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
t (s)x (cm)0,35 s

Một vật 1,9 kg trên lò xo có k = 270 N/m được kéo 6 cm theo chiều dương và thả từ trạng thái nghỉ tại t = 0. Tìm độ dời x của nó so với vị trí cân bằng tại t = 0,35 s (có dấu).

m = 1,9 kgk = 270 N/mA = 6 cmt = 0,35 s
x = cm
2.Lò xo và con lắcKhó
1 kgk = 1700 N/m200 m/s

Một viên đạn 12 g chuyển động với tốc độ 200 m/s găm vào một khối 1 kg đặt trên mặt không ma sát. Khối được gắn vào một lò xo nằm ngang có k = 1700 N/m. Tìm biên độ A của dao động tạo thành, theo cm.

m = 12 gv = 200 m/sM = 1 kgk = 1700 N/m
A = cm
3.Sóng, âm thanh & quang họcTrung bình
L = 1 mn = 2

Một sợi dây cố định ở hai đầu dài 1 m; sóng truyền trên nó với tốc độ 180 m/s. Hãy tìm tần số f2 của họa âm bậc 2 của nó.

v = 180 m/sn = 2L = 1 m
f2 = Hz
4.Sóng, âm thanh & quang họcKhó
f1​ = 15 cmf2​ = 20 cm20 cm25 cm

Hai thấu kính mỏng có chung một trục, cách nhau 25 cm: thấu kính 1 có f₁ = 15 cm và thấu kính 2 có f₂ = 20 cm. Một vật đặt cách thấu kính 1 một khoảng 20 cm. Hãy tìm vị trí di2 của ảnh cuối cùng, đo từ thấu kính 2 (dương ở phía sau thấu kính 2, quy ước ảnh thật là dương).

f1 = 15 cmf2 = 20 cms = 25 cmdo = 20 cm
di2 = cm

3Dung dịch

1.Lò xo và con lắc

Đáp số: x = −3,085 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.

Tần số góc

ω = √(270/1,9) = 11,92 rad/s
ω·t = 11,92·0,35 = 4,172 rad

Độ dời

x = A·cos(ω·t) = 6·cos(4,172) = −3,085 cm

Đáp số

x = −3,085 cm
2.Lò xo và con lắc

Đáp số: A = 5,786 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) = 0,012·200/1,012 = 2,372 m/s

Tần số góc

ω = √(k/(m + M)) = √(1700/1,012) = 40,99 rad/s

Biên độ

A = V/ω = 2,372/40,99 = 0,05786 m = 5,786 cm

Đáp số

A = 5,786 cm
3.Sóng, âm thanh & quang học

Đáp số: f2 = 180 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|.

Bước sóng của dạng dao động này

λ = 2L/n = 2·1/2 = 1 m

Tần số

f = v/λ = 180/1 = 180 Hz

Đáp số

f2 = 180 Hz
4.Sóng, âm thanh & quang học

Đáp số: di2 = 12,73 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.

Ảnh của thấu kính 1

1/di1 = 1/15 − 1/20 → di1 = 60 cm

Vật của thấu kính 2

do2 = 25 − 60 = −35 cm

Ảnh cuối cùng

1/di2 = 1/20 − 1/(−35) → di2 = 12,73 cm

Đáp số

di2 = 12,73 cm

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