Sprężyny i wahadła
- Masa na sprężynie
- T = 2π·√(m/k)
- Wahadło
- T = 2π·√(L/g)
- Pulsacja
- ω = √(k/m) = 2π/T
- Maksymalna prędkość i przyspieszenie
- vmax = A·ω, amax = A·ω²
- Energia
- E = ½·k·A²
Fale i optyka: zestaw na powtórkę
Wzory, najważniejsze kroki metod dla każdego tematu i 4 zadań do ćwiczenia, z pełnymi rozwiązaniami na końcu.
1Wzory i metody
Fale, dźwięk i optyka
- Prędkość fali
- v = fλ, T = 1/f
- Struna
- v = √(T/μ), μ = m/L
- Poziom natężenia dźwięku
- β = 10·log10(I/I0), I0 = 10⁻¹² W/m²
- Źródło punktowe
- I = P/(4πr²)
- Fale stojące
- struna lub rura otwarta fn = n·v/(2L); rura zamknięta fn = n·v/(4L), n nieparzyste
- Efekt Dopplera
- f′ = f·(v ± vo)/(v ∓ vs)
- Współczynnik załamania
- n = c/v, λ = λ0/n
- Prawo Snelliusa
- n1sin θ1 = n2sin θ2
- Kąt graniczny
- sin θc = n2/n1
- Światłowód
- NA = sin θa = √(n1² − n2²)
- Soczewki i zwierciadła
- 1/f = 1/do + 1/di, m = −di/do, mirror f = R/2
- Podwójna szczelina
- d·sin θ = mλ, ym = mλL/d
- Siatka
- d = 1/N, d·sin θ = mλ, mmax ≤ d/λ
- Pojedyncza szczelina
- a·sin θ = mλ (dark), w = 2λL/a
Metoda
- Rozpoznaj rodzaj zadania: prędkość fali, poziom dźwięku, fala stojąca, efekt Dopplera, załamanie, soczewka lub zwierciadło albo interferencja.
- Najpierw zapisz zależność: v = fλ, β = 10·log(I/I₀), fₙ = n·v/(2L) lub n·v/(4L), f′ = f(v ± vo)/(v ∓ vs), n₁sin θ₁ = n₂sin θ₂, 1/f = 1/d₀ + 1/dᵢ, d·sin θ = mλ.
- Zamień jednostki: nm, mm i cm na m, i sprawdź, czy kąty są mierzone od normalnej.
- Sprawdź znaki i wiarygodność: obraz pozorny ma dᵢ < 0, zbliżające się źródło brzmi wyżej, rura zamknięta ma tylko harmoniczne nieparzyste.
2Zadania do ćwiczenia
1.Sprężyny i wahadłaŚredni
Astronauta na innej planecie stwierdza, że wahadło matematyczne o długości 1,8 m ma przy małych wychyleniach okres 4,37 s. Wyznacz przyspieszenie grawitacyjne g na tej planecie.
L = 1,8 mT = 4,37 s
g = m/s²
2.Sprężyny i wahadłaTrudny
Pocisk o masie 12 g lecący z prędkością 400 m/s trafia w klocek o masie 2,5 kg spoczywający na powierzchni bez tarcia i pozostaje w nim. Klocek jest przymocowany do poziomej sprężyny o k = 1900 N/m. Wyznacz amplitudę A powstałych drgań w cm.
m = 12 gv = 400 m/sM = 2,5 kgk = 1900 N/m
A = cm
3.Fale, dźwięk i optykaŚredni
Światło rozchodzi się w ośrodku: szkło koronowe (n = 1,50) ku płaskiej granicy z ośrodkiem: woda (n = 1,33). Znajdź kąt graniczny θc, powyżej którego następuje całkowite odbicie.
n1 = 1,50n2 = 1,33
θc = °
4.Fale, dźwięk i optykaTrudny
Światło o długości fali 500 nm pada pod kątem prostym na siatkę o 300 liniach na milimetr. Znajdź kąt θ1 maksimum rzędu 1.
N = 300 mm⁻¹λ = 500 nmm = 1
θ1 = °
3Roztwory
1.Sprężyny i wahadła
Odpowiedź: g = 3,721 m/s²
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.
Wyznacz g
g = 4π²·L/T² = 4π²·1,8/4,37² = 3,721 m/s²
Odpowiedź
g = 3,721 m/s²
2.Sprężyny i wahadła
Odpowiedź: A = 6,948 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.
Prędkość po uderzeniu
V = m·v/(m + M) = 0,012·400/2,512 = 1,911 m/s
Pulsacja
ω = √(k/(m + M)) = √(1900/2,512) = 27,5 rad/s
Amplituda
A = V/ω = 1,911/27,5 = 0,06948 m = 6,948 cm
Odpowiedź
A = 6,948 cm
3.Fale, dźwięk i optyka
Odpowiedź: θc = 62,46 °
Optyka geometryczna: na granicy ośrodków n₁·sin θ₁ = n₂·sin θ₂ (prawo Snelliusa), kąty mierzy się od normalnej, a n = c/v. Przy wejściu do wolniejszego ośrodka promień załamuje się ku normalnej. Przy przejściu z ośrodka gęstszego (n₁ > n₂), powyżej kąta granicznego θc = arcsin(n₂/n₁), całe światło zostaje odbite: całkowite wewnętrzne odbicie. Cienkie soczewki i zwierciadła sferyczne spełniają 1/f = 1/do + 1/di z powiększeniem m = −di/do. Konwencja znaków: f > 0 dla soczewki skupiającej i zwierciadła wklęsłego (f = R/2), f < 0 dla soczewki rozpraszającej i zwierciadła wypukłego; di > 0 dla obrazu rzeczywistego, di < 0 dla pozornego, a m < 0 dla obrazu odwróconego.
Załamanie pod 90°
sin θc = n₂/n₁ = 1,33/1,50 = 0,8867
Kąt graniczny
θc = arcsin(0,8867) = 62,46°
Odpowiedź
θc = 62,46°
4.Fale, dźwięk i optyka
Odpowiedź: θ1 = 8,627 °
Interferencja i dyfrakcja: światło z dwóch szczelin odległych o d dociera do punktu na ekranie z różnicą dróg d·sin θ. Jasne prążki pojawiają się tam, gdzie d·sin θ = mλ (m = 0, ±1, ±2, …). Dla ekranu w odległości L ≫ d m-ty jasny prążek leży w y = mλL/d, a odstęp między prążkami wynosi Δy = λL/d. Siatka z N liniami na milimetr ma d = 1/N i ostre maksima dla d·sin θ = mλ; ponieważ sin θ ≤ 1, najwyższy rząd to największa liczba całkowita m ≤ d/λ. Pojedyncza szczelina o szerokości a ma ciemne prążki dla a·sin θ = mλ, m = ±1, ±2, …
Odstęp linii
d = 1/300 mm = 3,333 × 10⁻⁶ m
Równanie siatki
sin θ = mλ/d = 1·500 × 10⁻⁹/(3,333 × 10⁻⁶) = 0,15
θ = 8,627°
Odpowiedź
θ1 = 8,627°
ExamProblems · examproblems.com/courses/waves-and-optics