Veren en slingers
- Massa aan een veer
- T = 2π·√(m/k)
- Slinger
- T = 2π·√(L/g)
- Hoekfrequentie
- ω = √(k/m) = 2π/T
- Maximale snelheid en versnelling
- vmax = A·ω, amax = A·ω²
- Energie
- E = ½·k·A²
Golven en optica: samenvattingspakket
Formuleoverzichten, de belangrijkste methodestappen voor elk onderwerp en 4 oefenopgaven, met volledige oplossingen achterin.
1Formules en methoden
Golven, geluid & optica
- Golfsnelheid
- v = fλ, T = 1/f
- Snaar
- v = √(T/μ), μ = m/L
- Geluidsniveau
- β = 10·log10(I/I0), I0 = 10⁻¹² W/m²
- Puntbron
- I = P/(4πr²)
- Staande golven
- snaar of aan beide kanten open buis fn = n·v/(2L); aan één kant gesloten buis fn = n·v/(4L), n oneven
- Dopplereffect
- f′ = f·(v ± vo)/(v ∓ vs)
- Brekingsindex
- n = c/v, λ = λ0/n
- Wet van Snellius
- n1sin θ1 = n2sin θ2
- Kritieke hoek
- sin θc = n2/n1
- Glasvezel
- NA = sin θa = √(n1² − n2²)
- Lenzen en spiegels
- 1/f = 1/do + 1/di, m = −di/do, mirror f = R/2
- Dubbele spleet
- d·sin θ = mλ, ym = mλL/d
- Tralie
- d = 1/N, d·sin θ = mλ, mmax ≤ d/λ
- Enkele spleet
- a·sin θ = mλ (dark), w = 2λL/a
Methode
- Bepaal het soort opgave: golfsnelheid, geluidsniveau, staande golf, Doppler, breking, lens of spiegel, of interferentie.
- Schrijf eerst de formule op: v = fλ, β = 10·log(I/I₀), fₙ = n·v/(2L) of n·v/(4L), f′ = f(v ± vo)/(v ∓ vs), n₁sin θ₁ = n₂sin θ₂, 1/f = 1/d₀ + 1/dᵢ, d·sin θ = mλ.
- Reken eenheden om: nm, mm en cm naar m, en controleer of hoeken vanaf de normaal worden gemeten.
- Controleer tekens en aannemelijkheid: een virtueel beeld heeft dᵢ < 0, een naderende bron klinkt hoger, een aan één kant gesloten buis heeft alleen oneven harmonischen.
2Oefenopgaven
1.Veren en slingersGemiddeld
Een massa van 1,1 kg aan een veer met k = 70 N/m trilt op een wrijvingsloos oppervlak met een amplitude van 16 cm. Vind de snelheid v als de massa 2 cm van de evenwichtsstand is.
m = 1,1 kgk = 70 N/mA = 16 cmx = 2 cm
v = m/s
2.Veren en slingersMoeilijk
Een massa van 1 kg wordt aan het onderste uiteinde van een onbelaste verticale veer met k = 250 N/m gehangen en vanuit rust losgelaten. Gebruik g = 9,81 m/s². Vind de grootste snelheid vmax van de massa.
m = 1 kgk = 250 N/mg = 9,81 m/s²
vmax = m/s
3.Golven, geluid & opticaGemiddeld
Een kleine luidspreker straalt 2 W geluidsvermogen gelijkmatig in alle richtingen uit. Bepaal het geluidsniveau β op 10 m.
P = 2 Wr = 10 mI0 = 10⁻¹² W/m²
β = dB
4.Golven, geluid & opticaMoeilijk
Twee dunne lenzen delen een as, 40 cm van elkaar: lens 1 met f₁ = 12 cm en lens 2 met f₂ = 12 cm. Een voorwerp staat 20 cm voor lens 1. Bepaal de positie di2 van het uiteindelijke beeld gemeten vanaf lens 2 (positief voorbij lens 2, reëel-is-positief-conventie).
f1 = 12 cmf2 = 12 cms = 40 cmdo = 20 cm
di2 = cm
3Oplossingen
1.Veren en slingers
Antwoord: v = 1,266 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.
Hoekfrequentie
ω = √(70/1,1) = 7,977 rad/s
Snelheid bij x
v = ω·√(A² − x²) = 7,977·√(0,16² − 0,02²) = 1,266 m/s
Antwoord
v = 1,266 m/s
2.Veren en slingers
Antwoord: vmax = 0,6204 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.
Evenwichtsstand en amplitude
x₀ = m·g/k = 1·9,81/250 = 0,03924 m = A
Grootste snelheid
De snelheid is het grootst in de evenwichtsstand.
ω = √(250/1) = 15,81 rad/s
vmax = A·ω = 0,03924·15,81 = 0,6204 m/s
Antwoord
vmax = 0,6204 m/s
3.Golven, geluid & optica
Antwoord: β = 92,02 dB
Golven: een periodieke golf verplaatst zich in één periode één golflengte, dus v = fλ met T = 1/f. Op een gespannen snaar is v = √(T/μ), met T de spankracht en μ = m/L de massa per meter. Geluid in lucht beweegt zich bij 20 °C voort met ongeveer 343 m/s, licht in vacuüm met c = 3,00 × 10⁸ m/s. Luidheid wordt gemeten op een logaritmische schaal: β = 10·log₁₀(I/I₀) dB met I₀ = 10⁻¹² W/m², dus 10 keer de intensiteit voegt 10 dB toe. Een puntbron verspreidt zijn vermogen P over een bol: I = P/(4πr²).
Intensiteit
I = P/(4πr²) = 0,001592 W/m²
Niveau
β = 10·log₁₀(0,001592/10⁻¹²) = 92,02 dB
Antwoord
β = 92,02 dB
4.Golven, geluid & optica
Antwoord: di2 = −60 cm
Geometrische optica: aan een grensvlak geldt n₁·sin θ₁ = n₂·sin θ₂ (wet van Snellius), met hoeken gemeten vanaf de normaal en n = c/v. Bij overgang naar een trager medium buigt de straal naar de normaal toe. Vanuit een dichter medium (n₁ > n₂) wordt voorbij de kritieke hoek θc = arcsin(n₂/n₁) al het licht gereflecteerd: totale interne reflectie. Dunne lenzen en bolle of holle spiegels gehoorzamen aan 1/f = 1/do + 1/di met de vergroting m = −di/do. Tekenconventie: f > 0 voor een convergerende lens en een holle spiegel (f = R/2), f < 0 voor een divergerende lens en een bolle spiegel; di > 0 voor een reëel beeld, di < 0 voor een virtueel beeld, en m < 0 voor een omgekeerd beeld.
Beeld van lens 1
1/di1 = 1/12 − 1/20 → di1 = 30 cm
Voorwerp voor lens 2
do2 = 40 − 30 = 10 cm
Uiteindelijk beeld
1/di2 = 1/12 − 1/10 → di2 = −60 cm
Antwoord
di2 = −60 cm
ExamProblems · examproblems.com/courses/waves-and-optics