तरंगें, ध्वनि और प्रकाशिकी: चरण-दर-चरण हल सहित अभ्यास प्रश्न

आरेखों, संकेतों और पूर्ण हल के साथ मुफ़्त तरंगें, ध्वनि और प्रकाशिकी अभ्यास प्रश्न। हर बार नए मान, तीन स्तरों पर: तरंग चाल, ध्वनि स्तर और अपवर्तन, अप्रगामी तरंगें, लेंस और डॉप्लर, व्यतिकरण, झरझरी, दर्पण और तंतु।

मुफ़्त अभ्यास प्रश्नआसान
λ = ?

निर्वात में 650 nm तरंगदैर्ध्य का प्रकाश पानी (n = 1.33) में प्रवेश करता है। पदार्थ के भीतर उसकी तरंगदैर्ध्य λ ज्ञात करें।

n = 1.33λ0 = 650 nm
nm
अगला प्रश्न →

आप क्या अभ्यास करेंगे

  1. आसानतरंग चाल, ध्वनि स्तर और अपवर्तन
  2. मध्यमअप्रगामी तरंगें, लेंस और डॉप्लर
  3. कठिनव्यतिकरण, झरझरी, दर्पण और तंतु

तरंगें, ध्वनि और प्रकाशिकी के प्रश्न कैसे हल करें

  1. प्रश्न का प्रकार पहचानें: तरंग चाल, ध्वनि स्तर, अप्रगामी तरंग, डॉप्लर, अपवर्तन, लेंस या दर्पण, या व्यतिकरण।
  2. पहले संबंध लिखें: v = fλ, β = 10·log(I/I₀), fₙ = n·v/(2L) या n·v/(4L), f′ = f(v ± vo)/(v ∓ vs), n₁sin θ₁ = n₂sin θ₂, 1/f = 1/d₀ + 1/dᵢ, d·sin θ = mλ।
  3. इकाइयाँ बदलें: nm, mm और cm से m में, और जाँचें कि कोण अभिलंब से मापे गए हैं या नहीं।
  4. चिह्न और औचित्य जाँचें: आभासी प्रतिबिंब का dᵢ < 0 होता है, पास आता स्रोत ऊँचा सुनाई देता है, बंद नली में केवल विषम संनादी होते हैं।

सामान्य गलतियाँ

  • कोण अभिलंब की जगह सतह से मापना।
  • तीव्रताओं के लिए 20·log उपयोग करना या डेसिबल को सीधे जोड़ना।
  • डॉप्लर सूत्र के अंश में स्रोत की चाल रखना।
  • अपसारी लेंस और उत्तल दर्पण के लिए चिह्न परिपाटी छोड़ देना।
  • झरझरी की उच्चतम कोटि को नीचे की ओर पूर्णांकित करने की जगह निकटतम पूर्णांक तक पूर्णांकित करना।

मुख्य सूत्र

तरंग चाल
v = fλ, T = 1/f
डोरी
v = √(T/μ), μ = m/L
ध्वनि स्तर
β = 10·log10(I/I0), I0 = 10⁻¹² W/m²
बिंदु स्रोत
I = P/(4πr²)
अप्रगामी तरंगें
डोरी या खुली नली fn = n·v/(2L); बंद नली fn = n·v/(4L), n विषम
डॉप्लर प्रभाव
f′ = f·(v ± vo)/(v ∓ vs)
अपवर्तनांक
n = c/v, λ = λ0/n
स्नेल का नियम
n1sin θ1 = n2sin θ2
क्रांतिक कोण
sin θc = n2/n1
प्रकाशिक तंतु
NA = sin θa = √(n1² − n2²)
लेंस और दर्पण
1/f = 1/do + 1/di, m = −di/do, mirror f = R/2
द्वि-झिरी
d·sin θ = mλ, ym = mλL/d
झरझरी
d = 1/N, d·sin θ = mλ, mmax ≤ d/λ
एकल झिरी
a·sin θ = mλ (dark), w = 2λL/a

तरंगें, ध्वनि और प्रकाशिकी शुरू से सीखें

इससे पहले: स्प्रिंग और लोलक

1तरंग क्या है

तरंग ऊर्जा को एक स्थान से दूसरे स्थान तक ले जाती है, पदार्थ को साथ ले जाए बिना: माध्यम केवल दोलन करता है। डोरी या जल पर गति अनुप्रस्थ (गति की दिशा के आर-पार) होती है; वायु में ध्वनि अनुदैर्ध्य (उसी दिशा में) होती है।

