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 3,6 kg aan een veer met k = 270 N/m trilt op een wrijvingsloos oppervlak met een amplitude van 5 cm. Vind de snelheid v als de massa 4 cm van de evenwichtsstand is.
m = 3,6 kgk = 270 N/mA = 5 cmx = 4 cm
v = m/s
2.Veren en slingersMoeilijk
Een kogel van 20 g die met 100 m/s beweegt, treft een blok van 2,5 kg dat op een wrijvingsloos oppervlak ligt en blijft erin steken. Het blok is bevestigd aan een horizontale veer met k = 900 N/m. Vind de amplitude A van de trilling die ontstaat, in cm.
m = 20 gv = 100 m/sM = 2,5 kgk = 900 N/m
A = cm
3.Golven, geluid & opticaGemiddeld
Een snaar die aan beide uiteinden vastzit is 0,65 m lang; golven bewegen er met 300 m/s over. Bepaal de frequentie f3 van zijn harmonische nummer 3.
v = 300 m/sn = 3L = 0,65 m
f3 = Hz
4.Golven, geluid & opticaMoeilijk
Een glasvezel heeft een kern met n₁ = 1,52 en een mantel met n₂ = 1,47. Bepaal zijn numerieke apertuur NA.
n1 = 1,52n2 = 1,47
NA =
3Oplossingen
1.Veren en slingers
Antwoord: v = 0,2598 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 = √(270/3,6) = 8,66 rad/s
Snelheid bij x
v = ω·√(A² − x²) = 8,66·√(0,05² − 0,04²) = 0,2598 m/s
Antwoord
v = 0,2598 m/s
2.Veren en slingers
Antwoord: A = 4,2 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) = 0,02·100/2,52 = 0,7937 m/s
Hoekfrequentie
ω = √(k/(m + M)) = √(900/2,52) = 18,9 rad/s
Amplitude
A = V/ω = 0,7937/18,9 = 0,042 m = 4,2 cm
Antwoord
A = 4,2 cm
3.Golven, geluid & optica
Antwoord: f3 = 692,3 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|.
Golflengte van deze trilling
λ = 2L/n = 2·0,65/3 = 0,4333 m
Frequentie
f = v/λ = 300/0,4333 = 692,3 Hz
Antwoord
f3 = 692,3 Hz
4.Golven, geluid & optica
Antwoord: NA = 0,3867
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.
Kritieke hoek aan de mantel
sin θc = 1,47/1,52 = 0,9671 → θc = 75,26°
Numerieke apertuur
NA = √(1,52² − 1,47²) = 0,3867
Antwoord
NA = 0,3867
ExamProblems · examproblems.com/courses/waves-and-optics