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)0,2 s

Một vật 3,9 kg trên lò xo có k = 300 N/m được kéo 4 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 = 0,2 s (có dấu).

m = 3,9 kgk = 300 N/mA = 4 cmt = 0,2 s
x = cm
2.Lò xo và con lắcKhó
mk = 280 N/mA = 8 cmx = 7 cm

Một vật trên lò xo có k = 280 N/m dao động trên bề mặt không ma sát với biên độ 8 cm. Tìm năng lượng U tích trữ trong lò xo khi vật cách vị trí cân bằng 7 cm.

k = 280 N/mA = 8 cmx = 7 cm
U = J
3.Sóng, âm thanh & quang họcTrung bình
FFdo​ = 12 cmf = 10 cm

Một vật đặt cách một thấu kính hội tụ mỏng có tiêu cự 10 cm một khoảng 12 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 = 12 cmf = 10 cm
di = cm
4.Sóng, âm thanh & quang họcKhó
λ = 486 nmθ1​ = ?

Ánh sáng bước sóng 486 nm chiếu vuông góc vào một cách tử có 300 vạch trên milimét. Hãy tìm góc θ1 của cực đại bậc 1.

N = 300 mm⁻¹λ = 486 nmm = 1
θ1 = °

3Dung dịch

1.Lò xo và con lắc

Đáp số: x = −0,7292 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 = √(300/3,9) = 8,771 rad/s
ω·t = 8,771·0,2 = 1,754 rad

Độ dời

x = A·cos(ω·t) = 4·cos(1,754) = −0,7292 cm

Đáp số

x = −0,7292 cm
2.Lò xo và con lắc

Đáp số: U = 0,686 J

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.

Tổng năng lượng

E = ½·k·A² = ½·280·0,08² = 0,896 J

Thế năng lò xo tại x

U = ½·k·x² = ½·280·0,07² = 0,686 J

Đáp số

U = 0,686 J
3.Sóng, âm thanh & quang học

Đáp số: di = 60 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 − 1/12
di = 60 cm
FF12 cmf = 10 cm

Sơ đồ tia

thật, ở phía bên kia thấu kính

Đáp số

di = 60 cm
4.Sóng, âm thanh & quang học

Đáp số: θ1 = 8,384 °

Giao thoa và nhiễu xạ: ánh sáng từ hai khe cách nhau một khoảng d đến một điểm trên màn với hiệu đường đi d·sin θ. Vân sáng xuất hiện tại nơi d·sin θ = mλ (m = 0, ±1, ±2, …). Với màn ở khoảng cách L ≫ d, vân sáng thứ m nằm tại y = mλL/d và khoảng vân là Δy = λL/d. Một cách tử có N vạch trên milimét có d = 1/N và các cực đại sắc nét tại d·sin θ = mλ; vì sin θ ≤ 1, bậc cao nhất là số nguyên lớn nhất m ≤ d/λ. Một khe đơn có độ rộng a có các vân tối tại a·sin θ = mλ, m = ±1, ±2, …

Khoảng cách giữa các vạch

d = 1/300 mm = 3,333 × 10⁻⁶ m

Phương trình cách tử

sin θ = mλ/d = 1·486 × 10⁻⁹/(3,333 × 10⁻⁶) = 0,1458
θ = 8,384°

Đáp số

θ1 = 8,384°

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