الموجات والبصريات: حزمة المراجعة المكثفة

أوراق القوانين، وأهم خطوات الحل لكل موضوع، و4 مسألة تدريبية، مع الحلول الكاملة في الخلف.

مسائل جديدة العودة إلى المقرّر

في نافذة الطباعة اختر «حفظ بصيغة PDF» لحفظ نسخة على جهازك.

1القوانين وطرق الحل

النوابض والبندولات

كتلة على نابض: T = 2π·√(m/k)
البندول: T = 2π·√(L/g)
التردد الزاوي: ω = √(k/m) = 2π/T
أقصى سرعة وأقصى تسارع: v_max = A·ω, a_max = A·ω²
الطاقة: E = ½·k·A²

الموجات والصوت والبصريات

سرعة الموجة: v = fλ, T = 1/f
وتر: v = √(T/μ), μ = m/L
مستوى الصوت: β = 10·log₁₀(I/I₀), I₀ = 10⁻¹² W/m²
مصدر نقطي: I = P/(4πr²)
الموجات الموقوفة: وتر أو أنبوب مفتوح f_n = n·v/(2L)؛ أنبوب مغلق f_n = n·v/(4L)، n فردي
أثر دوبلر: f′ = f·(v ± v_o)/(v ∓ v_s)
معامل الانكسار: n = c/v, λ = λ₀/n
قانون سنيل: n₁sin θ₁ = n₂sin θ₂
الزاوية الحرجة: sin θ_c = n₂/n₁
ليف ضوئي: NA = sin θ_a = √(n₁² − n₂²)
العدسات والمرايا: 1/f = 1/d_o + 1/d_i, m = −d_i/d_o, mirror f = R/2
شق مزدوج: d·sin θ = mλ, y_m = mλL/d
المحزوز: d = 1/N, d·sin θ = mλ, m_max ≤ d/λ
الشق المفرد: a·sin θ = mλ (dark), w = 2λL/a

الطريقة

حدد نوع المسألة: سرعة موجة، أو مستوى صوت، أو موجة موقوفة، أو دوبلر، أو انكسار، أو عدسة أو مرآة، أو تداخل.
اكتب العلاقة أولًا: v = fλ، β = 10·log(I/I₀)، fₙ = n·v/(2L) أو n·v/(4L)، f′ = f(v ± v_o)/(v ∓ v_s)، n₁sin θ₁ = n₂sin θ₂، 1/f = 1/d₀ + 1/dᵢ، d·sin θ = mλ.
حوّل الوحدات: nm و mm و cm إلى m، وتحقق هل تُقاس الزوايا من العمودي.
تحقق من الإشارات ومعقولية النتيجة: الصورة الوهمية لها dᵢ < 0، والمصدر المقترب يبدو أعلى نغمة، والأنبوب المغلق له توافقيات فردية فقط.

2مسائل تدريبية

1.النوابض والبندولاتمتوسطة

كتلة مقدارها 1,1 kg على نابض k = 450 N/m تهتز على سطح أملس بسعة 4 cm. أوجد سرعتها v عندما تكون على بعد 3 cm من موضع الاتزان.

m = 1,1 kgk = 450 N/mA = 4 cmx = 3 cm

v = m/s

2.النوابض والبندولاتصعبة

رصاصة كتلتها 12 g تتحرّك بسرعة 200 m/s تصطدم بكتلة مقدارها 1,5 kg ساكنة على سطح أملس وتستقر فيها. الكتلة موصولة بنابض أفقي k = 1000 N/m. أوجد سعة الاهتزاز الناتج A بوحدة cm.

m = 12 gv = 200 m/sM = 1,5 kgk = 1000 N/m

A = cm

3.الموجات والصوت والبصرياتمتوسطة

مصدر تردده 400 Hz يتحرك بسرعة 10 m/s ومراقب يتحرك بسرعة 15 m/s يقترب أحدهما من الآخر. سرعة الصوت 343 m/s. جد التردد f′ الذي يسمعه المراقب.

f = 400 Hzv = 343 m/sv_s = 10 m/sv_o = 15 m/s

f′ = Hz

4.الموجات والصوت والبصرياتصعبة

مستشعر ساكن يرسل موجات فوق صوتية تردد 25 kHz نحو سيارة تقترب بسرعة 30 m/s ويخلط الصدى بالإشارة المرسَلة. جد تردد الضربات f_b (سرعة الصوت 343 m/s).

f = 25 kHzu = 30 m/sv = 343 m/s

f_b = Hz

3المحاليل

1.النوابض والبندولات

الإجابة: v = 0,5351 m/s

Simple harmonic motion: a mass m on a spring of stiffness k oscillates with angular frequency ω = √(k/m) and period T = 2π/ω = 2π·√(m/k). A simple pendulum of length L has T = 2π·√(L/g). With amplitude A, the largest speed is A·ω, the largest acceleration A·ω² and the energy ½·k·A².

التردد الزاوي

ω = √(450/1,1) = 20,23 rad/s

السرعة عند x

v = ω·√(A² − x²) = 20,23·√(0,04² − 0,03²) = 0,5351 m/s

الإجابة

v = 0,5351 m/s

2.النوابض والبندولات

الإجابة: A = 6,172 cm

السرعة بعد الاصطدام

V = m·v/(m + M) = 0,012·200/1,512 = 1,587 m/s

التردد الزاوي

ω = √(k/(m + M)) = √(1000/1,512) = 25,72 rad/s

السعة

A = V/ω = 1,587/25,72 = 0,06172 m = 6,172 cm

الإجابة

A = 6,172 cm

3.الموجات والصوت والبصريات

الإجابة: f′ = 430 Hz

الموجات الموقوفة وأثر دوبلر: الوتر المثبت من الطرفين، أو الأنبوب المفتوح من الطرفين، يتسع لأنصاف أطوال موجية كاملة: L = nλ/2، f_n = n·v/(2L)، n = 1, 2, 3, … للأنبوب المغلق من طرف واحد عقدة عند الطرف المغلق وبطن عند الطرف المفتوح: L = nλ/4 مع n فردي فقط، f_n = n·v/(4L). عندما يتحرك المصدر أو المراقب على الخط الواصل بينهما، f′ = f·(v ± v_o)/(v ∓ v_s): استخدم الإشارات العليا للحركة الواحد نحو الآخر. موجتان متقاربتا التردد تُحدثان ضربات بتردد |f₁ − f₂|.

صيغة دوبلر

f′ = f·(v + v_o)/(v − v_s) = 400·(343 + 15)/(343 − 10)

f′ = 430 Hz

الإجابة

f′ = 430 Hz

4.الموجات والصوت والبصريات

الإجابة: f_b = 4792 Hz

التردد عند السيارة

f′ = 25000·(343 + 30)/343 = 27187 Hz

تردد الصدى

f″ = f′·343/(343 − 30) = 29792 Hz

تردد الضربات

f_b = |f″ − f| = 4792 Hz

الإجابة

f_b = 4792 Hz

ExamProblems · examproblems.com/courses/waves-and-optics