Dalgalar, ses ve optik: adım adım çözümlü alıştırma soruları

Şekiller, ipuçları ve ayrıntılı çözümlerle ücretsiz Dalgalar, ses ve optik alıştırma soruları. Her seferinde yeni değerler, üç seviyede: dalga sürati, ses düzeyi ve kırılma, duran dalgalar, mercekler ve Doppler, girişim, kırınım ağları, aynalar ve lifler.

Ücretsiz alıştırma sorusuKolay
λ = ?

Boşlukta 650 nm dalga boyuna sahip ışık su içine (n = 1,33) giriyor. Madde içindeki dalga boyunu, λ, bulun.

n = 1,33λ0 = 650 nm
nm
Sonraki soru →

Neler çalışırsınız

  1. Kolaydalga sürati, ses düzeyi ve kırılma
  2. Ortaduran dalgalar, mercekler ve Doppler
  3. Zorgirişim, kırınım ağları, aynalar ve lifler

Dalgalar, ses ve optik soruları nasıl çözülür

  1. Problemin türünü belirleyin: dalga sürati, ses düzeyi, duran dalga, Doppler, kırılma, mercek ya da ayna veya girişim.
  2. Önce bağıntıyı yazın: v = fλ, β = 10·log(I/I₀), fₙ = n·v/(2L) veya n·v/(4L), f′ = f(v ± vo)/(v ∓ vs), n₁sin θ₁ = n₂sin θ₂, 1/f = 1/d₀ + 1/dᵢ, d·sin θ = mλ.
  3. Birimleri çevirin: nm, mm ve cm’yi m’ye; ve açıların normalden ölçülüp ölçülmediğini denetleyin.
  4. İşaretleri ve makullüğü denetleyin: sanal görüntünün dᵢ < 0’dır, yaklaşan kaynak daha tiz duyulur, kapalı borunun yalnızca tek harmonikleri vardır.

Sık yapılan hatalar

  • Açıları normalden değil yüzeyden ölçmek.
  • Şiddetler için 20·log kullanmak ya da desibelleri doğrudan toplamak.
  • Doppler formülünde kaynak süratini paya koymak.
  • Iraksak mercekler ve tümsek aynalar için işaret kuralını unutmak.
  • En yüksek ağ mertebesini aşağı değil en yakın tam sayıya yuvarlamak.

Temel formüller

Dalga sürati
v = fλ, T = 1/f
İp
v = √(T/μ), μ = m/L
Ses düzeyi
β = 10·log10(I/I0), I0 = 10⁻¹² W/m²
Noktasal kaynak
I = P/(4πr²)
Duran dalgalar
ip ya da iki ucu açık boru fn = n·v/(2L); bir ucu kapalı boru fn = n·v/(4L), n tek
Doppler etkisi
f′ = f·(v ± vo)/(v ∓ vs)
Kırılma indisi
n = c/v, λ = λ0/n
Snell yasası
n1sin θ1 = n2sin θ2
Kritik açı
sin θc = n2/n1
Optik lif
NA = sin θa = √(n1² − n2²)
Mercekler ve aynalar
1/f = 1/do + 1/di, m = −di/do, mirror f = R/2
Çift yarık
d·sin θ = mλ, ym = mλL/d
Kırınım ağı
d = 1/N, d·sin θ = mλ, mmax ≤ d/λ
Tek yarık
a·sin θ = mλ (dark), w = 2λL/a

Dalgalar, ses ve optik konusunu sıfırdan öğrenin

Bundan önce: Yaylar ve sarkaçlar

1Dalga nedir

Bir dalga, maddeyi birlikte taşımadan enerjiyi bir yerden başka bir yere taşır: ortam yalnızca salınır. Bir iplikte ya da suda hareket enine (ilerleme yönüne dik), havadaki ses ise boyuna (ilerleme yönünde) olur.

