birim yüzeye dik olarak çarpan tanecik sayısı dörtte birine düşer. Böylece aydınlanma uzaklığın karesi ile ters orantılı olduğu anlaşılır. Aşağıda ışık şiddeti, ışık akısı ve aydınlanma kavramları deney sonuçlarına bağlı olarak bağıntılarla ifade edilmektedir. Işık kaynağından çıkan ışınlar doğrudan ya da dolaylı olarak ulaştıkları yüzeyleri aydınlatır. Bir yüzeydeki aydınlanma şiddeti, ışık kaynağının şiddetine, yüzeyin kaynağa olan uzaklığına ve ışığın yüzeye geliş açısına bağlıdır. Işık Şiddeti (Ι): Bir ışık kaynağının ışık şiddeti, birim zamanda yaydığı ışık enerjisinin bir ölçüsüdür. Birimi candela (cd) dir. Plâtinin ergime sıcaklığında (1760 C) bulunan siyah bir cismin 1 cm 2 lik yüzeyinin, kendisine dik olan bir doğrultuda verdiği ışık şiddetinin 1/160 değerine 1 candela denir. Işık Akısı (φ): Bir kaynaktan birim zamanda çıkan ışık miktarına denir. Birimi lümen (lm) dir. Lümen: Işık şiddeti 1 cd olan noktasal bir kaynaktan 1 m uzakta, ışınlara dik olarak yerleştirilmiş 1 m 2 lik yüzeye gelen ışık akısıdır. Yarıçapı r olan bir kürenin iç yüzey alanı 4πr 2 dir. Yarıçapı r = 1 m olan kürenin merkezindeki 1 cd şiddetindeki ışık kaynağının yayacağı toplam ışık akısı 4π lümendir. Ι şiddetindeki ışık kaynağının yayacağı toplam ışık akısı ise; şeklinde ifade edilir. Aydınlanma Şiddeti (E) Birim yüzeye düşen ışık akısı miktarıdır. Birimi lüks (lx) tür. Işığın düştüğü yüzey alanı A ise, aydınlanma şiddeti; dır. ürenin iç yüzeyindeki aydınlanma, Φ = 4π Ι φ E = A 4πΙ E = 4 r2 & π Ι E = r 2 şeklinde yazılır. 462
N fiekil 1 N Ι fiekil 2 fiekil 3 α N A 1 =A A 2 =4A d d Ι şiddetindeki noktasal ışık kaynağından d ve 2d uzaklıktaki A 1 = A ve A 2 = 4A yüzey alanına sahip levhalara dik olarak ışık düşüyor. E1 a) Bu yüzey alanları üzerindeki aydınlanmaların E2 oranı kaçtır? Φ1 b) Bu yüzey alanları üzerindeki ışık akılarının Φ2 oranı kaçtır? Aydınlanmanın Genel Bağıntısı Bir ekrana ışınlar Şekil 1, Şekil 2 ve Şekil 3'deki gibi düşürülüyor. da oluşan aydınlanma; Şekil 1'de maksimum Şekil 3'de sıfırdır. Buna göre ışınların yüzeyin normali ile yaptığı açı α ise, yüzeydeki aydınlanma, Ι E = cos d2 $ α bağıntısı ile ifade edilir. Ι a) E1 olduğundan d2 ve E Ι = 2 = ^ 2 2d h E1 = 4 E2 olur. b) Φ1= E1A1 Φ2 = E2 A2 olur. α = 90 ise E = 0 dır. Ι α = 0 ise,e = d2 dir. Φ1 E1A1 4E2 A Φ1 = = & = 1 Φ2 E2 A2 E2 4A Φ2 Paralel ışık demeti önünde bir ekran, hep aynı biçimde tutulursa ekrandaki aydınlanma, kaynaktan olan uzaklığa bağlı değildir. Şekil 4'te ekranın her iki konumunda da ışık akısı ve aydınlanan yüzeyin alanının aynı olduğu görülüyor. Öyleyse her iki konumda da aydınlanmalar eşittir. ÜNİTE 5 ALGALAR N α N α E Φ A, E Φ 1= 2= A ; E 1= E 2 n 1. konumu fiekil 4 n 2. konumu 463