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
นักบินอวกาศบนดาวดวงอื่นพบว่าลูกตุ้มอย่างง่ายยาว 1.5 m มีคาบ 2.58 s สำหรับการแกว่งเล็ก ๆ จงหาความเร่งโน้มถ่วง g บนดาวดวงนั้น
L = 1.5 mT = 2.58 s
g = m/s²
2.สปริงและลูกตุ้มยาก
มวลบนสปริง k = 70 N/m แกว่งบนพื้นผิวไร้แรงเสียดทานด้วยแอมพลิจูด 18 cm จงหาพลังงานจลน์ K ของมันเมื่ออยู่ห่างจากตำแหน่งสมดุล 17 cm
k = 70 N/mA = 18 cmx = 17 cm
K = J
3.คลื่น เสียง และทัศนศาสตร์ปานกลาง
เครื่องจักรหนึ่งเครื่องให้ระดับเสียง 80 dB ที่จุดหนึ่ง จงหาระดับเสียง β ที่จุดนั้นเมื่อเครื่องจักรที่เหมือนกัน 4 เครื่องทำงานพร้อมกัน (แหล่งกำเนิดไม่ต่อเนื่องกัน)
β1 = 80 dBn = 4
β = dB
4.คลื่น เสียง และทัศนศาสตร์ยาก
แสงความยาวคลื่น 532 nm ตกกระทบเป็นมุมฉากบนเกรตติงที่มี 500 เส้นต่อมิลลิเมตร จงหามุม θ3 ของค่าสูงสุดอันดับ 3
N = 500 mm⁻¹λ = 532 nmm = 3
θ3 = °
3สารละลาย
1.สปริงและลูกตุ้ม
คำตอบ: g = 8.896 m/s²
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.
แก้หา g
g = 4π²·L/T² = 4π²·1.5/2.58² = 8.896 m/s²
คำตอบ
g = 8.896 m/s²
2.สปริงและลูกตุ้ม
คำตอบ: K = 0.1225 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 = ½·70·0.18² = 1.134 J
พลังงานสปริงที่ x
U = ½·k·x² = ½·70·0.17² = 1.012 J
พลังงานจลน์
K = 1.134 − 1.012 = 0.1225 J
คำตอบ
K = 0.1225 J
3.คลื่น เสียง และทัศนศาสตร์
คำตอบ: β = 86.02 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)
ความเข้มรวม
I = 4·I₁
ระดับ
β = 80 + 10·log₁₀(4) = 86.02 dB
คำตอบ
β = 86.02 dB
4.คลื่น เสียง และทัศนศาสตร์
คำตอบ: θ3 = 52.94 °
การแทรกสอดและการเลี้ยวเบน: แสงจากสลิตสองช่องที่ห่างกัน d ไปถึงจุดหนึ่งบนฉากโดยมีผลต่างระยะทาง d·sin θ แถบสว่างปรากฏที่ d·sin θ = mλ (m = 0, ±1, ±2, …) สำหรับฉากที่ระยะ L ≫ d แถบสว่างลำดับที่ m อยู่ที่ y = mλL/d และระยะห่างระหว่างแถบคือ Δy = λL/d เกรตติงที่มี N เส้นต่อมิลลิเมตรมี d = 1/N และมีค่าสูงสุดที่คมที่ d·sin θ = mλ เนื่องจาก sin θ ≤ 1 อันดับสูงสุดคือจำนวนเต็มที่มากที่สุด m ≤ d/λ สลิตเดี่ยวกว้าง a มีแถบมืดที่ a·sin θ = mλ, m = ±1, ±2, …
ระยะห่างระหว่างเส้น
d = 1/500 mm = 2 × 10⁻⁶ m
สมการเกรตติง
sin θ = mλ/d = 3·532 × 10⁻⁹/(2 × 10⁻⁶) = 0.798
θ = 52.94°
คำตอบ
θ3 = 52.94°
ExamProblems · examproblems.com/courses/waves-and-optics