λAv = fλ

Dalga boyu λ bir tam çevrimin uzunluğu, periyot T bir çevrimin süresi ve frekans f = 1/T’dir. Bir periyotta dalga bir dalga boyu ilerler; dolayısıyla:

v = fλ tel: v = √(T/μ), μ = m/L

Havada ses yaklaşık 343 m/s ile, ışık c = 3,00 × 10⁸ m/s ile yayılır. Süratin değeri ortama bağlıdır, frekansa değil.

Kendini sına 686 Hz’lik bir ses 343 m/s ile yayılıyor. Dalga boyu nedir?
  1. 0,002 m
  2. 0,5 m
  3. 2 m
  4. 235 000 m

Cevap: 0,5 m. λ = v/f = 343/686 = 0,5 m. Ters yönde bölmek 2 m, çarpmak ise çok büyük bir sayı verir.

2Ses düzeyi ve Doppler etkisi

Kulaklarımız şiddete I (W/m²) logaritmik bir ölçekte tepki verir; bu yüzden ses yüksekliği desibel cinsinden verilir:

β = 10·log₁₀(I/I₀) I₀ = 10⁻¹² W/m²

Şiddetin on katına çıkması 10 dB ekler; iki özdeş kaynak yaklaşık 3 dB ekler. Küçük bir kaynak gücünü bir küre üzerine yayar, I = P/(4πr²); bu yüzden uzaklığı iki katına çıkarmak düzeyi yaklaşık 6 dB düşürür.

Kaynak ve dinleyici birbirine yaklaşırken ses tonu yükselir; birbirinden uzaklaşırken alçalır (Doppler etkisi):

f′ = f·(v ± vo)/(v ∓ vs)

Birbirine doğru hareket için üstteki işaretleri kullanın. Dinleyicinin sürati paya, kaynağın sürati paydaya girer.

3Duran dalgalar

Bir ipin iki ucunda yansıyan dalgalar girişim yaparak duran dalga oluşturur. İki ucu sabit bir ipin uçlarında düğüm noktaları vardır ve içine tam sayıda yarım dalga boyu sığar:

n = 1n = 2n = 3
L = nλ/2 fₙ = n·v/(2L), n = 1, 2, 3, …

İki ucu açık bir boru da aynı kurala uyar. Bir ucu kapalı bir borunun kapalı ucunda düğüm, açık ucunda karın vardır; bu yüzden yalnızca tek harmonikler sığar: fₙ = n·v/(4L), n = 1, 3, 5, …

Kendini sına Bir ucu kapalı bir borunun temel frekansı 100 Hz’dir. Bunlardan hangi frekansı da üretebilir?
  1. 150 Hz
  2. 200 Hz
  3. 300 Hz
  4. 50 Hz

Cevap: 300 Hz. Kapalı bir borunun yalnızca tek harmonikleri vardır: 100, 300, 500 Hz, … 200 Hz için n = 2 gerekirdi; kapalı bir boru bunu taşıyamaz.

4Kırılma ve mercekler

Işık camda ya da suda n = c/v çarpanı kadar yavaşlar (kırılma indisi). Bir sınırda ışın yön değiştirir (Snell yasası); açılar normalden ölçülür:

θ₁θ₂n₁n₂ > n₁
n₁·sin θ₁ = n₂·sin θ₂ kritik açı: sin θc = n₂/n₁

Yoğun ortamdan daha az yoğun ortama θc’nin ötesinde geçerken ışığın tamamı yansır (toplam iç yansıma). Optik lifler ışığı bu yolla iletir.

FFd₀dᵢ

İnce mercekler ve eğri aynalar tek bir denkleme uyar; büyütme m = −dᵢ/d₀’dır:

1/f = 1/d₀ + 1/dᵢ

İşaretler: yakınsak mercek ve çukur ayna için f > 0 (f = R/2), ıraksak mercek ve tümsek ayna için f < 0. Pozitif bir dᵢ gerçek, negatif bir dᵢ sanal görüntüdür; m < 0 görüntünün ters olduğunu gösterir.

