Fale, dźwięk i optyka: zadania z rozwiązaniami krok po kroku

Darmowe zadania z tematu Fale, dźwięk i optyka z rysunkami, podpowiedziami i pełnymi rozwiązaniami. Za każdym razem nowe wartości, na trzech poziomach: prędkość fali, poziom dźwięku i załamanie, fale stojące, soczewki i efekt Dopplera, interferencja, siatki, zwierciadła i światłowody.

Darmowe zadanieŁatwy
λ = ?

Światło o długości fali 650 nm w próżni wchodzi do ośrodka: woda (n = 1,33). Znajdź jego długość fali λ wewnątrz materiału.

n = 1,33λ0 = 650 nm
nm
Następne zadanie →

Co ćwiczysz

  1. Łatwyprędkość fali, poziom dźwięku i załamanie
  2. Średnifale stojące, soczewki i efekt Dopplera
  3. Trudnyinterferencja, siatki, zwierciadła i światłowody

Jak rozwiązywać zadania: Fale, dźwięk i optyka

  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.

Typowe błędy

  • Mierzenie kątów od powierzchni zamiast od normalnej.
  • Użycie 20·log dla natężeń albo bezpośrednie dodawanie decybeli.
  • Wstawienie prędkości źródła do licznika we wzorze na efekt Dopplera.
  • Pominięcie konwencji znaków dla soczewek rozpraszających i zwierciadeł wypukłych.
  • Zaokrąglenie najwyższego rzędu siatki do najbliższej liczby całkowitej zamiast w dół.

Najważniejsze wzory

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

Naucz się tematu Fale, dźwięk i optyka od zera

Wcześniej: Sprężyny i wahadła

1Czym jest fala

Fala przenosi energię z miejsca na miejsce, nie niosąc ze sobą materii: ośrodek tylko drga. Na strunie lub wodzie ruch jest poprzeczny (w poprzek kierunku rozchodzenia się); dźwięk w powietrzu jest podłużny (wzdłuż niego).

λAv = fλ

Długość fali λ to długość jednego pełnego cyklu, okres T to czas jednego cyklu, a częstotliwość f = 1/T. W ciągu jednego okresu fala przesuwa się o jedną długość fali, więc:

v = fλ struna: v = √(T/μ), μ = m/L

Dźwięk w powietrzu rozchodzi się z prędkością około 343 m/s, światło z c = 3,00 × 10⁸ m/s. Prędkość zależy od ośrodka, nie od częstotliwości.

Samosprawdzenie Dźwięk o częstotliwości 686 Hz rozchodzi się z prędkością 343 m/s. Jaka jest jego długość fali?
  1. 0,002 m
  2. 0,5 m
  3. 2 m
  4. 235 000 m

Odpowiedź: 0,5 m. λ = v/f = 343/686 = 0,5 m. Dzielenie w drugą stronę daje 2 m, a mnożenie daje ogromną liczbę.

2Poziom natężenia dźwięku i efekt Dopplera

Ucho reaguje na natężenie I (W/m²) w skali logarytmicznej, więc głośność podaje się w decybelach:

β = 10·log₁₀(I/I₀) I₀ = 10⁻¹² W/m²

Dziesięciokrotnie większe natężenie dodaje 10 dB; dwa identyczne źródła dodają około 3 dB. Małe źródło rozprasza moc na sferę, I = P/(4πr²), więc dwukrotne zwiększenie odległości obniża poziom o około 6 dB.

Gdy źródło i słuchacz zbliżają się do siebie, wysokość dźwięku rośnie; gdy się oddalają, maleje (efekt Dopplera):

f′ = f·(v ± vo)/(v ∓ vs)

Górne znaki stosuj dla ruchu ku sobie. Prędkość słuchacza idzie do licznika, prędkość źródła do mianownika.

3Fale stojące

Fale odbite na obu końcach struny interferują w falę stojącą. Struna zamocowana na obu końcach ma węzły na końcach i mieści całkowitą liczbę półfal:

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

Rura otwarta na obu końcach podlega tej samej regule. Rura zamknięta na jednym końcu ma węzeł na końcu zamkniętym i strzałkę na otwartym, więc mieszczą się tylko harmoniczne nieparzyste: fₙ = n·v/(4L), n = 1, 3, 5, …

Samosprawdzenie Rura zamknięta na jednym końcu ma częstotliwość podstawową 100 Hz. Które z poniższych częstotliwości może jeszcze wytworzyć?
  1. 150 Hz
  2. 200 Hz
  3. 300 Hz
  4. 50 Hz

Odpowiedź: 300 Hz. Rura zamknięta ma tylko harmoniczne nieparzyste: 100, 300, 500 Hz, … Dla 200 Hz potrzebne byłoby n = 2, którego rura zamknięta nie mieści.

