Spring & bandul
- Jisim pada spring
- T = 2π·√(m/k)
- Bandul
- T = 2π·√(L/g)
- Frekuensi sudut
- ω = √(k/m) = 2π/T
- Laju dan pecutan maksimum
- vmax = A·ω, amax = A·ω²
- Tenaga
- E = ½·k·A²
Gelombang dan Optik: pek ulang kaji kilat
Lembaran formula, langkah kaedah utama untuk setiap topik dan 4 soalan latihan, dengan penyelesaian penuh di bahagian belakang.
1Formula dan kaedah
Gelombang, bunyi & optik
- Laju gelombang
- v = fλ, T = 1/f
- Tali
- v = √(T/μ), μ = m/L
- Aras bunyi
- β = 10·log10(I/I0), I0 = 10⁻¹² W/m²
- Sumber titik
- I = P/(4πr²)
- Gelombang pegun
- tali atau paip terbuka fn = n·v/(2L); paip tertutup fn = n·v/(4L), n ganjil
- Kesan Doppler
- f′ = f·(v ± vo)/(v ∓ vs)
- Indeks biasan
- n = c/v, λ = λ0/n
- Hukum Snell
- n1sin θ1 = n2sin θ2
- Sudut genting
- sin θc = n2/n1
- Gentian optik
- NA = sin θa = √(n1² − n2²)
- Kanta dan cermin
- 1/f = 1/do + 1/di, m = −di/do, mirror f = R/2
- Celah ganda dua
- d·sin θ = mλ, ym = mλL/d
- Parut
- d = 1/N, d·sin θ = mλ, mmax ≤ d/λ
- Celah tunggal
- a·sin θ = mλ (dark), w = 2λL/a
Kaedah
- Kenal pasti jenis masalah: laju gelombang, aras bunyi, gelombang pegun, Doppler, pembiasan, kanta atau cermin, atau interferens.
- Tulis hubungan dahulu: 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.
- Tukar unit: nm, mm dan cm kepada m, dan semak sama ada sudut diukur dari normal.
- Semak tanda dan kemunasabahan: imej maya mempunyai dᵢ < 0, sumber yang menghampiri kedengaran lebih tinggi, paip tertutup hanya mempunyai harmonik ganjil.
2Soalan latihan
1.Spring & bandulSederhana
Berapa panjangkah bandul ringkas mesti supaya mempunyai tempoh 2.1 s? Gunakan g = 9.81 m/s². Cari L.
T = 2.1 sg = 9.81 m/s²
L = m
2.Spring & bandulSukar
Jisim pada spring dengan k = 390 N/m berayun pada permukaan tanpa geseran dengan amplitud 7 cm. Cari tenaga kinetiknya K apabila ia berada 4 cm dari keseimbangan.
k = 390 N/mA = 7 cmx = 4 cm
K = J
3.Gelombang, bunyi & optikSederhana
Sumber kecil menghantar bunyi sama rata ke semua arah. Aras bunyi ialah 75 dB pada jarak 1 m daripadanya. Cari aras β2 pada 2 m, dengan mengabaikan penyerapan dan pantulan.
β1 = 75 dBr1 = 1 mr2 = 2 m
β2 = dB
4.Gelombang, bunyi & optikSukar
Penderia pegun menghantar ultrabunyi 30 kHz ke arah kereta yang menghampiri pada 5 m/s dan mencampurkan gema dengan isyarat yang dipancarkan. Cari frekuensi dentuman fb (laju bunyi 343 m/s).
f = 30 kHzu = 5 m/sv = 343 m/s
fb = Hz
3Larutan
1.Spring & bandul
Jawapan: L = 1.096 m
Gerakan harmonik ringkas: jisim m pada spring berkekakuan k berayun dengan frekuensi sudut ω = √(k/m) dan tempoh T = 2π/ω = 2π·√(m/k). Bandul ringkas sepanjang L mempunyai T = 2π·√(L/g). Dengan amplitud A, laju terbesar ialah A·ω, pecutan terbesar A·ω² dan tenaga ½·k·A².
Selesaikan untuk panjang
L = g·(T/2π)² = 9.81·(2.1/2π)² = 1.096 m
Jawapan
L = 1.096 m
2.Spring & bandul
Jawapan: K = 0.6435 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.
Jumlah tenaga
E = ½·k·A² = ½·390·0.07² = 0.9555 J
Tenaga spring pada x
U = ½·k·x² = ½·390·0.04² = 0.312 J
Tenaga kinetik
K = 0.9555 − 0.312 = 0.6435 J
Jawapan
K = 0.6435 J
3.Gelombang, bunyi & optik
Jawapan: β2 = 68.98 dB
Gelombang: gelombang berkala bergerak sejauh satu panjang gelombang dalam satu tempoh, maka v = fλ dengan T = 1/f. Pada tali yang tegang v = √(T/μ), dengan T ialah tegangan dan μ = m/L ialah jisim per meter. Bunyi di udara bergerak pada kira-kira 343 m/s pada 20 °C, cahaya dalam vakum pada c = 3.00 × 10⁸ m/s. Kekuatan bunyi diukur pada skala logaritma: β = 10·log₁₀(I/I₀) dB dengan I₀ = 10⁻¹² W/m², maka keamatan 10 kali ganda menambah 10 dB. Sumber titik menyebarkan kuasanya P merentasi sfera: I = P/(4πr²).
Nisbah keamatan
I₂/I₁ = (1/2)² = 0.25
Aras baharu
β₂ = 75 + 10·log₁₀(0.25) = 68.98 dB
Jawapan
β2 = 68.98 dB
Setiap kali jarak berganda dua, aras menurun kira-kira 6 dB.
4.Gelombang, bunyi & optik
Jawapan: fb = 887.6 Hz
Gelombang pegun dan kesan Doppler: tali yang tetap pada kedua-dua hujung, atau paip yang terbuka pada kedua-dua hujung, memuatkan separuh panjang gelombang yang bulat: L = nλ/2, fn = n·v/(2L), n = 1, 2, 3, … Paip tertutup pada satu hujung mempunyai nod pada hujung tertutup dan antinod pada hujung terbuka: L = nλ/4 dengan n ganjil sahaja, fn = n·v/(4L). Apabila sumber atau pemerhati bergerak sepanjang garis antara keduanya, f′ = f·(v ± vo)/(v ∓ vs): gunakan tanda atas untuk gerakan saling menghampiri. Dua gelombang berfrekuensi hampir sama menghasilkan dentuman pada |f₁ − f₂|.
Frekuensi pada kereta
f′ = 30000·(343 + 5)/343 = 30437 Hz
Frekuensi gema
f″ = f′·343/(343 − 5) = 30888 Hz
Frekuensi dentuman
fb = |f″ − f| = 887.6 Hz
Jawapan
fb = 887.6 Hz
ExamProblems · examproblems.com/courses/waves-and-optics