Golven, geluid & optica: oefenopgaven met stapsgewijze oplossingen

Gratis oefenopgaven over Golven, geluid & optica met schema’s, hints en volledig uitgewerkte oplossingen. Elke keer nieuwe waarden, op drie niveaus: golfsnelheid, geluidsniveau en breking, staande golven, lenzen en Doppler, interferentie, tralies, spiegels en glasvezels.

Gratis oefenopgaveMakkelijk
λ = ?

Licht met een golflengte van 650 nm in vacuüm komt in water (n = 1,33). Bepaal zijn golflengte λ in het materiaal.

n = 1,33λ0 = 650 nm
nm
Oefen Golven, geluid & optica gratisOefen nu Golven, geluid & opticaElke dag 5 gratis opgaven. Geen creditcard nodig.

Wat je oefent

  1. Makkelijkgolfsnelheid, geluidsniveau en breking
  2. Gemiddeldstaande golven, lenzen en Doppler
  3. Moeilijkinterferentie, tralies, spiegels en glasvezels

Zo los je opgaven over Golven, geluid & optica op

  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.

Veelgemaakte fouten

  • Hoeken vanaf het oppervlak meten in plaats van vanaf de normaal.
  • 20·log gebruiken voor intensiteiten of decibels direct optellen.
  • De snelheid van de bron in de teller van de dopplerformule zetten.
  • De tekenconventie voor divergerende lenzen en bolle spiegels vergeten.
  • De hoogste traliorde afronden naar het dichtstbijzijnde gehele getal in plaats van naar beneden.

Belangrijke formules

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

Leer Golven, geluid & optica vanaf nul

Hiervoor: Veren en slingers

1Wat een golf is

Een golf draagt energie van plaats naar plaats zonder materie mee te voeren: het medium trilt alleen. Op een touw of op water is de beweging transversaal (loodrecht op de voortplantingsrichting); geluid in lucht is longitudinaal (in de voortplantingsrichting).

λAv = fλ

De golflengte λ is de lengte van één volledige cyclus, de periode T de tijd van één cyclus, en de frequentie f = 1/T. In één periode verplaatst de golf zich één golflengte, dus:

v = fλ snaar: v = √(T/μ), μ = m/L

Geluid in lucht beweegt zich voort met ongeveer 343 m/s, licht met c = 3,00 × 10⁸ m/s. De snelheid hangt af van het medium, niet van de frequentie.

Zelftoets Een geluid van 686 Hz plant zich voort met 343 m/s. Wat is de golflengte?
  1. 0,002 m
  2. 0,5 m
  3. 2 m
  4. 235 000 m

Antwoord: 0,5 m. λ = v/f = 343/686 = 0,5 m. Andersom delen geeft 2 m, en vermenigvuldigen geeft een enorm getal.

2Geluidsniveau en het dopplereffect

Onze oren reageren op de intensiteit I (W/m²) op een logaritmische schaal, dus luidheid wordt in decibel gegeven:

β = 10·log₁₀(I/I₀) I₀ = 10⁻¹² W/m²

Tien keer de intensiteit voegt 10 dB toe; twee identieke bronnen voegen ongeveer 3 dB toe. Een kleine bron verspreidt zijn vermogen over een bol, I = P/(4πr²), dus bij verdubbeling van de afstand daalt het niveau ongeveer 6 dB.

Als bron en luisteraar naar elkaar toe bewegen, stijgt de toonhoogte; als ze van elkaar af bewegen, daalt die (dopplereffect):

f′ = f·(v ± vo)/(v ∓ vs)

Gebruik de bovenste tekens voor beweging naar elkaar toe. De snelheid van de luisteraar staat in de teller, de snelheid van de bron in de noemer.

3Staande golven

Golven die aan beide uiteinden van een snaar weerkaatsen, interfereren tot een staande golf. Een snaar die aan beide uiteinden vastzit heeft knopen aan de uiteinden en past hele halve golflengten:

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

Een buis die aan beide uiteinden open is volgt dezelfde regel. Een buis die aan één kant gesloten is heeft een knoop aan het gesloten einde en een buik aan het open einde, dus alleen oneven harmonischen passen: fₙ = n·v/(4L) met n = 1, 3, 5, …

Zelftoets Een buis die aan één kant gesloten is heeft zijn grondtoon bij 100 Hz. Welke van deze frequenties kan hij ook voortbrengen?
  1. 150 Hz
  2. 200 Hz
  3. 300 Hz
  4. 50 Hz

Antwoord: 300 Hz. Een gesloten buis heeft alleen oneven harmonischen: 100, 300, 500 Hz, … 200 Hz zou n = 2 vereisen, wat een gesloten buis niet kan bevatten.

