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
3,4 kgk = 320 N/mA = 12 cmx = 4 cm

Massa 3,4 kg pada pegas dengan k = 320 N/m berosilasi di permukaan tanpa gesekan dengan amplitudo 12 cm. Cari kelajuannya v ketika berada 4 cm dari kesetimbangan.

m = 3,4 kgk = 320 N/mA = 12 cmx = 4 cm
v = m/s
2.Pegas & bandulSulit
t (s)x (cm)t = ?6

Sebuah benda bergerak harmonik sederhana dengan periode 1,1 s dan amplitudo 15 cm. Berapa waktu tersingkat t yang diperlukan untuk bergerak dari kesetimbangan ke simpangan 6 cm?

T = 1,1 sA = 15 cmx = 6 cm
t = s
3.Gelombang, bunyi & optikaSedang
L = 0,5 mn = 5

Tali yang terikat di kedua ujungnya panjangnya 0,5 m; gelombang merambat padanya dengan kelajuan 80 m/s. Carilah frekuensi f5 untuk harmonik ke-5.

v = 80 m/sn = 5L = 0,5 m
f5 = Hz
4.Gelombang, bunyi & optikaSulit
θa​ = ?n1​ = 1,48n2​ = 1,43n0​ = 1,00

Serat optik memiliki inti dengan n₁ = 1,48 dan selubung dengan n₂ = 1,43. Carilah sudut terbesar θa terhadap sumbu serat tempat cahaya dari udara dapat masuk ke ujung serat dan tetap dipandu oleh pemantulan dalam sempurna.

n1 = 1,48n2 = 1,43n0 = 1,00
θa = °

3Larutan

1.Pegas & bandul

Jawaban: v = 1,098 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.

Frekuensi sudut

ω = √(320/3,4) = 9,701 rad/s

Kelajuan di x

v = ω·√(A² − x²) = 9,701·√(0,12² − 0,04²) = 1,098 m/s

Jawaban

v = 1,098 m/s
2.Pegas & bandul

Jawaban: t = 0,07204 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.

Frekuensi sudut

ω = 2π/T = 2π/1,1 = 5,712 rad/s

Selesaikan untuk waktu

0,4 = sin(ω·t) → ω·t = arcsin(0,4) = 0,4115 rad
t = 0,4115/5,712 = 0,07204 s

Jawaban

t = 0,07204 s
3.Gelombang, bunyi & optika

Jawaban: f5 = 400 Hz

Gelombang berdiri dan efek Doppler: tali yang terikat di kedua ujungnya, atau pipa terbuka di kedua ujungnya, memuat setengah panjang gelombang bulat: L = nλ/2, fn = n·v/(2L), n = 1, 2, 3, … Pipa tertutup di satu ujung memiliki simpul di ujung tertutup dan perut di ujung terbuka: L = nλ/4 dengan n ganjil saja, fn = n·v/(4L). Ketika sumber atau pengamat bergerak sepanjang garis di antara keduanya, f′ = f·(v ± vo)/(v ∓ vs): pakai tanda atas untuk gerak saling mendekat. Dua gelombang dengan frekuensi hampir sama berpelayangan pada |f₁ − f₂|.

Panjang gelombang mode ini

λ = 2L/n = 2·0,5/5 = 0,2 m

Frekuensi

f = v/λ = 80/0,2 = 400 Hz

Jawaban

f5 = 400 Hz
4.Gelombang, bunyi & optika

Jawaban: θa = 22,42 °

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.

Sudut kritis pada selubung

sin θc = 1,43/1,48 = 0,9662 → θc = 75,06°

Apertur numerik

NA = √(1,48² − 1,43²) = 0,3814

Sudut penerimaan

θa = arcsin(0,3814) = 22,42°

Jawaban

θa = 22,42°

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