λAv = fλ

तरंगदैर्ध्य λ एक पूरे चक्र की लंबाई है, आवर्तकाल T एक चक्र का समय, और आवृत्ति f = 1/T। एक आवर्तकाल में तरंग एक तरंगदैर्ध्य चलती है, इसलिए:

v = fλ डोरी: v = √(T/μ), μ = m/L

वायु में ध्वनि लगभग 343 m/s से चलती है, प्रकाश c = 3.00 × 10⁸ m/s से। चाल माध्यम पर निर्भर करती है, आवृत्ति पर नहीं।

स्व-जाँच 686 Hz की ध्वनि 343 m/s से चलती है। उसकी तरंगदैर्ध्य क्या है?
  1. 0.002 m
  2. 0.5 m
  3. 2 m
  4. 235 000 m

उत्तर: 0.5 m. λ = v/f = 343/686 = 0.5 m। उलटा भाग देने पर 2 m मिलता है, और गुणा करने पर बहुत बड़ी संख्या।

2ध्वनि स्तर और डॉप्लर प्रभाव

हमारे कान तीव्रता I (W/m²) पर लघुगणकीय पैमाने से प्रतिक्रिया करते हैं, इसलिए प्रबलता डेसिबल में दी जाती है:

β = 10·log₁₀(I/I₀) I₀ = 10⁻¹² W/m²

तीव्रता दस गुनी होने पर 10 dB जुड़ता है; दो समान स्रोत लगभग 3 dB जोड़ते हैं। छोटा स्रोत अपनी शक्ति गोले पर फैलाता है, I = P/(4πr²), इसलिए दूरी दोगुनी करने पर स्तर लगभग 6 dB घटता है।

जब स्रोत और श्रोता एक-दूसरे के पास आते हैं तो तारत्व बढ़ता है; जब वे दूर जाते हैं तो घटता है (डॉप्लर प्रभाव):

f′ = f·(v ± vo)/(v ∓ vs)

एक-दूसरे की ओर गति के लिए ऊपरी चिह्न उपयोग करें। श्रोता की चाल अंश में जाती है, स्रोत की चाल हर में।

3अप्रगामी तरंगें

डोरी के दोनों सिरों से परावर्तित तरंगें व्यतिकरण करके अप्रगामी तरंग बनाती हैं। दोनों सिरों पर बँधी डोरी के सिरों पर निस्पंद होते हैं और उसमें पूरी अर्ध-तरंगदैर्ध्य समाती हैं:

n = 1n = 2n = 3
L = nλ/2 fₙ = n·v/(2L), n = 1, 2, 3, …

दोनों सिरों पर खुली नली भी यही नियम मानती है। एक सिरे पर बंद नली में बंद सिरे पर निस्पंद और खुले सिरे पर प्रस्पंद होता है, इसलिए केवल विषम संनादी समाते हैं: fₙ = n·v/(4L), n = 1, 3, 5, …

स्व-जाँच एक सिरे पर बंद नली की मूल आवृत्ति 100 Hz है। इनमें से कौन-सी आवृत्ति वह और उत्पन्न कर सकती है?
  1. 150 Hz
  2. 200 Hz
  3. 300 Hz
  4. 50 Hz

उत्तर: 300 Hz. बंद नली में केवल विषम संनादी होते हैं: 100, 300, 500 Hz, … 200 Hz के लिए n = 2 चाहिए, जो बंद नली में नहीं समा सकता।

4अपवर्तन और लेंस

काँच या जल में प्रकाश n = c/v गुना धीमा हो जाता है (अपवर्तनांक)। सीमा पर किरण दिशा बदलती है (स्नेल का नियम), कोण अभिलंब से मापे जाते हैं:

θ₁θ₂n₁n₂ > n₁
n₁·sin θ₁ = n₂·sin θ₂ क्रांतिक कोण: sin θc = n₂/n₁

सघन से विरल माध्यम में जाते समय θc से आगे सारा प्रकाश परावर्तित हो जाता है (पूर्ण आंतरिक परावर्तन)। प्रकाशिक तंतु इसी तरह प्रकाश को निर्देशित करते हैं।

FFd₀dᵢ

पतले लेंस और वक्र दर्पण एक ही समीकरण का पालन करते हैं, आवर्धन m = −dᵢ/d₀ के साथ:

1/f = 1/d₀ + 1/dᵢ

चिह्न: अभिसारी लेंस और अवतल दर्पण के लिए f > 0 (f = R/2), अपसारी लेंस और उत्तल दर्पण के लिए f < 0। धनात्मक dᵢ वास्तविक प्रतिबिंब है, ऋणात्मक dᵢ आभासी; m < 0 का अर्थ है प्रतिबिंब उल्टा है।