4Breking en lenzen

Licht vertraagt in glas of water met de factor n = c/v (de brekingsindex). Bij een grensvlak verandert de straal van richting (wet van Snellius), met hoeken gemeten ten opzichte van de normaal:

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

Bij overgang van een dichter naar een minder dicht medium voorbij θc wordt al het licht gereflecteerd (totale interne reflectie). Glasvezels geleiden licht zo.

FFd₀dᵢ

Dunne lenzen en gekromde spiegels gehoorzamen aan één vergelijking, met de vergroting m = −dᵢ/d₀:

1/f = 1/d₀ + 1/dᵢ

Tekens: f > 0 voor een convergerende lens en een holle spiegel (f = R/2), f < 0 voor een divergerende lens en een bolle spiegel. Een positieve dᵢ is een reëel beeld, een negatieve dᵢ een virtueel beeld; m < 0 betekent dat het beeld op zijn kop staat.

5Interferentie en diffractie

Licht van twee smalle spleten op afstand d van elkaar overlapt op een scherm op afstand L. Waar het gangverschil d·sin θ een geheel aantal golflengten is, versterken de golven elkaar: heldere franjes.

d·sin θ = mλ yₘ = mλL/d Δy = λL/d

Een tralie heeft veel spleten: N lijnen per mm betekent d = 1/N mm. De maxima zijn scherp en liggen ver uit elkaar, en de hoogste orde is de grootste gehele m met m ≤ d/λ. Een enkele spleet met breedte a heeft donkere franjes bij a·sin θ = mλ, dus zijn centrale maximum is 2λL/a breed.

6Een uitgewerkt voorbeeld

Volg elke stap. Probeer de volgende stap te voorspellen voordat je hem opent.

Uitgewerkt voorbeeld

Een voorwerp staat 30 cm voor een convergerende lens met f = 10 cm. Bepaal de beeldafstand en de vergroting.

1

Lensvergelijking

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

Dus dᵢ = 15 cm.

2

Aard van het beeld

dᵢ is positief, dus het beeld is reëel: het ontstaat aan de andere kant van de lens en kan op een scherm worden opgevangen.

3

Vergroting

m = −dᵢ/d₀ = −15/30 = −0,5

Het beeld staat omgekeerd en is half zo groot als het voorwerp.

4

Controleer met een schets

Een straal evenwijdig aan de as buigt door F aan de andere kant; een straal door het midden gaat rechtdoor. Ze kruisen elkaar 15 cm achter de lens, onder de as.

Antwoord

dᵢ = 15 cm en m = −0,5: een reëel, omgekeerd beeld op halve grootte.

Zelftoets Een voorwerp staat 5 cm voor een convergerende lens met f = 10 cm. Wat voor beeld ontstaat er?
  1. Geen beeld: de stralen komen evenwijdig uit
  2. Reëel en omgekeerd, aan de andere kant
  3. Reëel en rechtopstaand, aan dezelfde kant
  4. Virtueel en rechtopstaand, aan dezelfde kant als het voorwerp

Antwoord: Virtueel en rechtopstaand, aan dezelfde kant als het voorwerp. 1/dᵢ = 1/10 − 1/5 = −1/10, dus dᵢ = −10 cm: een negatieve beeldafstand betekent een virtueel beeld, en m = +2 betekent rechtopstaand en vergroot. Zo werkt een vergrootglas.

7Veelgemaakte fouten en tentamenvragen

  • Hoeken meten vanaf het oppervlak in plaats van vanaf de normaal.
  • 10·log gebruiken voor amplituden of 20·log voor intensiteiten: intensiteiten gebruiken 10·log.
  • Een gesloten buis even harmonischen geven.
  • Het minteken van een virtueel beeld of van een divergerende lens vergeten.
  • Vergeten nm, mm en cm om te rekenen naar meters bij interferentievragen.
  • Makkelijk: v = fλ, golven op snaren, geluidsniveaus, de wet van Snellius en de lichtsnelheid in een materiaal.
  • Gemiddeld: staande golven op snaren en in buizen, de kritieke hoek, dunne lenzen, het dopplereffect en de omgekeerde-kwadratenwet.
  • Moeilijk: dubbele spleten, tralies, enkele spleten, spiegels, systemen van twee lenzen, echo’s van bewegende voorwerpen en glasvezels.