5Girişim ve kırınım

Aralarında d uzaklığı olan iki dar yarıktan gelen ışık, L uzaklığındaki bir ekranda üst üste biner. d·sin θ yol farkının dalga boyunun tam katı olduğu yerde dalgalar toplanır: aydınlık saçaklar.

d·sin θ = mλ yₘ = mλL/d Δy = λL/d

Bir kırınım ağında çok sayıda yarık vardır: mm’de N çizgi, d = 1/N mm demektir. Maksimumları keskin ve birbirinden uzaktır; en yüksek mertebe m ≤ d/λ koşulunu sağlayan en büyük tam sayı m’dir. a genişliğindeki tek bir yarığın karanlık saçakları a·sin θ = mλ’da bulunur; bu yüzden merkezî maksimumu 2λL/a genişliğindedir.

6Çözümlü bir örnek

Her adımı izleyin. Açmadan önce bir sonrakini tahmin etmeye çalışın.

Çözümlü örnek

Bir cisim, f = 10 cm olan yakınsak bir merceğin 30 cm önünde duruyor. Görüntü uzaklığını ve büyütmeyi bulun.

1

Mercek denklemi

1/dᵢ = 1/f − 1/d₀ = 1/10 − 1/30 = 2/30

Yani dᵢ = 15 cm.

2

Görüntünün niteliği

dᵢ pozitiftir; yani görüntü gerçektir: merceğin öbür tarafında oluşur ve bir ekrana düşürülebilir.

3

Büyütme

m = −dᵢ/d₀ = −15/30 = −0,5

Görüntü ters ve cismin yarı boyutundadır.

4

Çizimle denetleyin

Eksene paralel bir ışın öbür tarafta F’den geçecek şekilde kırılır; merkezden geçen ışın doğru gider. Merceğin 15 cm arkasında, eksenin altında kesişirler.

Cevap

dᵢ = 15 cm ve m = −0,5: gerçek, ters, yarı boyutta bir görüntü.

Kendini sına Bir cisim, f = 10 cm olan yakınsak bir merceğin 5 cm önündedir. Nasıl bir görüntü oluşur?
  1. Gerçek ve düz, aynı tarafta
  2. Gerçek ve ters, öbür tarafta
  3. Görüntü yok: ışınlar paralel çıkar
  4. Sanal ve düz, cisimle aynı tarafta

Cevap: Sanal ve düz, cisimle aynı tarafta. 1/dᵢ = 1/10 − 1/5 = −1/10, dolayısıyla dᵢ = −10 cm: negatif görüntü uzaklığı sanal görüntü demektir ve m = +2 düz ve büyük demektir. Büyüteç böyle çalışır.

7Sık yapılan hatalar ve sınav soruları

  • Açıları normalden değil yüzeyden ölçmek.
  • Genlikler için 10·log, şiddetler için 20·log kullanmak: şiddetlerde 10·log kullanılır.
  • Kapalı bir boruya çift harmonikler vermek.
  • Sanal bir görüntünün ya da ıraksak bir merceğin eksi işaretini düşürmek.
  • Girişim sorularında nm, mm ve cm’yi metreye çevirmeyi unutmak.
  • Kolay: v = fλ, iplerdeki dalgalar, ses düzeyleri, Snell yasası ve ışığın bir maddedeki sürati.
  • Orta: ipte ve borularda duran dalgalar, kritik açı, ince mercekler, Doppler etkisi ve ters kare yasası.
  • Zor: çift yarık, kırınım ağları, tek yarık, aynalar, iki mercekli sistemler, hareketli cisimlerden yansıyan yankılar ve optik lifler.