4Załamanie światła i soczewki

Światło zwalnia w szkle lub wodzie o czynnik n = c/v (współczynnik załamania). Na granicy ośrodków promień zmienia kierunek (prawo Snelliusa), a kąty mierzy się od normalnej:

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

Przy przejściu z ośrodka gęstszego do rzadszego, powyżej θc, całe światło zostaje odbite (całkowite wewnętrzne odbicie). Światłowody prowadzą światło w ten sposób.

FFd₀dᵢ

Cienkie soczewki i zwierciadła sferyczne spełniają jedno równanie, z powiększeniem m = −dᵢ/d₀:

1/f = 1/d₀ + 1/dᵢ

Znaki: f > 0 dla soczewki skupiającej i zwierciadła wklęsłego (f = R/2), f < 0 dla soczewki rozpraszającej i zwierciadła wypukłego. Dodatnie dᵢ oznacza obraz rzeczywisty, ujemne – pozorny; m < 0 oznacza obraz odwrócony.

5Interferencja i dyfrakcja

Światło z dwóch wąskich szczelin w odległości d nakłada się na ekranie w odległości L. Tam, gdzie różnica dróg d·sin θ jest całkowitą wielokrotnością długości fali, fale się wzmacniają: jasne prążki.

d·sin θ = mλ yₘ = mλL/d Δy = λL/d

Siatka dyfrakcyjna ma wiele szczelin: N linii na mm oznacza d = 1/N mm. Jej maksima są ostre i szeroko rozstawione, a najwyższy rząd to największa liczba całkowita m z m ≤ d/λ. Pojedyncza szczelina o szerokości a ma ciemne prążki dla a·sin θ = mλ, więc jej maksimum centralne ma szerokość 2λL/a.

6Przykład krok po kroku

Przejdź przez każdy krok. Spróbuj przewidzieć następny, zanim go odsłonisz.

Przykład krok po kroku

Przedmiot stoi 30 cm przed soczewką skupiającą o f = 10 cm. Znajdź odległość obrazu i powiększenie.

1

Równanie soczewki

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

Zatem dᵢ = 15 cm.

2

Charakter obrazu

dᵢ jest dodatnie, więc obraz jest rzeczywisty: powstaje po drugiej stronie soczewki i można go złapać na ekranie.

3

Powiększenie

m = −dᵢ/d₀ = −15/30 = −0,5

Obraz jest odwrócony i dwa razy mniejszy od przedmiotu.

4

Sprawdź szkicem

Promień równoległy do osi załamuje się przez F po drugiej stronie; promień przez środek biegnie prosto. Przecinają się 15 cm za soczewką, poniżej osi.

Odpowiedź

dᵢ = 15 cm i m = −0,5: obraz rzeczywisty, odwrócony, o połowę mniejszy.

Samosprawdzenie Przedmiot jest 5 cm przed soczewką skupiającą o f = 10 cm. Jaki obraz powstaje?
  1. Brak obrazu: promienie wychodzą równolegle
  2. Pozorny i prosty, po tej samej stronie co przedmiot
  3. Rzeczywisty i odwrócony, po drugiej stronie
  4. Rzeczywisty i prosty, po tej samej stronie

Odpowiedź: Pozorny i prosty, po tej samej stronie co przedmiot. 1/dᵢ = 1/10 − 1/5 = −1/10, więc dᵢ = −10 cm: ujemna odległość obrazu oznacza obraz pozorny, a m = +2 oznacza obraz prosty i powiększony. Tak działa lupa.

7Typowe błędy i pytania egzaminacyjne

  • Mierzenie kątów od powierzchni zamiast od normalnej.
  • Użycie 10·log dla amplitud lub 20·log dla natężeń: natężenia używają 10·log.
  • Przypisanie rurze zamkniętej harmonicznych parzystych.
  • Pominięcie znaku minus przy obrazie pozornym lub soczewce rozpraszającej.
  • Zapomnienie o zamianie nm, mm i cm na metry w zadaniach o interferencji.
  • Łatwe: v = fλ, fale na strunach, poziomy natężenia dźwięku, prawo Snelliusa i prędkość światła w materiale.
  • Średnie: fale stojące na strunach i w rurach, kąt graniczny, cienkie soczewki, efekt Dopplera i prawo odwrotnych kwadratów.
  • Trudne: podwójne szczeliny, siatki dyfrakcyjne, pojedyncze szczeliny, zwierciadła, układy dwóch soczewek, echo od poruszających się obiektów i światłowody.

