สปริงและลูกตุ้ม
- มวลติดสปริง
- T = 2π·√(m/k)
- ลูกตุ้ม
- T = 2π·√(L/g)
- ความถี่เชิงมุม
- ω = √(k/m) = 2π/T
- อัตราเร็วและความเร่งสูงสุด
- vmax = A·ω, amax = A·ω²
- พลังงาน
- E = ½·k·A²
คลื่นและทัศนศาสตร์: ชุดสรุปเร่งรัด
สรุปสูตร ขั้นตอนวิธีทำที่สำคัญของทุกหัวข้อ และโจทย์ฝึก 4 ข้อ พร้อมเฉลยละเอียดไว้ท้ายเล่ม
1สูตรและวิธีทำ
คลื่น เสียง และทัศนศาสตร์
- อัตราเร็วคลื่น
- v = fλ, T = 1/f
- เส้นเชือก
- v = √(T/μ), μ = m/L
- ระดับเสียง
- β = 10·log10(I/I0), I0 = 10⁻¹² W/m²
- แหล่งกำเนิดแบบจุด
- I = P/(4πr²)
- คลื่นนิ่ง
- เส้นเชือกหรือท่อปลายเปิด fn = n·v/(2L); ท่อปลายปิด fn = n·v/(4L), n เป็นเลขคี่
- ปรากฏการณ์ดอปเพลอร์
- f′ = f·(v ± vo)/(v ∓ vs)
- ดัชนีหักเห
- n = c/v, λ = λ0/n
- กฎของสเนลล์
- n1sin θ1 = n2sin θ2
- มุมวิกฤต
- sin θc = n2/n1
- เส้นใยนำแสง
- NA = sin θa = √(n1² − n2²)
- เลนส์และกระจก
- 1/f = 1/do + 1/di, m = −di/do, mirror f = R/2
- สลิตคู่
- d·sin θ = mλ, ym = mλL/d
- เกรตติง
- d = 1/N, d·sin θ = mλ, mmax ≤ d/λ
- สลิตเดี่ยว
- a·sin θ = mλ (dark), w = 2λL/a
วิธีการ
- ระบุชนิดของโจทย์: อัตราเร็วคลื่น ระดับเสียง คลื่นนิ่ง ดอปเพลอร์ การหักเห เลนส์หรือกระจก หรือการแทรกสอด
- เขียนความสัมพันธ์ก่อน: v = fλ, β = 10·log(I/I₀), fₙ = n·v/(2L) หรือ n·v/(4L), f′ = f(v ± vo)/(v ∓ vs), n₁sin θ₁ = n₂sin θ₂, 1/f = 1/d₀ + 1/dᵢ, d·sin θ = mλ
- แปลงหน่วย: nm, mm และ cm เป็น m และตรวจว่ามุมวัดจากเส้นแนวฉากหรือไม่
- ตรวจเครื่องหมายและความสมเหตุสมผล: ภาพเสมือนมี dᵢ < 0, แหล่งกำเนิดที่เคลื่อนเข้าหาได้ยินเสียงสูงขึ้น, ท่อปลายปิดมีเฉพาะฮาร์มอนิกคี่
2โจทย์ฝึก
1.สปริงและลูกตุ้มปานกลาง
มวล 3.5 kg บนสปริง k = 490 N/m แกว่งบนพื้นผิวไร้แรงเสียดทานด้วยแอมพลิจูด 17 cm จงหาอัตราเร็ว v ของมันเมื่ออยู่ห่างจากตำแหน่งสมดุล 3 cm
m = 3.5 kgk = 490 N/mA = 17 cmx = 3 cm
v = m/s
2.สปริงและลูกตุ้มยาก
มวลบนสปริง k = 320 N/m แกว่งบนพื้นผิวไร้แรงเสียดทานด้วยแอมพลิจูด 9 cm จงหาพลังงาน U ที่สะสมในสปริงเมื่อมวลอยู่ห่างจากตำแหน่งสมดุล 1 cm
k = 320 N/mA = 9 cmx = 1 cm
U = J
3.คลื่น เสียง และทัศนศาสตร์ปานกลาง
แหล่งกำเนิดเล็กส่งเสียงเท่ากันทุกทิศทาง ระดับเสียงคือ 70 dB ที่ระยะ 2 m จากแหล่งกำเนิด จงหาระดับเสียง β2 ที่ระยะ 16 m โดยไม่คิดการดูดกลืนและการสะท้อน
β1 = 70 dBr1 = 2 mr2 = 16 m
β2 = dB
4.คลื่น เสียง และทัศนศาสตร์ยาก
วัตถุอยู่หน้ากระจกเว้า 40 cm ซึ่งมีรัศมีความโค้ง 20 cm จงหาระยะภาพ di เป็นบวกสำหรับภาพที่อยู่หน้ากระจก (ภาพจริง) และเป็นลบสำหรับภาพที่อยู่หลังกระจก (ภาพเสมือน)
do = 40 cmR = 20 cm
di = cm
3สารละลาย
1.สปริงและลูกตุ้ม
คำตอบ: v = 1.98 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.
