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
- vmax = A·ω, amax = A·ω²
- الطاقة
- E = ½·k·A²
الموجات والبصريات: حزمة المراجعة المكثفة
أوراق القوانين، وأهم خطوات الحل لكل موضوع، و4 مسألة تدريبية، مع الحلول الكاملة في الخلف.
1القوانين وطرق الحل
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 fn = n·v/(2L)؛ أنبوب مغلق fn = n·v/(4L)، n فردي
- أثر دوبلر
- f′ = f·(v ± vo)/(v ∓ vs)
- معامل الانكسار
- n = c/v, λ = λ0/n
- قانون سنيل
- n1sin θ1 = n2sin θ2
- الزاوية الحرجة
- sin θc = n2/n1
- ليف ضوئي
- NA = sin θa = √(n1² − n2²)
- العدسات والمرايا
- 1/f = 1/do + 1/di, m = −di/do, mirror f = R/2
- شق مزدوج
- d·sin θ = mλ, ym = mλL/d
- المحزوز
- d = 1/N, d·sin θ = mλ, mmax ≤ 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 ± vo)/(v ∓ vs)، 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
يجد رائد فضاء على كوكب آخر أن بندولًا بسيطًا طوله 1,7 m زمنه الدوري 4,25 s للتأرجحات الصغيرة. أوجد تسارع الجاذبية g على ذلك الكوكب.
L = 1,7 mT = 4,25 s
g = m/s²
2.النوابض والبندولاتصعبة
كتلة على نابض k = 270 N/m تهتز على سطح أملس بسعة 19 cm. أوجد الطاقة U المخزّنة في النابض عندما تكون الكتلة على بعد 17 cm من موضع الاتزان.
k = 270 N/mA = 19 cmx = 17 cm
U = J
3.الموجات والصوت والبصرياتمتوسطة
مصدر صغير يرسل الصوت بالتساوي في كل الاتجاهات. المستوى 95 dB على بعد 1 m منه. جد المستوى β2 على بعد 10 m، مع إهمال الامتصاص والانعكاسات.
β1 = 95 dBr1 = 1 mr2 = 10 m
β2 = dB
4.الموجات والصوت والبصرياتصعبة
يسقط ضوء طوله الموجي 656 nm بزاوية قائمة على محزوز فيه 300 خطًا لكل ميليمتر. جد زاوية θ2 النهاية العظمى من الرتبة 2.
N = 300 mm⁻¹λ = 656 nmm = 2
θ2 = °
3المحاليل
1.النوابض والبندولات
الإجابة: g = 3,716 m/s²
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.
حلّ لإيجاد g
g = 4π²·L/T² = 4π²·1,7/4,25² = 3,716 m/s²
الإجابة
g = 3,716 m/s²
2.النوابض والبندولات
الإجابة: U = 3,902 J
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.
الطاقة الكلية
E = ½·k·A² = ½·270·0,19² = 4,873 J
طاقة النابض عند x
U = ½·k·x² = ½·270·0,17² = 3,902 J
الإجابة
U = 3,902 J
3.الموجات والصوت والبصريات
الإجابة: β2 = 75 dB
الموجات: تتحرك الموجة الدورية طولًا موجيًا واحدًا في دور واحد، إذن v = fλ مع T = 1/f. على وتر مشدود v = √(T/μ)، حيث T الشد و μ = m/L الكتلة لكل متر. ينتشر الصوت في الهواء بنحو 343 m/s عند 20 °C، والضوء في الفراغ بـ c = 3,00 × 10⁸ m/s. يُقاس علو الصوت بمقياس لوغاريتمي: β = 10·log₁₀(I/I₀) dB مع I₀ = 10⁻¹² W/m²، فعشرة أضعاف الشدة تضيف 10 dB. يوزّع مصدر نقطي قدرته P على كرة: I = P/(4πr²).
نسبة الشدة
I₂/I₁ = (1/10)² = 0,01
المستوى الجديد
β₂ = 95 + 10·log₁₀(0,01) = 75 dB
الإجابة
β2 = 75 dB
كل مضاعفة للمسافة تخفض المستوى بنحو 6 dB.
4.الموجات والصوت والبصريات
الإجابة: θ2 = 23,18 °
التداخل والحيود: يصل الضوء من شقين تفصل بينهما المسافة d إلى نقطة على الشاشة بفرق مسار d·sin θ. تظهر الأهداب المضيئة حيث d·sin θ = mλ (m = 0, ±1, ±2, …). لشاشة على بعد L ≫ d، يقع الهدب المضيء ذو الرتبة m عند y = mλL/d ويكون التباعد بين الأهداب Δy = λL/d. لمحزوز فيه N خطًا لكل ميليمتر d = 1/N ونهايات عظمى حادة عند d·sin θ = mλ؛ ولأن sin θ ≤ 1، فأعلى رتبة هي أكبر عدد صحيح m ≤ d/λ. وللشق المفرد ذي العرض a أهداب مظلمة عند a·sin θ = mλ، m = ±1, ±2, …
تباعد الخطوط
d = 1/300 mm = 3,333 × 10⁻⁶ m
معادلة المحزوز
sin θ = mλ/d = 2·656 × 10⁻⁹/(3,333 × 10⁻⁶) = 0,3936
θ = 23,18°
الإجابة
θ2 = 23,18°
ExamProblems · examproblems.com/courses/waves-and-optics