Golven en optica: samenvattingspakket

Formuleoverzichten, de belangrijkste methodestappen voor elk onderwerp en 4 oefenopgaven, met volledige oplossingen achterin.

Nieuwe opgavenTerug naar het vak

Kies in het printvenster “Opslaan als pdf” om een kopie op je apparaat te bewaren.

1Formules en methoden

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, 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

  1. Bepaal het soort opgave: golfsnelheid, geluidsniveau, staande golf, Doppler, breking, lens of spiegel, of interferentie.
  2. 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.
  3. Reken eenheden om: nm, mm en cm naar m, en controleer of hoeken vanaf de normaal worden gemeten.
  4. 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
2,2 kgk = 320 N/mA = 10 cmx = 3 cm

Een massa van 2,2 kg aan een veer met k = 320 N/m trilt op een wrijvingsloos oppervlak met een amplitude van 10 cm. Vind de snelheid v als de massa 3 cm van de evenwichtsstand is.

m = 2,2 kgk = 320 N/mA = 10 cmx = 3 cm
v = m/s
2.Veren en slingersMoeilijk
1,5 kgk = 700 N/m450 m/s

Een kogel van 20 g die met 450 m/s beweegt, treft een blok van 1,5 kg dat op een wrijvingsloos oppervlak ligt en blijft erin steken. Het blok is bevestigd aan een horizontale veer met k = 700 N/m. Vind de amplitude A van de trilling die ontstaat, in cm.

m = 20 gv = 450 m/sM = 1,5 kgk = 700 N/m
A = cm
3.Golven, geluid & opticaGemiddeld
S15 m/sOf = 440 Hz

Een bron van 440 Hz beweegt met 15 m/s van een stilstaande waarnemer af. De geluidssnelheid is 343 m/s. Bepaal de frequentie f′ die de waarnemer hoort.

f = 440 Hzv = 343 m/svs = 15 m/s
f′ = Hz
4.Golven, geluid & opticaMoeilijk
λ = 550 nmd = 0,4 mmL = 1,5 my = ?

Licht met golflengte 550 nm valt op twee spleten op 0,4 mm van elkaar. Het scherm staat 1,5 m verder. Bepaal de afstand y5 van de centrale heldere franje tot heldere franje nummer 5.

λ = 550 nmd = 0,4 mmL = 1,5 mm = 5
y5 = mm

3Oplossingen

1.Veren en slingers

Antwoord: v = 1,15 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 = √(320/2,2) = 12,06 rad/s

Snelheid bij x

v = ω·√(A² − x²) = 12,06·√(0,1² − 0,03²) = 1,15 m/s

Antwoord

v = 1,15 m/s
2.Veren en slingers

Antwoord: A = 27,59 cm

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.

Snelheid na de inslag

V = m·v/(m + M) = 0,02·450/1,52 = 5,921 m/s

Hoekfrequentie

ω = √(k/(m + M)) = √(700/1,52) = 21,46 rad/s

Amplitude

A = V/ω = 5,921/21,46 = 0,2759 m = 27,59 cm

Antwoord

A = 27,59 cm
3.Golven, geluid & optica

Antwoord: f′ = 421,6 Hz

Staande golven en het dopplereffect: een snaar die aan beide uiteinden vastzit, of een buis die aan beide uiteinden open is, past hele halve golflengten: L = nλ/2, fn = n·v/(2L), n = 1, 2, 3, … Een buis die aan één kant gesloten is heeft een knoop aan het gesloten einde en een buik aan het open einde: L = nλ/4 met alleen oneven n, fn = n·v/(4L). Als bron of waarnemer langs de verbindingslijn beweegt, is f′ = f·(v ± vo)/(v ∓ vs): gebruik de bovenste tekens voor beweging naar elkaar toe. Twee golven met bijna gelijke frequentie geven zwevingen met |f₁ − f₂|.

Dopplerformule

f′ = f·(v − vo)/(v + vs) = 440·(343 − 0)/(343 + 15)
f′ = 421,6 Hz

Antwoord

f′ = 421,6 Hz
4.Golven, geluid & optica

Antwoord: y5 = 10,31 mm

Interferentie en diffractie: licht van twee spleten op afstand d van elkaar bereikt een punt op het scherm met een gangverschil d·sin θ. Heldere franjes verschijnen waar d·sin θ = mλ (m = 0, ±1, ±2, …). Voor een scherm op afstand L ≫ d ligt de m-de heldere franje op y = mλL/d en is de franjeafstand Δy = λL/d. Een tralie met N lijnen per millimeter heeft d = 1/N en scherpe maxima bij d·sin θ = mλ; omdat sin θ ≤ 1, is de hoogste orde het grootste gehele getal m ≤ d/λ. Een enkele spleet met breedte a heeft donkere franjes bij a·sin θ = mλ, m = ±1, ±2, …

Franjeafstand

Δy = λL/d = 550 × 10⁻⁹·1,5/(0,4 × 10⁻³) = 2,063 mm

Franje nummer 5

y5 = 5·2,063 = 10,31 mm

Antwoord

y5 = 10,31 mm

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