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 = 0,7 m

Wahadło matematyczne ma długość 0,7 m. Przyjmij g = 9,81 m/s². Wyznacz jego okres T dla małych wychyleń.

L = 0,7 mg = 9,81 m/s²
T = s
2.Sprężyny i wahadłaTrudny
2,1 kgk = 440 N/m

Ciężarek o masie 2,1 kg zostaje przymocowany do dolnego końca nierozciągniętej pionowej sprężyny o k = 440 N/m i puszczony ze spoczynku. Przyjmij g = 9,81 m/s². Wyznacz największą prędkość vmax ciężarka.

m = 2,1 kgk = 440 N/mg = 9,81 m/s²
vmax = m/s
3.Fale, dźwięk i optykaŚredni
S25 m/sOf = 1000 Hz

Źródło o częstotliwości 1000 Hz porusza się z prędkością 25 m/s w stronę nieruchomego obserwatora. Prędkość dźwięku wynosi 343 m/s. Znajdź częstotliwość f′, którą słyszy obserwator.

f = 1000 Hzv = 343 m/svs = 25 m/s
f′ = Hz
4.Fale, dźwięk i optykaTrudny
Fdo​ = 5 cmR = 16 cm

Przedmiot jest 5 cm przed zwierciadłem (typ: wklęsłe) o promieniu krzywizny 16 cm. Znajdź odległość obrazu di, dodatnią dla obrazu przed zwierciadłem (rzeczywistego) i ujemną dla obrazu za nim (pozornego).

do = 5 cmR = 16 cm
di = cm

3Roztwory

1.Sprężyny i wahadła

Odpowiedź: T = 1,678 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·√(0,7/9,81) = 1,678 s

Odpowiedź

T = 1,678 s
2.Sprężyny i wahadła

Odpowiedź: vmax = 0,6777 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.

Położenie równowagi i amplituda

x₀ = m·g/k = 2,1·9,81/440 = 0,04682 m = A

Największa prędkość

Prędkość jest największa w położeniu równowagi.

ω = √(440/2,1) = 14,47 rad/s
vmax = A·ω = 0,04682·14,47 = 0,6777 m/s

Odpowiedź

vmax = 0,6777 m/s
3.Fale, dźwięk i optyka

Odpowiedź: f′ = 1079 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|.

Wzór na efekt Dopplera

f′ = f·(v + vo)/(v − vs) = 1000·(343 + 0)/(343 − 25)
f′ = 1079 Hz

Odpowiedź

f′ = 1079 Hz
4.Fale, dźwięk i optyka

Odpowiedź: di = −13,33 cm

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.

Ogniskowa

f = R/2 = 8 cm

Równanie zwierciadła

1/di = 1/f − 1/do = 1/8 − 1/5
di = −13,33 cm
F5 cmf = 8 cm

Diagram promieni

obraz pozorny za zwierciadłem

Odpowiedź

di = −13,33 cm

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