Fale i optyka: zestaw na powtórkę

Wzory, najważniejsze kroki metod dla każdego tematu i 4 zadań do ćwiczenia, z pełnymi rozwiązaniami na końcu.

Nowe zadaniaWróć do przedmiotu

W oknie drukowania wybierz „Zapisz jako PDF”, aby zachować kopię na swoim urządzeniu.

1Wzory i metody

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, 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

  1. Rozpoznaj rodzaj zadania: prędkość fali, poziom dźwięku, fala stojąca, efekt Dopplera, załamanie, soczewka lub zwierciadło albo interferencja.
  2. 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.
  3. Zamień jednostki: nm, mm i cm na m, i sprawdź, czy kąty są mierzone od normalnej.
  4. 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
L = 1,8 m

Wahadło matematyczne ma długość 1,8 m. Przyjmij g = 9,81 m/s². Wyznacz jego okres T dla małych wychyleń.

L = 1,8 mg = 9,81 m/s²
T = s
2.Sprężyny i wahadłaTrudny
mk = 200 N/mA = 6 cmx = 1 cm

Ciężarek na sprężynie o k = 200 N/m drga na powierzchni bez tarcia z amplitudą 6 cm. Wyznacz jego energię kinetyczną K, gdy znajduje się 1 cm od położenia równowagi.

k = 200 N/mA = 6 cmx = 1 cm
K = J
3.Fale, dźwięk i optykaŚredni
L = 0,4 mn = 1

Układ: Rura zamknięta na jednym końcu, długość 0,4 m, prędkość dźwięku 343 m/s. Znajdź częstotliwość f1 dla: drgania podstawowe (pierwsza harmoniczna).

v = 343 m/sn = 1L = 0,4 m
f1 = Hz
4.Fale, dźwięk i optykaTrudny
λ = 589 nmd = 0,3 mmL = 1 my = ?

Światło o długości fali 589 nm pada na dwie szczeliny odległe o 0,3 mm. Ekran jest oddalony o 1 m. Znajdź odległość y1 od środkowego jasnego prążka do jasnego prążka numer 1.

λ = 589 nmd = 0,3 mmL = 1 mm = 1
y1 = mm

3Roztwory

1.Sprężyny i wahadła

Odpowiedź: T = 2,691 s

Ruch harmoniczny prosty: masa m na sprężynie o współczynniku sprężystości k drga z częstością kołową ω = √(k/m) i okresem T = 2π/ω = 2π·√(m/k). Wahadło matematyczne o długości L ma T = 2π·√(L/g). Przy amplitudzie A największa prędkość wynosi A·ω, największe przyspieszenie A·ω², a energia ½·k·A².

Okres wahadła

T = 2π·√(1,8/9,81) = 2,691 s

Odpowiedź

T = 2,691 s
2.Sprężyny i wahadła

Odpowiedź: K = 0,35 J

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.

Energia całkowita

E = ½·k·A² = ½·200·0,06² = 0,36 J

Energia sprężyny w x

U = ½·k·x² = ½·200·0,01² = 0,01 J

Energia kinetyczna

K = 0,36 − 0,01 = 0,35 J

Odpowiedź

K = 0,35 J
3.Fale, dźwięk i optyka

Odpowiedź: f1 = 214,4 Hz

Fale stojące i efekt Dopplera: struna zamocowana na obu końcach lub rura otwarta na obu końcach mieści całkowitą liczbę półfal: L = nλ/2, fn = n·v/(2L), n = 1, 2, 3, … Rura zamknięta na jednym końcu ma węzeł na końcu zamkniętym i strzałkę na otwartym: L = nλ/4 tylko dla nieparzystych n, fn = n·v/(4L). Gdy źródło lub obserwator poruszają się wzdłuż linii między nimi, f′ = f·(v ± vo)/(v ∓ vs): górne znaki stosuj dla ruchu ku sobie. Dwie fale o niemal równych częstotliwościach dudnią z częstotliwością |f₁ − f₂|.

Długość fali tego rodzaju drgań

λ = 4L/n = 4·0,4/1 = 1,6 m

Częstotliwość

f = v/λ = 343/1,6 = 214,4 Hz

Odpowiedź

f1 = 214,4 Hz
4.Fale, dźwięk i optyka

Odpowiedź: y1 = 1,963 mm

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 prążków

Δy = λL/d = 589 × 10⁻⁹·1/(0,3 × 10⁻³) = 1,963 mm

Prążek numer 1

y1 = 1·1,963 = 1,963 mm

Odpowiedź

y1 = 1,963 mm

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