Gelombang, bunyi & optik: soalan latihan dengan penyelesaian langkah demi langkah

Soalan latihan Gelombang, bunyi & optik percuma dengan rajah, petunjuk dan penyelesaian lengkap. Nilai baharu setiap kali, pada tiga tahap: laju gelombang, aras bunyi dan pembiasan, gelombang pegun, kanta dan Doppler, interferens, parut, cermin dan gentian.

Soalan latihan percumaMudah
λ = ?

Cahaya dengan panjang gelombang 650 nm dalam vakum memasuki air (n = 1.33). Cari panjang gelombangnya λ di dalam bahan itu.

n = 1.33λ0 = 650 nm
nm
Soalan seterusnya →

Apa yang anda latih

  1. Mudahlaju gelombang, aras bunyi dan pembiasan
  2. Sederhanagelombang pegun, kanta dan Doppler
  3. Sukarinterferens, parut, cermin dan gentian

Cara menyelesaikan soalan Gelombang, bunyi & optik

  1. Kenal pasti jenis masalah: laju gelombang, aras bunyi, gelombang pegun, Doppler, pembiasan, kanta atau cermin, atau interferens.
  2. 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.
  3. Tukar unit: nm, mm dan cm kepada m, dan semak sama ada sudut diukur dari normal.
  4. Semak tanda dan kemunasabahan: imej maya mempunyai dᵢ < 0, sumber yang menghampiri kedengaran lebih tinggi, paip tertutup hanya mempunyai harmonik ganjil.

Kesilapan lazim

  • Mengukur sudut dari permukaan dan bukan normal.
  • Menggunakan 20·log untuk keamatan atau menambah desibel secara langsung.
  • Meletakkan laju sumber pada pengangka rumus Doppler.
  • Meninggalkan sistem tanda untuk kanta mencapah dan cermin cembung.
  • Membundarkan peringkat parut tertinggi kepada nombor bulat terdekat dan bukan ke bawah.

Formula utama

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

Pelajari Gelombang, bunyi & optik dari awal

Sebelum ini: Spring & bandul

1Apakah gelombang

Gelombang membawa tenaga dari satu tempat ke tempat lain tanpa membawa jirim bersama: medium hanya berayun. Pada tali atau air, gerakannya melintang (merentasi arah perjalanan); bunyi di udara ialah membujur (sepanjang arah itu).

λAv = fλ

Panjang gelombang λ ialah panjang satu kitar penuh, tempoh T ialah masa satu kitar, dan frekuensi f = 1/T. Dalam satu tempoh, gelombang bergerak sejauh satu panjang gelombang, maka:

v = fλ tali: v = √(T/μ), μ = m/L

Bunyi di udara bergerak pada kira-kira 343 m/s, cahaya pada c = 3.00 × 10⁸ m/s. Lajunya bergantung pada medium, bukan pada frekuensi.

Semakan kendiri Bunyi 686 Hz bergerak pada 343 m/s. Berapakah panjang gelombangnya?
  1. 0.002 m
  2. 0.5 m
  3. 2 m
  4. 235 000 m

Jawapan: 0.5 m. λ = v/f = 343/686 = 0.5 m. Membahagi dengan cara sebaliknya memberi 2 m, dan mendarab memberi nombor yang sangat besar.

2Aras bunyi dan kesan Doppler

Telinga kita bertindak balas terhadap keamatan I (W/m²) pada skala logaritma, maka kekuatan bunyi diberi dalam desibel:

β = 10·log₁₀(I/I₀) I₀ = 10⁻¹² W/m²

Keamatan sepuluh kali ganda menambah 10 dB; dua sumber serupa menambah kira-kira 3 dB. Sumber kecil menyebarkan kuasanya merentasi sfera, I = P/(4πr²), maka jarak berganda dua menurunkan aras kira-kira 6 dB.