5व्यतिकरण और विवर्तन

दूरी d पर स्थित दो संकरी झिरियों से आया प्रकाश दूरी L पर स्थित परदे पर अतिव्यापन करता है। जहाँ पथांतर d·sin θ तरंगदैर्ध्य का पूर्ण गुणज होता है, वहाँ तरंगें जुड़ती हैं: दीप्त फ्रिंज।

d·sin θ = mλ yₘ = mλL/d Δy = λL/d

विवर्तन झरझरी में कई झिरियाँ होती हैं: N रेखाएँ प्रति mm का अर्थ d = 1/N mm। इसके उच्चिष्ठ तीक्ष्ण और दूर-दूर होते हैं, और उच्चतम कोटि वह सबसे बड़ा पूर्णांक m है जिसके लिए m ≤ d/λ। चौड़ाई a की एकल झिरी में a·sin θ = mλ पर अदीप्त फ्रिंज होते हैं, इसलिए उसका केंद्रीय उच्चिष्ठ 2λL/a चौड़ा होता है।

6एक हल किया गया उदाहरण

हर चरण का अनुसरण करें। अगला चरण खोलने से पहले उसका अनुमान लगाने का प्रयास करें।

हल किया गया उदाहरण

एक वस्तु f = 10 cm वाले अभिसारी लेंस के सामने 30 cm पर रखी है। प्रतिबिंब दूरी और आवर्धन ज्ञात करें।

1

लेंस समीकरण

1/dᵢ = 1/f − 1/d₀ = 1/10 − 1/30 = 2/30

अतः dᵢ = 15 cm।

2

प्रतिबिंब की प्रकृति

dᵢ धनात्मक है, इसलिए प्रतिबिंब वास्तविक है: यह लेंस के दूसरी ओर बनता है और परदे पर पकड़ा जा सकता है।

3

आवर्धन

m = −dᵢ/d₀ = −15/30 = −0.5

प्रतिबिंब उल्टा है और वस्तु के आकार का आधा है।

4

रेखाचित्र से जाँच

अक्ष के समांतर किरण दूसरी ओर F से होकर मुड़ती है; केंद्र से जाने वाली किरण सीधी जाती है। वे लेंस के 15 cm पीछे, अक्ष के नीचे मिलती हैं।

उत्तर

dᵢ = 15 cm और m = −0.5: वास्तविक, उल्टा, आधे आकार का प्रतिबिंब।

स्व-जाँच एक वस्तु f = 10 cm वाले अभिसारी लेंस के सामने 5 cm पर है। किस प्रकार का प्रतिबिंब बनता है?
  1. आभासी और सीधा, वस्तु की ही ओर
  2. कोई प्रतिबिंब नहीं: किरणें समांतर निकलती हैं
  3. वास्तविक और उल्टा, दूसरी ओर
  4. वास्तविक और सीधा, उसी ओर

उत्तर: आभासी और सीधा, वस्तु की ही ओर. 1/dᵢ = 1/10 − 1/5 = −1/10, इसलिए dᵢ = −10 cm: ऋणात्मक प्रतिबिंब दूरी का अर्थ आभासी प्रतिबिंब है, और m = +2 का अर्थ सीधा और आवर्धित है। आवर्धक लेंस इसी तरह काम करता है।

7सामान्य गलतियाँ और परीक्षा प्रश्न

  • कोण अभिलंब से मापने की जगह सतह से मापना।
  • आयामों के लिए 10·log या तीव्रताओं के लिए 20·log का उपयोग करना: तीव्रताओं के लिए 10·log लगता है।
  • बंद नली को सम संनादी देना।
  • आभासी प्रतिबिंब या अपसारी लेंस का ऋण चिह्न छोड़ देना।
  • व्यतिकरण के प्रश्नों में nm, mm और cm को मीटर में बदलना भूल जाना।
  • आसान: v = fλ, डोरी पर तरंगें, ध्वनि स्तर, स्नेल का नियम और किसी पदार्थ में प्रकाश की चाल।
  • मध्यम: डोरी और नलियों में अप्रगामी तरंगें, क्रांतिक कोण, पतले लेंस, डॉप्लर प्रभाव और व्युत्क्रम-वर्ग नियम।
  • कठिन: द्वि-झिरी, झरझरी, एकल झिरी, दर्पण, द्वि-लेंस निकाय, गतिमान वस्तुओं से प्रतिध्वनि और प्रकाशिक तंतु।

