Sóng và quang học: gói ôn nước rút

Bảng công thức, các bước phương pháp chính cho từng chủ đề và 4 bài tập, kèm lời giải đầy đủ ở cuối.

Bài mớiQuay lại môn học

Trong cửa sổ in, hãy chọn “Lưu dưới dạng PDF” để giữ một bản trên thiết bị của bạn.

1Công thức và phương pháp

Lò xo và con lắc

Vật nặng trên lò xo
T = 2π·√(m/k)
Con lắc
T = 2π·√(L/g)
Tần số góc
ω = √(k/m) = 2π/T
Tốc độ và gia tốc cực đại
vmax = A·ω, amax = A·ω²
Năng lượng
E = ½·k·A²

Sóng, âm thanh & quang học

Tốc độ sóng
v = fλ, T = 1/f
Dây
v = √(T/μ), μ = m/L
Mức âm
β = 10·log10(I/I0), I0 = 10⁻¹² W/m²
Nguồn điểm
I = P/(4πr²)
Sóng dừng
dây hoặc ống hở fn = n·v/(2L); ống kín fn = n·v/(4L), n lẻ
Hiệu ứng Doppler
f′ = f·(v ± vo)/(v ∓ vs)
Chiết suất
n = c/v, λ = λ0/n
Định luật Snell
n1sin θ1 = n2sin θ2
Góc tới hạn
sin θc = n2/n1
Sợi quang
NA = sin θa = √(n1² − n2²)
Thấu kính và gương
1/f = 1/do + 1/di, m = −di/do, mirror f = R/2
Hai khe
d·sin θ = mλ, ym = mλL/d
Cách tử
d = 1/N, d·sin θ = mλ, mmax ≤ d/λ
Khe đơn
a·sin θ = mλ (dark), w = 2λL/a

Phương pháp

  1. Hãy nhận ra loại bài toán: tốc độ sóng, mức âm, sóng dừng, Doppler, khúc xạ, thấu kính hay gương, hoặc giao thoa.
  2. Hãy viết hệ thức trước: v = fλ, β = 10·log(I/I₀), fₙ = n·v/(2L) hoặc n·v/(4L), f′ = f(v ± vo)/(v ∓ vs), n₁sin θ₁ = n₂sin θ₂, 1/f = 1/d₀ + 1/dᵢ, d·sin θ = mλ.
  3. Hãy đổi đơn vị: nm, mm và cm sang m, và kiểm tra xem các góc có được đo từ pháp tuyến không.
  4. Hãy kiểm tra dấu và tính hợp lý: ảnh ảo có dᵢ < 0, nguồn đang lại gần nghe cao hơn, ống kín chỉ có các họa âm bậc lẻ.

2Bài tập

1.Lò xo và con lắcTrung bình
L = 0,5 mT = 3,49 s

Một phi hành gia trên hành tinh khác thấy rằng một con lắc đơn dài 0,5 m có chu kỳ 3,49 s với các dao động nhỏ. Tìm gia tốc trọng trường g trên hành tinh đó.

L = 0,5 mT = 3,49 s
g = m/s²
2.Lò xo và con lắcKhó
4 kgk = 600 N/m100 m/s

Một viên đạn 5 g chuyển động với tốc độ 100 m/s găm vào một khối 4 kg đặt trên mặt không ma sát. Khối được gắn vào một lò xo nằm ngang có k = 600 N/m. Tìm biên độ A của dao động tạo thành, theo cm.

m = 5 gv = 100 m/sM = 4 kgk = 600 N/m
A = cm
3.Sóng, âm thanh & quang họcTrung bình
FFdo​ = 8 cmf = 10 cm

Một vật đặt cách một thấu kính hội tụ mỏng có tiêu cự 10 cm một khoảng 8 cm. Hãy tìm khoảng cách ảnh di. Dùng quy ước dấu 1/f = 1/do + 1/di (f < 0 với thấu kính phân kỳ, di < 0 với ảnh ảo).

do = 8 cmf = 10 cm
di = cm
4.Sóng, âm thanh & quang họcKhó
SO25 m/sf = 20 kHz

Một cảm biến đỗ xe đứng yên phát siêu âm 20 kHz về phía một chiếc ô tô đang tiến lại gần với vận tốc 25 m/s. Hãy tìm tần số f″ của tiếng vọng nhận lại tại cảm biến (tốc độ âm thanh 343 m/s).

f = 20 kHzu = 25 m/sv = 343 m/s
f″ = Hz

3Dung dịch

1.Lò xo và con lắc

Đáp số: g = 1,621 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.

Giải tìm g

g = 4π²·L/T² = 4π²·0,5/3,49² = 1,621 m/s²

Đáp số

g = 1,621 m/s²
2.Lò xo và con lắc

Đáp số: A = 1,02 cm

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.

Tốc độ sau va chạm

V = m·v/(m + M) = 0,005·100/4,005 = 0,1248 m/s

Tần số góc

ω = √(k/(m + M)) = √(600/4,005) = 12,24 rad/s

Biên độ

A = V/ω = 0,1248/12,24 = 0,0102 m = 1,02 cm

Đáp số

A = 1,02 cm
3.Sóng, âm thanh & quang học

Đáp số: di = −40 cm

Quang hình học: tại một mặt phân cách, n₁·sin θ₁ = n₂·sin θ₂ (định luật Snell), với các góc đo từ pháp tuyến và n = c/v. Khi đi vào môi trường chậm hơn, tia bị bẻ về phía pháp tuyến. Từ môi trường đặc hơn (n₁ > n₂) vượt quá góc tới hạn θc = arcsin(n₂/n₁), toàn bộ ánh sáng bị phản xạ: phản xạ toàn phần. Thấu kính mỏng và gương cầu tuân theo 1/f = 1/do + 1/di với độ phóng đại m = −di/do. Quy ước dấu: f > 0 với thấu kính hội tụ và gương cầu lõm (f = R/2), f < 0 với thấu kính phân kỳ và gương cầu lồi; di > 0 với ảnh thật, di < 0 với ảnh ảo, và m < 0 với ảnh ngược chiều.

Phương trình thấu kính mỏng

1/di = 1/f − 1/do = 1/10 − 1/8
di = −40 cm
FF8 cmf = 10 cm

Sơ đồ tia

ảo, cùng phía với vật

Đáp số

di = −40 cm
4.Sóng, âm thanh & quang học

Đáp số: f″ = 23145 Hz

Sóng dừng và hiệu ứng Doppler: một sợi dây cố định ở hai đầu, hoặc một ống hở hai đầu, chứa số nguyên lần nửa bước sóng: L = nλ/2, fn = n·v/(2L), n = 1, 2, 3, … Một ống kín một đầu có nút ở đầu kín và bụng ở đầu hở: L = nλ/4 chỉ với n lẻ, fn = n·v/(4L). Khi nguồn hoặc người quan sát chuyển động dọc theo đường nối giữa chúng, f′ = f·(v ± vo)/(v ∓ vs): dùng dấu trên khi chuyển động hướng về nhau. Hai sóng có tần số gần bằng nhau tạo phách với tần số |f₁ − f₂|.

Tần số tại ô tô

f′ = 20000·(343 + 25)/343 = 21458 Hz

Tần số của tiếng vọng

f″ = f′·343/(343 − 25) = 23145 Hz

Đáp số

f″ = 23145 Hz

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