คลื่นและทัศนศาสตร์: ชุดสรุปเร่งรัด

สรุปสูตร ขั้นตอนวิธีทำที่สำคัญของทุกหัวข้อ และโจทย์ฝึก 4 ข้อ พร้อมเฉลยละเอียดไว้ท้ายเล่ม

โจทย์ใหม่กลับไปที่รายวิชา

ในหน้าต่างพิมพ์ ให้เลือก “บันทึกเป็น PDF” เพื่อเก็บสำเนาไว้ในอุปกรณ์ของคุณ

1สูตรและวิธีทำ

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

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

  1. ระบุชนิดของโจทย์: อัตราเร็วคลื่น ระดับเสียง คลื่นนิ่ง ดอปเพลอร์ การหักเห เลนส์หรือกระจก หรือการแทรกสอด
  2. 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
  3. แปลงหน่วย: nm, mm และ cm เป็น m และตรวจว่ามุมวัดจากเส้นแนวฉากหรือไม่
  4. ตรวจเครื่องหมายและความสมเหตุสมผล: ภาพเสมือนมี dᵢ < 0, แหล่งกำเนิดที่เคลื่อนเข้าหาได้ยินเสียงสูงขึ้น, ท่อปลายปิดมีเฉพาะฮาร์มอนิกคี่

2โจทย์ฝึก

1.สปริงและลูกตุ้มปานกลาง
3.3 kgk = 130 N/mA = 14 cmx = 11 cm

มวล 3.3 kg บนสปริง k = 130 N/m แกว่งบนพื้นผิวไร้แรงเสียดทานด้วยแอมพลิจูด 14 cm จงหาอัตราเร็ว v ของมันเมื่ออยู่ห่างจากตำแหน่งสมดุล 11 cm

m = 3.3 kgk = 130 N/mA = 14 cmx = 11 cm
v = m/s
2.สปริงและลูกตุ้มยาก
1.2 kgk = 50 N/mA = 18 cm

มวล 1.2 kg บนสปริงที่ k = 50 N/m ถูกดึงออกจากสมดุล 18 cm แล้วปล่อย หาความเร่งสูงสุด amax

m = 1.2 kgk = 50 N/mA = 18 cm
amax = m/s²
3.คลื่น เสียง และทัศนศาสตร์ปานกลาง
FFdo​ = 18 cmf = 25 cm

วัตถุอยู่หน้าเลนส์รวมแสงบาง 18 cm ซึ่งมีความยาวโฟกัส 25 cm จงหากำลังขยาย m (เป็นลบสำหรับภาพหัวกลับ)

do = 18 cmf = 25 cm
m =
4.คลื่น เสียง และทัศนศาสตร์ยาก
λ = 532 nmd = 0.25 mmL = 1 my = ?

แสงความยาวคลื่น 532 nm ตกบนสลิตสองช่องที่ห่างกัน 0.25 mm ฉากอยู่ห่าง 1 m จงหาระยะ y5 จากแถบสว่างกลางถึงแถบสว่างลำดับที่ 5

λ = 532 nmd = 0.25 mmL = 1 mm = 5
y5 = mm

3สารละลาย

1.สปริงและลูกตุ้ม

คำตอบ: v = 0.5436 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 = √(130/3.3) = 6.276 rad/s

อัตราเร็วที่ x

v = ω·√(A² − x²) = 6.276·√(0.14² − 0.11²) = 0.5436 m/s

คำตอบ

v = 0.5436 m/s
2.สปริงและลูกตุ้ม

คำตอบ: amax = 7.5 m/s²

การเคลื่อนที่แบบฮาร์มอนิกอย่างง่าย: มวล m บนสปริงที่มีค่าความแข็ง k สั่นด้วยความถี่เชิงมุม ω = √(k/m) และคาบ T = 2π/ω = 2π·√(m/k) ลูกตุ้มอย่างง่ายยาว L มี T = 2π·√(L/g) เมื่อแอมพลิจูดคือ A อัตราเร็วสูงสุดคือ A·ω ความเร่งสูงสุดคือ A·ω² และพลังงานคือ ½·k·A²

ความถี่เชิงมุม

ω = √(50/1.2) = 6.455 rad/s

ความเร่งสูงสุด

amax = A·ω² = 0.18·6.455² = 7.5 m/s²

คำตอบ

amax = 7.5 m/s²
3.คลื่น เสียง และทัศนศาสตร์

คำตอบ: m = 3.571

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

สมการเลนส์บาง

1/di = 1/f − 1/do = 1/25 − 1/18
di = −64.29 cm
FF18 cmf = 25 cm

กำลังขยาย

m = −di/do = −(−64.29)/18 = 3.571

คำตอบ

m = 3.571
4.คลื่น เสียง และทัศนศาสตร์

คำตอบ: y5 = 10.64 mm

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, …

ระยะห่างระหว่างแถบ

Δy = λL/d = 532 × 10⁻⁹·1/(0.25 × 10⁻³) = 2.128 mm

แถบลำดับที่ 5

y5 = 5·2.128 = 10.64 mm

คำตอบ

y5 = 10.64 mm

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