เรียนรู้ คลื่น เสียง และทัศนศาสตร์ ตั้งแต่ต้น
ก่อนหน้านี้: สปริงและลูกตุ้ม
1คลื่นคืออะไร
คลื่นนำพลังงานจากที่หนึ่งไปอีกที่หนึ่งโดยไม่พาสสารไปด้วย: ตัวกลางเพียงแต่สั่น บนเส้นเชือกหรือบนผิวน้ำ การเคลื่อนที่เป็นแบบตามขวาง (ตั้งฉากกับทิศทางการเคลื่อนที่) เสียงในอากาศเป็นแบบตามยาว (ขนานกับทิศทางการเคลื่อนที่)
ความยาวคลื่น λ คือความยาวของหนึ่งรอบสมบูรณ์ คาบ T คือเวลาของหนึ่งรอบ และความถี่ f = 1/T ในหนึ่งคาบ คลื่นเคลื่อนที่ไปหนึ่งความยาวคลื่น ดังนั้น:
v = fλ เส้นเชือก: v = √(T/μ), μ = m/L
เสียงในอากาศเคลื่อนที่ด้วยความเร็วประมาณ 343 m/s แสงเคลื่อนที่ด้วย c = 3.00 × 10⁸ m/s อัตราเร็วขึ้นกับตัวกลาง ไม่ขึ้นกับความถี่
ตรวจสอบตนเอง เสียงความถี่ 686 Hz เคลื่อนที่ด้วย 343 m/s ความยาวคลื่นเป็นเท่าใด
- 0.002 m
- 0.5 m
- 2 m
- 235 000 m
คำตอบ: 0.5 m. λ = v/f = 343/686 = 0.5 m การหารกลับด้านจะได้ 2 m และการคูณจะได้จำนวนมหาศาล
2ระดับความดังของเสียงและปรากฏการณ์ดอปเพลอร์
หูของเราตอบสนองต่อความเข้ม I (W/m²) ในสเกลลอการิทึม ดังนั้นความดังจึงบอกเป็นเดซิเบล:
β = 10·log₁₀(I/I₀) I₀ = 10⁻¹² W/m²
ความเข้มเพิ่มสิบเท่าเพิ่ม 10 dB แหล่งกำเนิดที่เหมือนกันสองแหล่งเพิ่มประมาณ 3 dB แหล่งกำเนิดเล็กกระจายกำลังออกเป็นทรงกลม I = P/(4πr²) ดังนั้นระยะทางเป็นสองเท่าลดระดับลงประมาณ 6 dB
เมื่อแหล่งกำเนิดและผู้ฟังเคลื่อนที่เข้าหากัน ระดับเสียงสูงขึ้น เมื่อเคลื่อนที่ออกจากกัน ระดับเสียงต่ำลง (ปรากฏการณ์ดอปเพลอร์):
f′ = f·(v ± vo)/(v ∓ vs)
ใช้เครื่องหมายบนสำหรับการเคลื่อนที่เข้าหากัน อัตราเร็วของผู้ฟังอยู่ที่ตัวเศษ อัตราเร็วของแหล่งกำเนิดอยู่ที่ตัวส่วน
3คลื่นนิ่ง
คลื่นที่สะท้อนที่ปลายทั้งสองของเส้นเชือกแทรกสอดกันเป็นคลื่นนิ่ง เส้นเชือกที่ตรึงปลายทั้งสองมีบัพที่ปลายและมีความยาวพอดีกับจำนวนเต็มเท่าของครึ่งความยาวคลื่น:
L = nλ/2 fₙ = n·v/(2L), n = 1, 2, 3, …
ท่อปลายเปิดทั้งสองข้างเป็นไปตามกฎเดียวกัน ท่อปลายปิดข้างหนึ่งมีบัพที่ปลายปิดและปฏิบัพที่ปลายเปิด ดังนั้นมีเฉพาะฮาร์มอนิกคี่เท่านั้นที่พอดี: fₙ = n·v/(4L) โดย n = 1, 3, 5, …
ตรวจสอบตนเอง ท่อปลายปิดข้างหนึ่งมีความถี่มูลฐาน 100 Hz ความถี่ใดต่อไปนี้ที่ท่อนี้ให้ได้ด้วย
- 150 Hz
- 200 Hz
- 300 Hz
- 50 Hz
คำตอบ: 300 Hz. ท่อปลายปิดมีเฉพาะฮาร์มอนิกคี่: 100, 300, 500 Hz, … 200 Hz ต้องใช้ n = 2 ซึ่งท่อปลายปิดรองรับไม่ได้
4การหักเหและเลนส์
แสงช้าลงในแก้วหรือน้ำเป็นตัวประกอบ n = c/v (ดัชนีหักเห) ที่รอยต่อ รังสีเปลี่ยนทิศทาง (กฎของสเนลล์) โดยวัดมุมจากเส้นแนวฉาก:
n₁·sin θ₁ = n₂·sin θ₂ มุมวิกฤต: sin θc = n₂/n₁
เมื่อไปจากตัวกลางที่หนาแน่นกว่าสู่ตัวกลางที่เบาบางกว่าเกิน θc แสงทั้งหมดจะสะท้อนกลับ (การสะท้อนกลับหมด) เส้นใยนำแสงนำแสงด้วยวิธีนี้