Ucz się krok po kroku w aplikacjiUcz się krok po kroku w aplikacji

Przykłady z rozwiązaniami

Przykład 1Łatwy
λ = 0,343 mv = ?f = 1 kHz

Fala dźwiękowa w powietrzu ma częstotliwość 1 kHz i długość fali 0,343 m. Znajdź prędkość v.

f = 1 kHzλ = 0,343 m

Oblicz v (m/s)

Pokaż podpowiedzi
  1. Fala przesuwa się o jedną długość fali w ciągu jednego okresu T = 1/f.
  2. v = fλ.
  3. f = 1000 Hz.
Pokaż odpowiedź i rozwiązanie krok po kroku

Fale: fala okresowa przesuwa się o jedną długość fali w ciągu jednego okresu, więc v = fλ, gdzie T = 1/f. Na napiętej strunie v = √(T/μ), gdzie T to naciąg, a μ = m/L to masa na metr. Dźwięk w powietrzu rozchodzi się z prędkością około 343 m/s w 20 °C, światło w próżni z c = 3,00 × 10⁸ m/s. Głośność mierzy się w skali logarytmicznej: β = 10·log₁₀(I/I₀) dB, gdzie I₀ = 10⁻¹² W/m², więc 10 razy większe natężenie dodaje 10 dB. Źródło punktowe rozprasza moc P na sferę: I = P/(4πr²).

Prędkość fali

v = fλ = 1000·0,343 = 343 m/s

Odpowiedź

v = 343 m/s
Przykład 2Średni
L = ?n = 3

Układ: Rura otwarta na obu końcach. Wymagana częstotliwość dla: harmoniczna numer 3 to 686 Hz. Prędkość dźwięku wynosi 343 m/s. Znajdź długość L rury.

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

Oblicz L (m)

Pokaż podpowiedzi
  1. f = n·v/(2L).
  2. Wylicz L.
  3. λ = v/f = 0,5 m.
Pokaż odpowiedź i rozwiązanie krok po kroku

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

λ = v/f = 343/686 = 0,5 m

Długość

L = nλ/2 = 3·0,5/2 = 0,75 m

Odpowiedź

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

Światłowód ma rdzeń o n₁ = 1,52 i płaszcz o n₂ = 1,49. Znajdź największy kąt θa względem osi włókna, pod którym światło z powietrza może wejść w koniec włókna i nadal być prowadzone przez całkowite wewnętrzne odbicie.

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

Oblicz θa (°)

Pokaż podpowiedzi
  1. Wewnątrz rdzenia promień musi padać na płaszcz przynajmniej pod kątem granicznym: sin θc = n₂/n₁.
  2. Na ścianie wejściowej sin θa = n₁·cos θc = √(n₁² − n₂²) = NA.
  3. n₁² − n₂² = 0,0903.
Pokaż odpowiedź i rozwiązanie krok po kroku

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.

Kąt graniczny na płaszczu

sin θc = 1,49/1,52 = 0,9803 → θc = 78,6°

Apertura numeryczna

NA = √(1,52² − 1,49²) = 0,3005

Kąt akceptacji

θa = arcsin(0,3005) = 17,49°

Odpowiedź

θa = 17,49°

Pytania i odpowiedzi

Fale, dźwięk i optyka: co to jest?

Fala przenosi energię z miejsca na miejsce, nie niosąc ze sobą materii: ośrodek tylko drga. Na strunie lub wodzie ruch jest poprzeczny (w poprzek kierunku rozchodzenia się); dźwięk w powietrzu jest podłużny (wzdłuż niego).

Dźwięk w powietrzu rozchodzi się z prędkością około 343 m/s, światło z c = 3,00 × 10⁸ m/s. Prędkość zależy od ośrodka, nie od częstotliwości.

Fale, dźwięk i optyka: jak rozwiązywać zadania krok po kroku?
  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.
Fale, dźwięk i optyka: jakie błędy są najczęstsze?
  • Mierzenie kątów od powierzchni zamiast od normalnej.
  • Użycie 20·log dla natężeń albo bezpośrednie dodawanie decybeli.
  • Wstawienie prędkości źródła do licznika we wzorze na efekt Dopplera.
  • Pominięcie konwencji znaków dla soczewek rozpraszających i zwierciadeł wypukłych.
  • Zaokrąglenie najwyższego rzędu siatki do najbliższej liczby całkowitej zamiast w dół.
Fale, dźwięk i optyka: co ćwiczysz?
  • Łatwy: prędkość fali, poziom dźwięku i załamanie
  • Średni: fale stojące, soczewki i efekt Dopplera
  • Trudny: interferencja, siatki, zwierciadła i światłowody

Każde zadanie ma nowe wartości, więc uczysz się metody, a nie odpowiedzi. Utknąłeś? Najpierw otwórz małą podpowiedź, a pełne wyjaśnienie dopiero wtedy, gdy go potrzebujesz.

Jak wygląda ćwiczenie

  • Każde zadanie ma nowe wartości, więc uczysz się metody, a nie odpowiedzi.
  • Utknąłeś? Najpierw otwórz małą podpowiedź, a pełne wyjaśnienie dopiero wtedy, gdy go potrzebujesz.
  • Twoje postępy, błędy i zapisane zadania są zachowywane, więc możesz je powtórzyć przed egzaminem.

Tematy przed tym i po nim

Najpierw naucz się

Przedmioty z tym tematem

Więcej tematów: Fizyka

Karta pracy do druku