Uygulamada adım adım öğreninUygulamada adım adım öğrenin

Çözümlü örnekler

Örnek 1Kolay
λ = 0,343 mv = ?f = 1 kHz

Havadaki bir ses dalgası, 1 kHz frekansına ve 0,343 m dalga boyuna sahiptir. Sürati, v, bulun.

f = 1 kHzλ = 0,343 m

İstenen: v (m/s)

İpuçlarını göster
  1. Dalga bir T = 1/f periyodunda bir dalga boyu ilerler.
  2. v = fλ.
  3. f = 1000 Hz.
Cevabı ve adım adım çözümü göster

Dalgalar: periyodik bir dalga bir periyotta bir dalga boyu ilerler; dolayısıyla v = fλ ve T = 1/f. Gerilmiş bir iplikte v = √(T/μ); burada T gerilme kuvveti, μ = m/L ise metre başına kütledir. Havada ses 20 °C’de yaklaşık 343 m/s ile, boşlukta ışık c = 3,00 × 10⁸ m/s ile yayılır. Ses yüksekliği logaritmik bir ölçekte ölçülür: β = 10·log₁₀(I/I₀) dB, I₀ = 10⁻¹² W/m²; yani şiddetin 10 katı 10 dB ekler. Noktasal bir kaynak gücünü, P, bir küre üzerine yayar: I = P/(4πr²).

Dalga sürati

v = fλ = 1000·0,343 = 343 m/s

Cevap

v = 343 m/s
Örnek 2Orta
L = ?n = 3

İki ucu açık bir boru için 3. harmonik frekansının 686 Hz olması gerekir. Ses sürati 343 m/s’dir. Borunun uzunluğunu, L, bulun.

v = 343 m/sn = 3f3 = 686 Hz

İstenen: L (m)

İpuçlarını göster
  1. f = n·v/(2L).
  2. L için çözün.
  3. λ = v/f = 0,5 m.
Cevabı ve adım adım çözümü göster

Duran dalgalar ve Doppler etkisi: iki ucu sabit bir ip ya da iki ucu açık bir boru içine tam sayıda yarım dalga boyu sığdırır: L = nλ/2, fn = n·v/(2L), n = 1, 2, 3, … Bir ucu kapalı bir borunun kapalı ucunda düğüm, açık ucunda karın vardır: L = nλ/4, yalnızca tek n ile, fn = n·v/(4L). Kaynak ya da gözlemci aralarındaki doğru boyunca hareket ettiğinde f′ = f·(v ± vo)/(v ∓ vs): birbirine doğru hareket için üstteki işaretleri kullanın. Frekansları yaklaşık eşit iki dalga |f₁ − f₂| frekansıyla vurum yapar.

Dalga boyu

λ = v/f = 343/686 = 0,5 m

Uzunluk

L = nλ/2 = 3·0,5/2 = 0,75 m

Cevap

L = 0,75 m
Örnek 3Zor
θa​ = ?n1​ = 1,52n2​ = 1,49n0​ = 1,00

Bir optik lifin çekirdeği n₁ = 1,52, kılıfı n₂ = 1,49’dir. Havadan gelen ışığın lifin ucuna girip yine toplam iç yansımayla iletilebileceği, lif eksenine göre en büyük açıyı, θa, bulun.

n1 = 1,52n2 = 1,49n0 = 1,00

İstenen: θa (°)

İpuçlarını göster
  1. Çekirdeğin içinde ışın kılıfla en az kritik açıyla karşılaşmalıdır: sin θc = n₂/n₁.
  2. Giriş yüzeyinde sin θa = n₁·cos θc = √(n₁² − n₂²) = NA.
  3. n₁² − n₂² = 0,0903.
Cevabı ve adım adım çözümü göster

Geometrik optik: bir sınırda n₁·sin θ₁ = n₂·sin θ₂ (Snell yasası); açılar normalden ölçülür ve n = c/v. Daha yavaş bir ortama geçerken ışın normale doğru kırılır. Daha yoğun bir ortamdan (n₁ > n₂) kritik açının θc = arcsin(n₂/n₁) ötesinde ışığın tamamı yansır: toplam iç yansıma. İnce mercekler ve küresel aynalar 1/f = 1/do + 1/di denklemine uyar; büyütme m = −di/do’dır. İşaret kuralı: yakınsak mercek ve çukur ayna için f > 0 (f = R/2), ıraksak mercek ve tümsek ayna için f < 0; gerçek görüntü için di > 0, sanal görüntü için di < 0 ve ters görüntü için m < 0.