ความถี่เชิงมุม
ω = √(490/3.5) = 11.83 rad/s
อัตราเร็วที่ x
v = ω·√(A² − x²) = 11.83·√(0.17² − 0.03²) = 1.98 m/s
คำตอบ
v = 1.98 m/s
2.สปริงและลูกตุ้ม
คำตอบ: U = 0.016 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.
พลังงานรวม
E = ½·k·A² = ½·320·0.09² = 1.296 J
พลังงานสปริงที่ x
U = ½·k·x² = ½·320·0.01² = 0.016 J
คำตอบ
U = 0.016 J
3.คลื่น เสียง และทัศนศาสตร์
คำตอบ: β2 = 51.94 dB
คลื่น: คลื่นคาบเคลื่อนที่ไปหนึ่งความยาวคลื่นในหนึ่งคาบ ดังนั้น v = fλ โดย T = 1/f บนเส้นเชือกที่ตึง v = √(T/μ) โดย T คือแรงตึง และ μ = m/L คือมวลต่อเมตร เสียงในอากาศเคลื่อนที่ด้วยความเร็วประมาณ 343 m/s ที่ 20 °C แสงในสุญญากาศเคลื่อนที่ด้วย c = 3.00 × 10⁸ m/s ความดังวัดบนสเกลลอการิทึม: β = 10·log₁₀(I/I₀) dB โดย I₀ = 10⁻¹² W/m² ดังนั้นความเข้มเพิ่ม 10 เท่าจะเพิ่ม 10 dB แหล่งกำเนิดแบบจุดกระจายกำลัง P ออกเป็นทรงกลม: I = P/(4πr²)
อัตราส่วนความเข้ม
I₂/I₁ = (2/16)² = 0.01563
ระดับเสียงใหม่
β₂ = 70 + 10·log₁₀(0.01563) = 51.94 dB
คำตอบ
β2 = 51.94 dB
ทุกครั้งที่ระยะทางเพิ่มเป็นสองเท่า ระดับเสียงลดลงประมาณ 6 dB
4.คลื่น เสียง และทัศนศาสตร์
คำตอบ: di = 13.33 cm
ทัศนศาสตร์เชิงเรขาคณิต: ที่รอยต่อ n₁·sin θ₁ = n₂·sin θ₂ (กฎของสเนลล์) โดยวัดมุมจากเส้นแนวฉากและ n = c/v เมื่อเข้าสู่ตัวกลางที่ช้ากว่า รังสีหักเหเข้าหาเส้นแนวฉาก จากตัวกลางที่หนาแน่นกว่า (n₁ > n₂) เกินมุมวิกฤต θc = arcsin(n₂/n₁) แสงทั้งหมดจะสะท้อนกลับ: การสะท้อนกลับหมด เลนส์บางและกระจกทรงกลมเป็นไปตาม 1/f = 1/do + 1/di โดยกำลังขยาย m = −di/do ข้อตกลงเครื่องหมาย: f > 0 สำหรับเลนส์รวมแสงและกระจกเว้า (f = R/2), f < 0 สำหรับเลนส์กระจายแสงและกระจกนูน; di > 0 สำหรับภาพจริง, di < 0 สำหรับภาพเสมือน และ m < 0 สำหรับภาพหัวกลับ
ความยาวโฟกัส
f = R/2 = 10 cm
สมการกระจก
1/di = 1/f − 1/do = 1/10 − 1/40
di = 13.33 cm
แผนภาพรังสี
ภาพจริงที่อยู่หน้ากระจก
คำตอบ
di = 13.33 cm
ExamProblems · examproblems.com/courses/waves-and-optics