Gelombang dan Optika: paket kilat

Lembar rumus, langkah-langkah metode utama untuk setiap topik, dan 4 soal latihan, dengan pembahasan lengkap di bagian belakang.

Soal baruKembali ke mata kuliah

Di jendela cetak, pilih “Simpan sebagai PDF” untuk menyimpan salinan di perangkat Anda.

1Rumus dan metode

Pegas & bandul

Massa pada pegas
T = 2π·√(m/k)
Bandul
T = 2π·√(L/g)
Frekuensi sudut
ω = √(k/m) = 2π/T
Kelajuan dan percepatan maksimum
vmax = A·ω, amax = A·ω²
Energi
E = ½·k·A²

Gelombang, bunyi & optika

Kelajuan gelombang
v = fλ, T = 1/f
Tali
v = √(T/μ), μ = m/L
Tingkat bunyi
β = 10·log10(I/I0), I0 = 10⁻¹² W/m²
Sumber titik
I = P/(4πr²)
Gelombang berdiri
tali atau pipa terbuka fn = n·v/(2L); pipa tertutup fn = n·v/(4L), n ganjil
Efek Doppler
f′ = f·(v ± vo)/(v ∓ vs)
Indeks bias
n = c/v, λ = λ0/n
Hukum Snell
n1sin θ1 = n2sin θ2
Sudut kritis
sin θc = n2/n1
Serat optik
NA = sin θa = √(n1² − n2²)
Lensa dan cermin
1/f = 1/do + 1/di, m = −di/do, mirror f = R/2
Celah ganda
d·sin θ = mλ, ym = mλL/d
Kisi
d = 1/N, d·sin θ = mλ, mmax ≤ d/λ
Celah tunggal
a·sin θ = mλ (dark), w = 2λL/a

Metode

  1. Kenali jenis soalnya: kelajuan gelombang, tingkat bunyi, gelombang berdiri, Doppler, pembiasan, lensa atau cermin, atau interferensi.
  2. Tulis dulu hubungannya: v = fλ, β = 10·log(I/I₀), fₙ = n·v/(2L) atau n·v/(4L), f′ = f(v ± vo)/(v ∓ vs), n₁sin θ₁ = n₂sin θ₂, 1/f = 1/d₀ + 1/dᵢ, d·sin θ = mλ.
  3. Ubah satuan: nm, mm, dan cm ke m, dan periksa apakah sudut diukur dari garis normal.
  4. Periksa tanda dan kewajaran: bayangan maya memiliki dᵢ < 0, sumber yang mendekat terdengar lebih tinggi, pipa tertutup hanya memiliki harmonik ganjil.

2Soal latihan

1.Pegas & bandulSedang
L = 0,6 mT = 0,98 s

Seorang astronaut di planet lain mendapati bahwa bandul sederhana sepanjang 0,6 m memiliki periode 0,98 s untuk ayunan kecil. Cari percepatan gravitasi g di planet itu.

L = 0,6 mT = 0,98 s
g = m/s²
2.Pegas & bandulSulit
0,3 kgk = 400 N/mA = 16 cm

Sebuah massa 0,3 kg pada pegas dengan k = 400 N/m ditarik 16 cm dari posisi setimbang lalu dilepaskan. Cari percepatan maksimumnya amax.

m = 0,3 kgk = 400 N/mA = 16 cm
amax = m/s²
3.Gelombang, bunyi & optikaSedang
θc = ?90°intan, n1​ = 2,42kaca flinta, n2​ = 1,62

Cahaya merambat di intan (n = 2,42) menuju batas datar dengan kaca flinta (n = 1,62). Carilah sudut kritis θc yang melebihinya cahaya dipantulkan sempurna.

n1 = 2,42n2 = 1,62
θc = °
4.Gelombang, bunyi & optikaSulit
λ = ?39,7°

Kisi dengan 1200 garis per milimeter menunjukkan maksimum orde ke-1 dari suatu garis spektrum pada 39,7° dari arah lurus. Carilah panjang gelombang λ garis itu.

N = 1200 mm⁻¹θ1 = 39,7°m = 1
λ = nm

3Larutan

1.Pegas & bandul

Jawaban: g = 24,66 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.

Selesaikan untuk g

g = 4π²·L/T² = 4π²·0,6/0,98² = 24,66 m/s²

Jawaban

g = 24,66 m/s²
2.Pegas & bandul

Jawaban: amax = 213,3 m/s²

Gerak harmonik sederhana: massa m pada pegas dengan kekakuan k berosilasi dengan frekuensi sudut ω = √(k/m) dan periode T = 2π/ω = 2π·√(m/k). Bandul sederhana dengan panjang L memiliki T = 2π·√(L/g). Dengan amplitudo A, kelajuan terbesar adalah A·ω, percepatan terbesar A·ω², dan energinya ½·k·A².

Frekuensi sudut

ω = √(400/0,3) = 36,51 rad/s

Percepatan maksimum

amax = A·ω² = 0,16·36,51² = 213,3 m/s²

Jawaban

amax = 213,3 m/s²
3.Gelombang, bunyi & optika

Jawaban: θc = 42,02 °

Optika geometri: pada batas dua medium, n₁·sin θ₁ = n₂·sin θ₂ (hukum Snell), dengan sudut diukur dari garis normal dan n = c/v. Memasuki medium yang lebih lambat, sinar membelok mendekati normal. Dari medium yang lebih rapat (n₁ > n₂) melewati sudut kritis θc = arcsin(n₂/n₁) semua cahaya dipantulkan: pemantulan dalam sempurna. Lensa tipis dan cermin bola mengikuti 1/f = 1/do + 1/di dengan perbesaran m = −di/do. Konvensi tanda: f > 0 untuk lensa cembung dan cermin cekung (f = R/2), f < 0 untuk lensa cekung dan cermin cembung; di > 0 untuk bayangan nyata, di < 0 untuk bayangan maya, dan m < 0 untuk bayangan terbalik.

Pembiasan pada 90°

sin θc = n₂/n₁ = 1,62/2,42 = 0,6694

Sudut kritis

θc = arcsin(0,6694) = 42,02°

Jawaban

θc = 42,02°
4.Gelombang, bunyi & optika

Jawaban: λ = 532,3 nm

Interferensi dan difraksi: cahaya dari dua celah berjarak d mencapai suatu titik pada layar dengan selisih lintasan d·sin θ. Pita terang muncul di tempat d·sin θ = mλ (m = 0, ±1, ±2, …). Untuk layar berjarak L ≫ d, pita terang ke-m berada pada y = mλL/d dan jarak antar pita adalah Δy = λL/d. Kisi dengan N garis per milimeter memiliki d = 1/N dan maksimum tajam pada d·sin θ = mλ; karena sin θ ≤ 1, orde tertinggi adalah bilangan bulat terbesar m ≤ d/λ. Celah tunggal selebar a memiliki pita gelap pada a·sin θ = mλ, m = ±1, ±2, …

Panjang gelombang

λ = d·sin θ/m = 8,333 × 10⁻⁷·sin 39,7°/1 = 532,3 nm

Jawaban

λ = 532,3 nm

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