Apabila sumber dan pendengar menghampiri satu sama lain, nada meningkat; apabila bergerak menjauhi, nada menurun (kesan Doppler):

f′ = f·(v ± vo)/(v ∓ vs)

Gunakan tanda atas untuk gerakan saling menghampiri. Laju pendengar diletakkan pada pengangka, laju sumber pada penyebut.

3Gelombang pegun

Gelombang yang dipantulkan pada kedua-dua hujung tali berinterferens menjadi gelombang pegun. Tali yang tetap pada kedua-dua hujung mempunyai nod pada hujung dan memuatkan separuh panjang gelombang yang bulat:

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

Paip terbuka pada kedua-dua hujung mengikut peraturan yang sama. Paip tertutup pada satu hujung mempunyai nod pada hujung tertutup dan antinod pada hujung terbuka, maka hanya harmonik ganjil yang muat: fₙ = n·v/(4L) dengan n = 1, 3, 5, …

Semakan kendiri Paip tertutup pada satu hujung mempunyai asas pada 100 Hz. Frekuensi manakah antara berikut yang juga boleh dihasilkannya?
  1. 150 Hz
  2. 200 Hz
  3. 300 Hz
  4. 50 Hz

Jawapan: 300 Hz. Paip tertutup hanya mempunyai harmonik ganjil: 100, 300, 500 Hz, … 200 Hz memerlukan n = 2, yang tidak dapat dimuatkan oleh paip tertutup.

4Pembiasan dan kanta

Cahaya diperlahankan dalam kaca atau air dengan faktor n = c/v (indeks biasan). Pada sempadan, sinar berubah arah (hukum Snell), dengan sudut diukur dari normal:

θ₁θ₂n₁n₂ > n₁
n₁·sin θ₁ = n₂·sin θ₂ sudut genting: sin θc = n₂/n₁

Dari medium tumpat ke medium kurang tumpat melepasi θc, semua cahaya dipantulkan (pantulan dalam penuh). Gentian optik memandu cahaya dengan cara ini.

FFd₀dᵢ

Kanta nipis dan cermin melengkung mematuhi satu persamaan, dengan pembesaran m = −dᵢ/d₀:

1/f = 1/d₀ + 1/dᵢ

Tanda: f > 0 untuk kanta menumpu dan cermin cekung (f = R/2), f < 0 untuk kanta mencapah dan cermin cembung. dᵢ positif ialah imej nyata, dᵢ negatif ialah imej maya; m < 0 bermaksud imej songsang.

5Interferens dan pembelauan

Cahaya daripada dua celah sempit berjarak d bertindih pada skrin berjarak L. Di tempat beza lintasan d·sin θ ialah gandaan penuh panjang gelombang, gelombang bertambah: frinj cerah.

d·sin θ = mλ yₘ = mλL/d Δy = λL/d

Parut pembelauan mempunyai banyak celah: N garisan per mm bermaksud d = 1/N mm. Maksimumnya tajam dan berjauhan, dan peringkat tertinggi ialah nombor bulat m terbesar dengan m ≤ d/λ. Celah tunggal berlebar a mempunyai frinj gelap pada a·sin θ = mλ, maka maksimum tengahnya selebar 2λL/a.

6Contoh terselesai

Ikuti setiap langkah. Cuba ramalkan langkah seterusnya sebelum anda membukanya.

Contoh terselesai

Sebuah objek berdiri 30 cm di hadapan kanta menumpu dengan f = 10 cm. Cari jarak imej dan pembesaran.

1

Persamaan kanta

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

Maka dᵢ = 15 cm.

2

Sifat imej

dᵢ positif, maka imej adalah nyata: ia terbentuk di sebelah kanta yang jauh dan boleh ditangkap pada skrin.

3

Pembesaran

m = −dᵢ/d₀ = −15/30 = −0.5

Imej itu songsang dan separuh saiz objek.

4

Semak dengan lakaran

Sinar selari dengan paksi membengkok melalui F di sebelah yang jauh; sinar melalui pusat terus lurus. Kedua-duanya bersilang 15 cm di belakang kanta, di bawah paksi.

