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
2 kgk = 440 N/mA = 18 cmx = 14 cm

Một vật 2 kg trên lò xo có k = 440 N/m dao động trên bề mặt không ma sát với biên độ 18 cm. Tìm tốc độ v của nó khi cách vị trí cân bằng 14 cm.

m = 2 kgk = 440 N/mA = 18 cmx = 14 cm
v = m/s
2.Lò xo và con lắcKhó
1,9 kgk = 420 N/m

Một vật 1,9 kg được gắn vào đầu dưới của một lò xo thẳng đứng chưa giãn có k = 420 N/m và được thả từ trạng thái nghỉ. Dùng g = 9,81 m/s². Tìm tốc độ lớn nhất vmax của vật.

m = 1,9 kgk = 420 N/mg = 9,81 m/s²
vmax = m/s
3.Sóng, âm thanh & quang họcTrung bình
70 dB?5 m10 m

Một nguồn nhỏ phát âm đều theo mọi hướng. Mức âm là 70 dB ở khoảng cách 5 m. Hãy tìm mức âm β2 ở khoảng cách 10 m, bỏ qua sự hấp thụ và phản xạ.

β1 = 70 dBr1 = 5 mr2 = 10 m
β2 = dB
4.Sóng, âm thanh & quang họcKhó
f1​ = 12 cmf2​ = 8 cm30 cm60 cm

Hai thấu kính mỏng có chung một trục, cách nhau 60 cm: thấu kính 1 có f₁ = 12 cm và thấu kính 2 có f₂ = 8 cm. Một vật đặt cách thấu kính 1 một khoảng 30 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 = 12 cmf2 = 8 cms = 60 cmdo = 30 cm
di2 = cm

3Dung dịch

1.Lò xo và con lắc

Đáp số: v = 1,678 m/s

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 = √(440/2) = 14,83 rad/s

Tốc độ tại x

v = ω·√(A² − x²) = 14,83·√(0,18² − 0,14²) = 1,678 m/s

Đáp số

v = 1,678 m/s
2.Lò xo và con lắc

Đáp số: vmax = 0,6598 m/s

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.

Vị trí cân bằng và biên độ

x₀ = m·g/k = 1,9·9,81/420 = 0,04438 m = A

Tốc độ lớn nhất

Tốc độ lớn nhất tại vị trí cân bằng.

ω = √(420/1,9) = 14,87 rad/s
vmax = A·ω = 0,04438·14,87 = 0,6598 m/s

Đáp số

vmax = 0,6598 m/s
3.Sóng, âm thanh & quang học

Đáp số: β2 = 63,98 dB

Sóng: một sóng tuần hoàn di chuyển một bước sóng trong một chu kỳ, nên v = fλ với T = 1/f. Trên một sợi dây căng v = √(T/μ), với T là lực căng và μ = m/L là khối lượng trên mét. Âm thanh trong không khí truyền với tốc độ khoảng 343 m/s ở 20 °C, ánh sáng trong chân không với c = 3,00 × 10⁸ m/s. Độ to được đo trên thang logarit: β = 10·log₁₀(I/I₀) dB với I₀ = 10⁻¹² W/m², nên cường độ tăng 10 lần thì thêm 10 dB. Một nguồn điểm phân bố công suất P của nó trên một mặt cầu: I = P/(4πr²).

Tỉ số cường độ

I₂/I₁ = (5/10)² = 0,25

Mức âm mới

β₂ = 70 + 10·log₁₀(0,25) = 63,98 dB

Đáp số

β2 = 63,98 dB

Mỗi lần khoảng cách tăng gấp đôi làm mức âm giảm khoảng 6 dB.

4.Sóng, âm thanh & quang học

Đáp số: di2 = 10 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 = 1/12 − 1/30 → di1 = 20 cm

Vật của thấu kính 2

do2 = 60 − 20 = 40 cm

Ảnh cuối cùng

1/di2 = 1/8 − 1/40 → di2 = 10 cm

Đáp số

di2 = 10 cm

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