Leer het stap voor stap in de appLeer het stap voor stap in de app

Uitgewerkte voorbeelden

Voorbeeld 1Makkelijk
λ = 0,343 mv = ?f = 1 kHz

Een geluidsgolf in lucht heeft een frequentie van 1 kHz en een golflengte van 0,343 m. Bepaal zijn snelheid v.

f = 1 kHzλ = 0,343 m

Gevraagd: v (m/s)

Hints tonen
  1. De golf verplaatst zich in één periode T = 1/f één golflengte.
  2. v = fλ.
  3. f = 1000 Hz.
Toon het antwoord en de stapsgewijze oplossing

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).

Golfsnelheid

v = fλ = 1000·0,343 = 343 m/s

Antwoord

v = 343 m/s
Voorbeeld 2Gemiddeld
L = ?n = 3

Een buis die aan beide uiteinden open is moet zijn harmonische nummer 3 op 686 Hz hebben. De geluidssnelheid is 343 m/s. Bepaal de lengte L van de buis.

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

Gevraagd: L (m)

Hints tonen
  1. f = n·v/(2L).
  2. Los op voor L.
  3. λ = v/f = 0,5 m.
Toon het antwoord en de stapsgewijze oplossing

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

λ = v/f = 343/686 = 0,5 m

Lengte

L = nλ/2 = 3·0,5/2 = 0,75 m

Antwoord

L = 0,75 m
Voorbeeld 3Moeilijk
θa​ = ?n1​ = 1,52n2​ = 1,49n0​ = 1,00

Een glasvezel heeft een kern met n₁ = 1,52 en een mantel met n₂ = 1,49. Bepaal de grootste hoek θa met de vezelas waaronder licht uit lucht het uiteinde van de vezel kan binnengaan en toch door totale interne reflectie wordt geleid.

n1 = 1,52n2 = 1,49n0 = 1,00

Gevraagd: θa (°)

Hints tonen
  1. In de kern moet de straal de mantel minstens onder de kritieke hoek treffen: sin θc = n₂/n₁.
  2. Aan het ingangsvlak is sin θa = n₁·cos θc = √(n₁² − n₂²) = NA.
  3. n₁² − n₂² = 0,0903.
Toon het antwoord en de stapsgewijze oplossing

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 = 1,49/1,52 = 0,9803 → θc = 78,6°

Numerieke apertuur

NA = √(1,52² − 1,49²) = 0,3005

Acceptatiehoek

θa = arcsin(0,3005) = 17,49°

Antwoord

θa = 17,49°

Vragen en antwoorden

Golven, geluid & optica: wat is het?

Een golf draagt energie van plaats naar plaats zonder materie mee te voeren: het medium trilt alleen. Op een touw of op water is de beweging transversaal (loodrecht op de voortplantingsrichting); geluid in lucht is longitudinaal (in de voortplantingsrichting).

De golflengte λ is de lengte van één volledige cyclus, de periode T de tijd van één cyclus, en de frequentie f = 1/T. In één periode verplaatst de golf zich één golflengte, dus:

Golven, geluid & optica: hoe los je de opgaven stap voor stap op?
  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.
Golven, geluid & optica: wat zijn veelgemaakte fouten?
  • Hoeken vanaf het oppervlak meten in plaats van vanaf de normaal.
  • 20·log gebruiken voor intensiteiten of decibels direct optellen.
  • De snelheid van de bron in de teller van de dopplerformule zetten.
  • De tekenconventie voor divergerende lenzen en bolle spiegels vergeten.
  • De hoogste traliorde afronden naar het dichtstbijzijnde gehele getal in plaats van naar beneden.
Golven, geluid & optica: wat oefen je?
  • Makkelijk: golfsnelheid, geluidsniveau en breking
  • Gemiddeld: staande golven, lenzen en Doppler
  • Moeilijk: interferentie, tralies, spiegels en glasvezels

Elke opgave heeft nieuwe waarden, zodat je de methode leert in plaats van een antwoord. Kom je vast te zitten? Open eerst een kleine hint en de volledige uitleg pas als je die nodig hebt.

Zo werkt het oefenen

  • Elke opgave heeft nieuwe waarden, zodat je de methode leert in plaats van een antwoord.
  • Kom je vast te zitten? Open eerst een kleine hint en de volledige uitleg pas als je die nodig hebt.
  • Je voortgang, fouten en bewaarde opgaven blijven bewaard, zodat je vóór het tentamen kunt herhalen.

Onderwerpen ervoor en erna

Eerst leren

Vakken met dit onderwerp

Meer onderwerpen in Natuurkunde

Printbaar werkblad

Oefen Golven, geluid & optica gratisOefen nu Golven, geluid & opticaElke dag 5 gratis opgaven. Geen creditcard nodig.