Jawapan

dᵢ = 15 cm dan m = −0.5: imej nyata, songsang dan separuh saiz.

Semakan kendiri Sebuah objek berada 5 cm di hadapan kanta menumpu dengan f = 10 cm. Imej jenis apakah yang terbentuk?
  1. Maya dan tegak, di sebelah yang sama dengan objek
  2. Nyata dan songsang, di sebelah yang jauh
  3. Nyata dan tegak, di sebelah yang sama
  4. Tiada imej: sinar keluar secara selari

Jawapan: Maya dan tegak, di sebelah yang sama dengan objek. 1/dᵢ = 1/10 − 1/5 = −1/10, maka dᵢ = −10 cm: jarak imej negatif bermaksud imej maya, dan m = +2 bermaksud tegak dan dibesarkan. Beginilah cara kanta pembesar berfungsi.

7Kesilapan lazim dan soalan peperiksaan

  • Mengukur sudut dari permukaan dan bukan dari normal.
  • Menggunakan 10·log untuk amplitud atau 20·log untuk keamatan: keamatan menggunakan 10·log.
  • Memberi harmonik genap kepada paip tertutup.
  • Meninggalkan tanda tolak bagi imej maya atau kanta mencapah.
  • Terlupa menukar nm, mm dan cm kepada meter dalam soalan interferens.
  • Mudah: v = fλ, gelombang pada tali, aras bunyi, hukum Snell dan laju cahaya dalam sesuatu bahan.
  • Sederhana: gelombang pegun pada tali dan dalam paip, sudut genting, kanta nipis, kesan Doppler dan hukum songsang kuasa dua.
  • Sukar: celah ganda dua, parut, celah tunggal, cermin, sistem dua kanta, gema daripada objek bergerak dan gentian optik.

Belajar langkah demi langkah dalam aplikasiBelajar langkah demi langkah dalam aplikasi

Contoh penyelesaian

Contoh 1Mudah
λ = 0.343 mv = ?f = 1 kHz

Gelombang bunyi di udara mempunyai frekuensi 1 kHz dan panjang gelombang 0.343 m. Cari lajunya v.

f = 1 kHzλ = 0.343 m

Cari nilai v (m/s)

Tunjukkan petunjuk
  1. Gelombang bergerak sejauh satu panjang gelombang dalam satu tempoh T = 1/f.
  2. v = fλ.
  3. f = 1000 Hz.
Tunjukkan jawapan dan penyelesaian langkah demi langkah

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).

Laju gelombang

v = fλ = 1000·0.343 = 343 m/s

Jawapan

v = 343 m/s
Contoh 2Sederhana
L = ?n = 3

Paip terbuka pada kedua-dua hujung mesti mempunyai harmonik nombor 3 pada 686 Hz. Laju bunyi ialah 343 m/s. Cari panjang L paip itu.

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

Cari nilai L (m)

Tunjukkan petunjuk
  1. f = n·v/(2L).
  2. Selesaikan untuk L.
  3. λ = v/f = 0.5 m.
Tunjukkan jawapan dan penyelesaian langkah demi langkah

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|.

Panjang gelombang

λ = v/f = 343/686 = 0.5 m

Panjang

L = nλ/2 = 3·0.5/2 = 0.75 m

Jawapan

L = 0.75 m
Contoh 3Sukar
θa​ = ?n1​ = 1.52n2​ = 1.49n0​ = 1.00

Gentian optik mempunyai teras dengan n₁ = 1.52 dan sarung dengan n₂ = 1.49. Cari sudut terbesar θa kepada paksi gentian yang membolehkan cahaya dari udara memasuki hujung gentian dan masih dipandu oleh pantulan dalam penuh.

n1 = 1.52n2 = 1.49n0 = 1.00

Cari nilai θa (°)

Tunjukkan petunjuk
  1. Di dalam teras, sinar mesti bertemu sarung sekurang-kurangnya pada sudut genting: sin θc = n₂/n₁.
  2. Pada muka masuk, sin θa = n₁·cos θc = √(n₁² − n₂²) = NA.
  3. n₁² − n₂² = 0.0903.
Tunjukkan jawapan dan penyelesaian langkah demi langkah