Kılıftaki kritik açı

sin θc = 1,49/1,52 = 0,9803 → θc = 78,6°

Sayısal açıklık

NA = √(1,52² − 1,49²) = 0,3005

Kabul açısı

θa = arcsin(0,3005) = 17,49°

Cevap

θa = 17,49°

Sorular ve cevaplar

Dalgalar, ses ve optik nedir?

Bir dalga, maddeyi birlikte taşımadan enerjiyi bir yerden başka bir yere taşır: ortam yalnızca salınır. Bir iplikte ya da suda hareket enine (ilerleme yönüne dik), havadaki ses ise boyuna (ilerleme yönünde) olur.

Havada ses yaklaşık 343 m/s ile, ışık c = 3,00 × 10⁸ m/s ile yayılır. Süratin değeri ortama bağlıdır, frekansa değil.

Dalgalar, ses ve optik soruları adım adım nasıl çözülür?
  1. Problemin türünü belirleyin: dalga sürati, ses düzeyi, duran dalga, Doppler, kırılma, mercek ya da ayna veya girişim.
  2. Önce bağıntıyı yazın: v = fλ, β = 10·log(I/I₀), fₙ = n·v/(2L) veya n·v/(4L), f′ = f(v ± vo)/(v ∓ vs), n₁sin θ₁ = n₂sin θ₂, 1/f = 1/d₀ + 1/dᵢ, d·sin θ = mλ.
  3. Birimleri çevirin: nm, mm ve cm’yi m’ye; ve açıların normalden ölçülüp ölçülmediğini denetleyin.
  4. İşaretleri ve makullüğü denetleyin: sanal görüntünün dᵢ < 0’dır, yaklaşan kaynak daha tiz duyulur, kapalı borunun yalnızca tek harmonikleri vardır.
Dalgalar, ses ve optik konusunda en sık yapılan hatalar nelerdir?
  • Açıları normalden değil yüzeyden ölçmek.
  • Şiddetler için 20·log kullanmak ya da desibelleri doğrudan toplamak.
  • Doppler formülünde kaynak süratini paya koymak.
  • Iraksak mercekler ve tümsek aynalar için işaret kuralını unutmak.
  • En yüksek ağ mertebesini aşağı değil en yakın tam sayıya yuvarlamak.
Dalgalar, ses ve optik alıştırmaları neleri kapsar?
  • Kolay: dalga sürati, ses düzeyi ve kırılma
  • Orta: duran dalgalar, mercekler ve Doppler
  • Zor: girişim, kırınım ağları, aynalar ve lifler

Her soruda yeni değerler olur; böylece bir cevabı değil, yöntemi öğrenirsiniz. Takıldınız mı? Önce küçük bir ipucu açın, tam açıklamayı ise yalnızca gerektiğinde.

Çalışma nasıl işler

  • Her soruda yeni değerler olur; böylece bir cevabı değil, yöntemi öğrenirsiniz.
  • Takıldınız mı? Önce küçük bir ipucu açın, tam açıklamayı ise yalnızca gerektiğinde.
  • İlerlemeniz, hatalarınız ve kaydettiğiniz sorular saklanır; böylece sınavdan önce gözden geçirebilirsiniz.

Bu konudan önceki ve sonraki konular

Önce öğrenin

Bu konuyu içeren dersler

Fizik alanında diğer konular

Yazdırılabilir çalışma kâğıdı