Пружины и маятники
- Груз на пружине
- T = 2π·√(m/k)
- Маятник
- T = 2π·√(L/g)
- Угловая частота
- ω = √(k/m) = 2π/T
- Наибольшие скорость и ускорение
- vmax = A·ω, amax = A·ω²
- Энергия
- E = ½·k·A²
Волны и оптика: шпаргалка-пакет
Листы формул, ключевые шаги методов по каждой теме и тренировочные задачи (4) с полными решениями в конце.
1Формулы и методы
Волны, звук и оптика
- Скорость волны
- v = fλ, T = 1/f
- Струна
- v = √(T/μ), μ = m/L
- Уровень звука
- β = 10·log10(I/I0), I0 = 10⁻¹² W/m²
- Точечный источник
- I = P/(4πr²)
- Стоячие волны
- струна или труба, открытая с обоих концов, fn = n·v/(2L); закрытая труба fn = n·v/(4L), n нечётное
- Эффект Доплера
- f′ = f·(v ± vo)/(v ∓ vs)
- Показатель преломления
- n = c/v, λ = λ0/n
- Закон Снеллиуса
- n1sin θ1 = n2sin θ2
- Критический угол
- sin θc = n2/n1
- Оптическое волокно
- NA = sin θa = √(n1² − n2²)
- Линзы и зеркала
- 1/f = 1/do + 1/di, m = −di/do, mirror f = R/2
- Двойная щель
- d·sin θ = mλ, ym = mλL/d
- Решётка
- d = 1/N, d·sin θ = mλ, mmax ≤ d/λ
- Одиночная щель
- a·sin θ = mλ (dark), w = 2λL/a
Метод
- Определите тип задачи: скорость волны, уровень звука, стоячая волна, эффект Доплера, преломление, линза или зеркало, либо интерференция.
- Сначала запишите соотношение: v = fλ, β = 10·log(I/I₀), fₙ = n·v/(2L) или n·v/(4L), f′ = f(v ± vo)/(v ∓ vs), n₁sin θ₁ = n₂sin θ₂, 1/f = 1/d₀ + 1/dᵢ, d·sin θ = mλ.
- Переведите единицы: nm, mm и cm в m, и проверьте, отсчитываются ли углы от нормали.
- Проверьте знаки и правдоподобие: у мнимого изображения dᵢ < 0, приближающийся источник звучит выше, у закрытой трубы только нечётные гармоники.
2Тренировочные задачи
1.Пружины и маятникиСредняя
Груз массой 1,6 kg на пружине с k = 210 N/m колеблется на поверхности без трения с амплитудой 16 cm. Найдите его скорость v на расстоянии 3 cm от положения равновесия.
m = 1,6 kgk = 210 N/mA = 16 cmx = 3 cm
v = m/s
2.Пружины и маятникиСложная
Груз массой 0,5 kg на пружине с k = 40 N/m оттягивают на 9 cm от положения равновесия и отпускают. Найдите его наибольшее ускорение amax.
m = 0,5 kgk = 40 N/mA = 9 cm
amax = m/s²
3.Волны, звук и оптикаСредняя
Источник частотой 800 Hz движется со скоростью 34 m/s к неподвижному наблюдателю. Скорость звука равна 343 m/s. Найдите частоту f′, которую слышит наблюдатель.
f = 800 Hzv = 343 m/svs = 34 m/s
f′ = Hz
4.Волны, звук и оптикаСложная
Неподвижный парковочный датчик посылает ультразвук 35 kHz на автомобиль, удаляющийся со скоростью 20 m/s. Найдите частоту f″ эха, принятого обратно датчиком (скорость звука 343 m/s).
f = 35 kHzu = 20 m/sv = 343 m/s
f″ = Hz
3Растворы
1.Пружины и маятники
Ответ: v = 1,801 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.
Угловая частота
ω = √(210/1,6) = 11,46 rad/s
Скорость в точке x
v = ω·√(A² − x²) = 11,46·√(0,16² − 0,03²) = 1,801 m/s
Ответ
v = 1,801 m/s
2.Пружины и маятники
Ответ: amax = 7,2 m/s²
Гармонические колебания: груз массой m на пружине жёсткостью k колеблется с угловой частотой ω = √(k/m) и периодом T = 2π/ω = 2π·√(m/k). Математический маятник длиной L имеет период T = 2π·√(L/g). При амплитуде A наибольшая скорость равна A·ω, наибольшее ускорение — A·ω², а энергия — ½·k·A².
Угловая частота
ω = √(40/0,5) = 8,944 rad/s
Наибольшее ускорение
amax = A·ω² = 0,09·8,944² = 7,2 m/s²
Ответ
amax = 7,2 m/s²
3.Волны, звук и оптика
Ответ: f′ = 888 Hz
Стоячие волны и эффект Доплера: в струне, закреплённой с обоих концов, или в трубе, открытой с обоих концов, укладывается целое число полуволн: L = nλ/2, fn = n·v/(2L), n = 1, 2, 3, … У трубы, закрытой с одного конца, на закрытом конце узел, а на открытом пучность: L = nλ/4 только при нечётных n, fn = n·v/(4L). Когда источник или наблюдатель движутся вдоль линии между ними, f′ = f·(v ± vo)/(v ∓ vs): верхние знаки берите для движения навстречу друг другу. Две волны почти равной частоты дают биения с частотой |f₁ − f₂|.
Формула Доплера
f′ = f·(v + vo)/(v − vs) = 800·(343 + 0)/(343 − 34)
f′ = 888 Hz
Ответ
f′ = 888 Hz
4.Волны, звук и оптика
Ответ: f″ = 31143 Hz
Стоячие волны и эффект Доплера: в струне, закреплённой с обоих концов, или в трубе, открытой с обоих концов, укладывается целое число полуволн: L = nλ/2, fn = n·v/(2L), n = 1, 2, 3, … У трубы, закрытой с одного конца, на закрытом конце узел, а на открытом пучность: L = nλ/4 только при нечётных n, fn = n·v/(4L). Когда источник или наблюдатель движутся вдоль линии между ними, f′ = f·(v ± vo)/(v ∓ vs): верхние знаки берите для движения навстречу друг другу. Две волны почти равной частоты дают биения с частотой |f₁ − f₂|.
Частота у автомобиля
f′ = 35000·(343 − 20)/343 = 32959 Hz
Частота эха
f″ = f′·343/(343 + 20) = 31143 Hz
Ответ
f″ = 31143 Hz
ExamProblems · examproblems.com/courses/waves-and-optics