Optik geometri: pada sempadan, n₁·sin θ₁ = n₂·sin θ₂ (hukum Snell), dengan sudut diukur dari normal dan n = c/v. Apabila memasuki medium yang lebih perlahan, sinar membengkok ke arah normal. Dari medium yang lebih tumpat (n₁ > n₂) melepasi sudut genting θc = arcsin(n₂/n₁), semua cahaya dipantulkan: pantulan dalam penuh. Kanta nipis dan cermin sfera mematuhi 1/f = 1/do + 1/di dengan pembesaran m = −di/do. Sistem tanda: f > 0 untuk kanta menumpu dan cermin cekung (f = R/2), f < 0 untuk kanta mencapah dan cermin cembung; di > 0 untuk imej nyata, di < 0 untuk imej maya, dan m < 0 untuk imej songsang.

Sudut genting pada sarung

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

Apertur berangka

NA = √(1.52² − 1.49²) = 0.3005

Sudut penerimaan

θa = arcsin(0.3005) = 17.49°

Jawapan

θa = 17.49°

Soalan dan jawapan

Apakah Gelombang, bunyi & optik?

Gelombang membawa tenaga dari satu tempat ke tempat lain tanpa membawa jirim bersama: medium hanya berayun. Pada tali atau air, gerakannya melintang (merentasi arah perjalanan); bunyi di udara ialah membujur (sepanjang arah itu).

Bunyi di udara bergerak pada kira-kira 343 m/s, cahaya pada c = 3.00 × 10⁸ m/s. Lajunya bergantung pada medium, bukan pada frekuensi.

Bagaimanakah saya menyelesaikan soalan Gelombang, bunyi & optik langkah demi langkah?
  1. Kenal pasti jenis masalah: laju gelombang, aras bunyi, gelombang pegun, Doppler, pembiasan, kanta atau cermin, atau interferens.
  2. 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.
  3. Tukar unit: nm, mm dan cm kepada m, dan semak sama ada sudut diukur dari normal.
  4. Semak tanda dan kemunasabahan: imej maya mempunyai dᵢ < 0, sumber yang menghampiri kedengaran lebih tinggi, paip tertutup hanya mempunyai harmonik ganjil.
Apakah kesilapan lazim dalam Gelombang, bunyi & optik?
  • Mengukur sudut dari permukaan dan bukan normal.
  • Menggunakan 20·log untuk keamatan atau menambah desibel secara langsung.
  • Meletakkan laju sumber pada pengangka rumus Doppler.
  • Meninggalkan sistem tanda untuk kanta mencapah dan cermin cembung.
  • Membundarkan peringkat parut tertinggi kepada nombor bulat terdekat dan bukan ke bawah.
Apakah yang diliputi oleh latihan Gelombang, bunyi & optik?
  • Mudah: laju gelombang, aras bunyi dan pembiasan
  • Sederhana: gelombang pegun, kanta dan Doppler
  • Sukar: interferens, parut, cermin dan gentian

Setiap soalan mempunyai nilai baharu, jadi anda mempelajari kaedah dan bukannya jawapan. Buntu? Buka petunjuk kecil dahulu, dan penerangan penuh hanya apabila anda memerlukannya.

Cara latihan berfungsi

  • Setiap soalan mempunyai nilai baharu, jadi anda mempelajari kaedah dan bukannya jawapan.
  • Buntu? Buka petunjuk kecil dahulu, dan penerangan penuh hanya apabila anda memerlukannya.
  • Kemajuan, kesilapan dan soalan tersimpan anda dikekalkan, jadi anda boleh menyemak sebelum peperiksaan.

Topik sebelum dan selepas topik ini

Pelajari dahulu

Kursus dengan topik ini

Lebih banyak topik dalam Fizik

Lembaran kerja boleh cetak