เลนส์บางและกระจกโค้งเป็นไปตามสมการเดียวกัน โดยกำลังขยาย m = −dᵢ/d₀:
1/f = 1/d₀ + 1/dᵢ
เครื่องหมาย: f > 0 สำหรับเลนส์รวมแสงและกระจกเว้า (f = R/2), f < 0 สำหรับเลนส์กระจายแสงและกระจกนูน dᵢ เป็นบวกคือภาพจริง dᵢ เป็นลบคือภาพเสมือน m < 0 หมายถึงภาพหัวกลับ
5การแทรกสอดและการเลี้ยวเบน
แสงจากสลิตแคบสองช่องที่ห่างกัน d ซ้อนทับกันบนฉากที่ระยะ L ตรงที่ผลต่างระยะทาง d·sin θ เท่ากับจำนวนเต็มเท่าของความยาวคลื่น คลื่นจะรวมกัน: แถบสว่าง
d·sin θ = mλ yₘ = mλL/d Δy = λL/d
เกรตติงเลี้ยวเบนมีสลิตจำนวนมาก: N เส้นต่อ mm หมายถึง d = 1/N mm ค่าสูงสุดของมันคมและห่างกันมาก และอันดับสูงสุดคือจำนวนเต็ม m ที่มากที่สุดที่ m ≤ d/λ สลิตเดี่ยวกว้าง a มีแถบมืดที่ a·sin θ = mλ ดังนั้นแถบสว่างกลางกว้าง 2λL/a
6ตัวอย่างที่แก้ให้ดู
ทำตามทุกขั้นตอน ลองทำนายขั้นถัดไปก่อนเปิดดู
ตัวอย่างที่แก้ให้ดูวัตถุอยู่หน้าเลนส์รวมแสงที่มี f = 10 cm เป็นระยะ 30 cm จงหาระยะภาพและกำลังขยาย
11/dᵢ = 1/f − 1/d₀ = 1/10 − 1/30 = 2/30
ดังนั้น dᵢ = 15 cm
2dᵢ เป็นบวก ภาพจึงเป็นภาพจริง: เกิดที่อีกด้านของเลนส์ และรับได้บนฉาก
3m = −dᵢ/d₀ = −15/30 = −0.5
ภาพหัวกลับและมีขนาดครึ่งหนึ่งของวัตถุ
4รังสีที่ขนานกับแกนหักเหผ่าน F ที่อีกด้านหนึ่ง รังสีที่ผ่านจุดศูนย์กลางเดินทางตรง รังสีทั้งสองตัดกันที่ 15 cm หลังเลนส์ ใต้แกน
คำตอบ dᵢ = 15 cm และ m = −0.5: ภาพจริง หัวกลับ ขนาดครึ่งหนึ่ง
ตรวจสอบตนเอง วัตถุอยู่หน้าเลนส์รวมแสงที่มี f = 10 cm เป็นระยะ 5 cm เกิดภาพชนิดใด
- ภาพจริงหัวกลับ อยู่อีกด้านหนึ่ง
- ภาพจริงหัวตั้ง อยู่ด้านเดียวกัน
- ภาพเสมือนหัวตั้ง อยู่ด้านเดียวกับวัตถุ
- ไม่เกิดภาพ: รังสีออกมาขนานกัน
คำตอบ: ภาพเสมือนหัวตั้ง อยู่ด้านเดียวกับวัตถุ. 1/dᵢ = 1/10 − 1/5 = −1/10 ดังนั้น dᵢ = −10 cm: ระยะภาพที่เป็นลบหมายถึงภาพเสมือน และ m = +2 หมายถึงหัวตั้งและขยาย นี่คือหลักการทำงานของแว่นขยาย
7ข้อผิดพลาดที่พบบ่อยและคำถามในข้อสอบ
- วัดมุมจากพื้นผิวแทนที่จะวัดจากเส้นแนวฉาก
- ใช้ 10·log กับแอมพลิจูดหรือ 20·log กับความเข้ม: ความเข้มใช้ 10·log
- ให้ท่อปลายปิดมีฮาร์มอนิกคู่
- ละเครื่องหมายลบของภาพเสมือนหรือของเลนส์กระจายแสง
- ลืมแปลง nm, mm และ cm เป็นเมตรในโจทย์การแทรกสอด
- ง่าย: v = fλ คลื่นบนเส้นเชือก ระดับเสียง กฎของสเนลล์ และอัตราเร็วของแสงในวัสดุ
- ปานกลาง: คลื่นนิ่งบนเส้นเชือกและในท่อ มุมวิกฤต เลนส์บาง ปรากฏการณ์ดอปเพลอร์ และกฎกำลังสองผกผัน
- ยาก: สลิตคู่ เกรตติง สลิตเดี่ยว กระจก ระบบสองเลนส์ เสียงสะท้อนจากวัตถุที่เคลื่อนที่ และเส้นใยนำแสง
เรียนรู้ทีละขั้นในแอปเรียนรู้ทีละขั้นในแอป