ऐप में इसे चरण-दर-चरण सीखेंऐप में इसे चरण-दर-चरण सीखें

हल किए गए उदाहरण

उदाहरण 1आसान
λ = 0.343 mv = ?f = 1 kHz

वायु में ध्वनि तरंग की आवृत्ति 1 kHz है और तरंगदैर्ध्य 0.343 m है। इसकी चाल v ज्ञात करें।

f = 1 kHzλ = 0.343 m

ज्ञात करें: v (m/s)

संकेत दिखाएँ
  1. तरंग एक आवर्तकाल T = 1/f में एक तरंगदैर्ध्य चलती है।
  2. v = fλ.
  3. f = 1000 Hz।
उत्तर और चरण-दर-चरण हल दिखाएँ

तरंगें: आवर्ती तरंग एक आवर्तकाल में एक तरंगदैर्ध्य चलती है, इसलिए v = fλ, जहाँ T = 1/f। तनी हुई डोरी पर v = √(T/μ), जहाँ T तनाव और μ = m/L प्रति मीटर द्रव्यमान है। 20 °C पर वायु में ध्वनि लगभग 343 m/s से चलती है, निर्वात में प्रकाश c = 3.00 × 10⁸ m/s से। प्रबलता लघुगणकीय पैमाने पर मापी जाती है: β = 10·log₁₀(I/I₀) dB, जहाँ I₀ = 10⁻¹² W/m², इसलिए तीव्रता 10 गुनी होने पर 10 dB जुड़ता है। बिंदु स्रोत अपनी शक्ति P को गोले पर फैलाता है: I = P/(4πr²)।

तरंग चाल

v = fλ = 1000·0.343 = 343 m/s

उत्तर

v = 343 m/s
उदाहरण 2मध्यम
L = ?n = 3

दोनों सिरों पर खुली नली का संनादी संख्या 3 686 Hz पर होना चाहिए। ध्वनि की चाल 343 m/s है। नली की लंबाई L ज्ञात करें।

v = 343 m/sn = 3f3 = 686 Hz

ज्ञात करें: L (m)

संकेत दिखाएँ
  1. f = n·v/(2L)।
  2. L के लिए हल करें।
  3. λ = v/f = 0.5 m.
उत्तर और चरण-दर-चरण हल दिखाएँ

अप्रगामी तरंगें और डॉप्लर प्रभाव: दोनों सिरों पर बँधी डोरी, या दोनों सिरों पर खुली नली, में पूरी अर्ध-तरंगदैर्ध्य समाती हैं: L = nλ/2, fn = n·v/(2L), n = 1, 2, 3, … एक सिरे पर बंद नली में बंद सिरे पर निस्पंद और खुले सिरे पर प्रस्पंद होता है: L = nλ/4, केवल विषम n के साथ, fn = n·v/(4L)। जब स्रोत या प्रेक्षक उनके बीच की रेखा के अनुदिश चलते हैं, f′ = f·(v ± vo)/(v ∓ vs): एक-दूसरे की ओर गति के लिए ऊपरी चिह्न उपयोग करें। लगभग समान आवृत्ति की दो तरंगें |f₁ − f₂| पर विस्पंद बनाती हैं।

तरंगदैर्ध्य

λ = v/f = 343/686 = 0.5 m

लंबाई

L = nλ/2 = 3·0.5/2 = 0.75 m

उत्तर

L = 0.75 m
उदाहरण 3कठिन
θa​ = ?n1​ = 1.52n2​ = 1.49n0​ = 1.00

एक प्रकाशिक तंतु का क्रोड n₁ = 1.52 का है और आवरण n₂ = 1.49 का। तंतु अक्ष से वह अधिकतम कोण θa ज्ञात करें जिस पर हवा से आया प्रकाश तंतु के सिरे में प्रवेश कर पूर्ण आंतरिक परावर्तन द्वारा निर्देशित हो सके।

n1 = 1.52n2 = 1.49n0 = 1.00

ज्ञात करें: θa (°)

संकेत दिखाएँ
  1. क्रोड के भीतर किरण को आवरण से कम से कम क्रांतिक कोण पर मिलना चाहिए: sin θc = n₂/n₁।
  2. प्रवेश-फलक पर sin θa = n₁·cos θc = √(n₁² − n₂²) = NA।
  3. n₁² − n₂² = 0.0903.
उत्तर और चरण-दर-चरण हल दिखाएँ

