Contoh Soalan Perbincangan Ketuhar Gelombang Mikro
Gelombang mikro merupakan sebahagian daripada spektrum elektromagnet dengan panjang gelombang antara 1 mm hingga 1 m. Gelombang ini kerap digunakan dalam pelbagai teknologi moden, seperti komunikasi tanpa wayar, radar, astronomi dan peralatan rumah seperti ketuhar gelombang mikro. Memandangkan kepentingan aplikasi gelombang mikro, adalah penting bagi pelajar, terutamanya yang mengambil jurusan fizik atau kejuruteraan, untuk memahami asas gelombang mikro, termasuk cara menyelesaikan masalah yang berkaitan dengannya. Artikel ini akan membincangkan beberapa contoh masalah dan membincangkan gelombang mikro.
Soalan 1: Panjang Gelombang dan Frekuensi
Soalan:
Diberi gelombang mikro mempunyai frekuensi 10 GHz, hitung panjang gelombang mikro tersebut. (Gunakan kelajuan cahaya c = 3 x 10^8 m/s)
Perbincangan:
Pertama sekali, kita ingat hubungan antara panjang gelombang (λ), frekuensi (f), dan kelajuan cahaya (c):
\[ c = \lambda \cdot f \]
Kita boleh atau mengulangi formula ini untuk mencari panjang gelombang (λ):
\[ \lambda = \frac{c}{f} \]
Diberi frekuensi (f) = 10 GHz = 10 x 10^9 Hz, dan kelajuan cahaya (c) = 3 x 10^8 m/s, kita masukkan dua nilai ini ke dalam formula:
\[ \lambda = \frac{3 \times 10^8 \, \text{m/s}}{10 \times 10^9 \, \text{Hz}} \]
\[ \lambda = 0.03 \, \text{m} \]
Jadi, panjang gelombang ketuhar gelombang mikro ialah 0,03 meter atau 3 cm.
Soalan 2: Menghantar Kuasa dan Jarak
Soalan:
Sebuah pemancar gelombang mikro memancarkan kuasa 50 W. Kirakan keamatan gelombang mikro pada jarak 2 meter dari sumber pemancar, dengan mengandaikan perambatan isotropik.
Perbincangan:
Untuk mengira keamatan, kita menggunakan persamaan kuasa per unit luas:
\[ I = \frac{P}{A} \]
P ialah kuasa (50 W) dan A ialah luas permukaan sfera dengan jejari 2 meter:
\[ A = 4 \pi r^2 \]
Masukkan nilai r = 2 meter ke dalam formula luas:
\[ A = 4 \pi (2 \, \text{m})^2 \]
\[ A = 16 \pi \, \text{m}^2 \]
Kemudian kirakan keamatan:
\[ I = \frac{50 \, \text{W}}{16 \pi \, \text{m}^2} \]
Mengira nilai berangka:
\[ Saya \lebih kurang \frac{50}{50.265} \]
\[ Saya \lebih kurang 0.995 \, \text{W/m}^2 \]
Jadi, keamatan gelombang mikro pada jarak 2 meter dari sumber pemancar ialah kira-kira 0.995 W/m².
Soalan 3: Kesan Doppler dalam Ketuhar Gelombang Mikro
Soalan:
Sebuah kenderaan yang bergerak pada kelajuan 108 km/j (30 m/s) menghampiri radar yang memancarkan gelombang mikro pada frekuensi 5 GHz. Kirakan frekuensi yang diterima oleh radar jika kelajuan gelombang mikro ialah kelajuan cahaya.
Perbincangan:
Gunakan kesan Doppler untuk frekuensi yang diterima (f'):
\[ f' = f \left(\frac{c + v}{c}\right) \]
Di mana:
– f' = frekuensi yang diterima
– f = frekuensi sumber = 5 GHz = 5 x 10^9 Hz
– c = halaju cahaya = 3 x 10^8 m/s
– v = kelajuan kenderaan = 30 m/s
Gantikan nilai-nilai tersebut ke dalam formula:
\[ f' = 5 \times 10^9 \left(\frac{3 \times 10^8 + 30}{3 \times 10^8}\right) \]
\[ f' \lebih kurang 5 \times 10^9 \left(1 + \frac{30}{3 \times 10^8}\right) \]
\[ f' \lebih kurang 5 \times 10^9 \left(1 + 1 \times 10^{-7}\right) \]
\[ f' \lebih kurang 5 \kali 10^9 \kali 1.0000001 \]
\[ f' \lebih kurang 5.0000005 \kali 10^9 \]
\[ f' \lebih kurang 5.0000005 \, \text{GHz} \]
Jadi, frekuensi yang diterima oleh radar adalah sekitar 5.0000005 GHz.
Soalan 4: Penyerapan Kuasa oleh Bahan
Soalan:
Suatu bahan tertentu menyerap 2 W kuasa gelombang mikro apabila keamatan gelombang datang ialah 10 W/m². Kirakan luas permukaan bahan tersebut.
Perbincangan:
Gunakan hubungan antara kuasa penyerapan dan luas permukaan serta keamatan:
\[ P = I \cdot A \]
Gantikan nilai yang diketahui:
\[ 2 \, \text{W} = 10 \, \text{W/m}^2 \cdot A \]
Penyelesaian untuk A:
\[ A = \frac{2 \, \text{W}}{10 \, \text{W/m}^2} \]
\[ A = 0.2 \, \text{m}^2 \]
Jadi, luas permukaan bahan tersebut ialah 0,2 m².
Soalan 5: Corak Pantulan dan Gangguan
Soalan:
Dua antena gelombang mikro memancarkan gelombang dengan panjang gelombang 6 cm dalam arah yang sama. Jika jarak antara antena ialah 12 cm, pada titik manakah gangguan konstruktif mula-mula berlaku?
Perbincangan:
Gangguan konstruktif berlaku apabila perbezaan laluan antara kedua-dua sumber ialah k = ±nλ (n ialah integer bukan sifar termasuk 0). Buat kali pertama gangguan konstruktif (n=1):
\[ d = n \lambda/2 \]
Oleh kerana jarak antena ialah 12 cm dan panjang gelombang ialah 6 cm, perbezaan laluan untuk gangguan konstruktif pertama berlaku pada:
\[ d = n (\lambda/2) \]
Jadi:
\[ 12 = 1 \times (6/2) \]
Jadi jarak yang terletak ialah:
\[ 12 = 1 \kali 3 \]
Oleh kerana persamaan ini berkaitan dengan pembentukan corak gangguan pada apa yang umum, maka daripada andaian kita mereka bentuk pada garis tengah jarak dari sumber atau laluan berdasarkan bukan trek, iaitu kedudukan kutub malar bagi garis jejak yang tidak berkaitan dengan corak kedudukan tetap yang diandaikan.
-
Ini adalah beberapa contoh masalah gelombang mikro dan cara menyelesaikannya. Dengan memahami dan membiasakan diri menyelesaikan masalah seperti ini, diharapkan dapat memudahkan anda memahami dan mengaplikasikan konsep gelombang mikro dalam pelbagai bidang sains dan teknologi.