ज्यामितीय प्रकाशिकी: सीमा पर n₁·sin θ₁ = n₂·sin θ₂ (स्नेल का नियम), जहाँ कोण अभिलंब से मापे जाते हैं और n = c/v। धीमे माध्यम में जाने पर किरण अभिलंब की ओर मुड़ती है। सघन माध्यम (n₁ > n₂) से क्रांतिक कोण θc = arcsin(n₂/n₁) से आगे सारा प्रकाश परावर्तित हो जाता है: पूर्ण आंतरिक परावर्तन। पतले लेंस और गोलीय दर्पण 1/f = 1/do + 1/di का पालन करते हैं, आवर्धन m = −di/do के साथ। चिह्न परिपाटी: अभिसारी लेंस और अवतल दर्पण के लिए f > 0 (f = R/2), अपसारी लेंस और उत्तल दर्पण के लिए f < 0; वास्तविक प्रतिबिंब के लिए di > 0, आभासी के लिए di < 0, और उल्टे प्रतिबिंब के लिए m < 0।

आवरण पर क्रांतिक कोण

sin θc = 1.49/1.52 = 0.9803 → θc = 78.6°

संख्यात्मक द्वारक

NA = √(1.52² − 1.49²) = 0.3005

स्वीकृति कोण

θa = arcsin(0.3005) = 17.49°

उत्तर

θa = 17.49°

प्रश्न और उत्तर

तरंगें, ध्वनि और प्रकाशिकी क्या है?

तरंग ऊर्जा को एक स्थान से दूसरे स्थान तक ले जाती है, पदार्थ को साथ ले जाए बिना: माध्यम केवल दोलन करता है। डोरी या जल पर गति अनुप्रस्थ (गति की दिशा के आर-पार) होती है; वायु में ध्वनि अनुदैर्ध्य (उसी दिशा में) होती है।

वायु में ध्वनि लगभग 343 m/s से चलती है, प्रकाश c = 3.00 × 10⁸ m/s से। चाल माध्यम पर निर्भर करती है, आवृत्ति पर नहीं।

तरंगें, ध्वनि और प्रकाशिकी के प्रश्न चरण-दर-चरण कैसे हल करें?
  1. प्रश्न का प्रकार पहचानें: तरंग चाल, ध्वनि स्तर, अप्रगामी तरंग, डॉप्लर, अपवर्तन, लेंस या दर्पण, या व्यतिकरण।
  2. पहले संबंध लिखें: v = fλ, β = 10·log(I/I₀), fₙ = n·v/(2L) या n·v/(4L), f′ = f(v ± vo)/(v ∓ vs), n₁sin θ₁ = n₂sin θ₂, 1/f = 1/d₀ + 1/dᵢ, d·sin θ = mλ।
  3. इकाइयाँ बदलें: nm, mm और cm से m में, और जाँचें कि कोण अभिलंब से मापे गए हैं या नहीं।
  4. चिह्न और औचित्य जाँचें: आभासी प्रतिबिंब का dᵢ < 0 होता है, पास आता स्रोत ऊँचा सुनाई देता है, बंद नली में केवल विषम संनादी होते हैं।
तरंगें, ध्वनि और प्रकाशिकी में आम गलतियाँ क्या हैं?
  • कोण अभिलंब की जगह सतह से मापना।
  • तीव्रताओं के लिए 20·log उपयोग करना या डेसिबल को सीधे जोड़ना।
  • डॉप्लर सूत्र के अंश में स्रोत की चाल रखना।
  • अपसारी लेंस और उत्तल दर्पण के लिए चिह्न परिपाटी छोड़ देना।
  • झरझरी की उच्चतम कोटि को नीचे की ओर पूर्णांकित करने की जगह निकटतम पूर्णांक तक पूर्णांकित करना।
तरंगें, ध्वनि और प्रकाशिकी के अभ्यास में क्या शामिल है?
  • आसान: तरंग चाल, ध्वनि स्तर और अपवर्तन
  • मध्यम: अप्रगामी तरंगें, लेंस और डॉप्लर
  • कठिन: व्यतिकरण, झरझरी, दर्पण और तंतु

हर प्रश्न में नए मान होते हैं, इसलिए आप उत्तर नहीं बल्कि विधि सीखते हैं। अटक गए? पहले एक छोटा संकेत खोलें, और पूरी व्याख्या तभी जब ज़रूरत हो।

अभ्यास कैसे काम करता है

  • हर प्रश्न में नए मान होते हैं, इसलिए आप उत्तर नहीं बल्कि विधि सीखते हैं।
  • अटक गए? पहले एक छोटा संकेत खोलें, और पूरी व्याख्या तभी जब ज़रूरत हो।
  • आपकी प्रगति, गलतियाँ और सहेजे गए प्रश्न रखे जाते हैं, ताकि आप परीक्षा से पहले दोहरा सकें।

इससे पहले और बाद के विषय

पहले सीखें

इस विषय वाले कोर्स

भौतिकी में और विषय

प्रिंट करने योग्य वर्कशीट