13 przykładów fal mechanicznych
1. Różnica faz fal poprzecznych
Spójrz na poniższy obraz fali sinusoidalnej!
Jeżeli długość fali powyższej sinusoidy wynosi 80 cm, to punkt, w którym różnica faz wynosi ¾, to…
A. P z Q
B. P z R
C.P z S
D.Q z S
E.R z S
Pembahasan
PQ = 3/4 długości fali
PR = 1 1/2 = 1,5 długości fali
PS = 2 długości fal
QS = 1 1/4 = 1,25 długości fali
RS = 1/2 długości fali
Prawidłowa odpowiedź to A.
2. Otwarte i zamknięte piszczałki organowe
Dostarczono dwie piszczałki organowe, jedną otwartą, a drugą zamkniętą, każda o równej długości. Jeśli prędkość dźwięku w powietrzu wynosi 340 m/s, to stosunek częstotliwości alikwotów dwóch otwartych piszczałek organowych do częstotliwości alikwotów dwóch zamkniętych piszczałek organowych wynosi…
Pembahasan
Wiadomo:
Długość piszczałki organowej otwartej i zamkniętej jest taka sama.
Prędkość dźwięku w powietrzu (v) = 340 m/s
Zapytano:
Odpowiedź: Porównanie częstotliwości f drugiego alikwotu (f3 ) piszczałki organowej otwartej i zamkniętej
Otwarta piszczałka organowa
Otwarta piszczałka organowa to rura, która ma oba końce otwarte, jak na rysunku obok.
Rysunek po prawej stronie przedstawia wykres fal dźwiękowych w otwartej piszczałce organowej, gdzie węzły reprezentują gęstość powietrza, a antywęzły reprezentują napięcie powietrza.
Skok podstawowy (f 1 ) = v / 2L = 340/2L = 170/L
Drugi alikwot (f 3 ) = 3 f 1 = 3 (170/L) = 510/L
Zamknięta piszczałka organowa
Zamknięta piszczałka organowa, czyli rura zamknięta, to rura z jednym końcem otwartym, a drugim zamkniętym, jak pokazano na poniższym rysunku. Jeśli oba końce rury są zamknięte, nie można jej używać.
Rysunek po prawej stronie przedstawia wykres fal dźwiękowych w zamkniętej piszczałce organowej, gdzie węzły reprezentują gęstość powietrza, a antywęzły reprezentują napięcie powietrza.
Skok podstawowy (f 1 ) = v / 4L = 340/4L = 85/L
Drugi alikwot (f 3 ) = 3 f 1 = 3 (85/L) = 255/L
Porównanie częstotliwości drugiego alikwotu f (f 3 ) piszczałek organowych otwartych i zamkniętych
510/L : 255/L
510: 255
2: 1
3. Poziom intensywności fali dźwiękowej
Źródło fal dźwiękowych o mocy 12,56 W emituje fale do otaczającego ośrodka w sposób jednorodny. Natężenie progowe dźwięku wynosi 10-12 Wm - 2 . Wartość natężenia promieniowania fali w odległości 10 metrów od źródła wynosi...
Pembahasan
Wiadomo:
Daya = 12,56 Watt
Próg natężenia dźwięku (Io ) = 10 -12 Wm -2
Odległość (r) = 10 metrów
Zapytano: Poziom intensywności (TI)
Jawab:
Wzór na zależność pomiędzy mocą (P), intensywnością (I) i odległością (r):
Poziom intensywności (TI):
4. Intensywność dźwięku
System głośnikowy emituje moc akustyczną 36 π watów i poziom natężenia dźwięku 80 dB, gdy jest on słyszalny z odległości x od głośnika. (Io = 10 -12 watów.m -2 ). Prawidłowa wartość x to…
A. 100 m
B. 160 m
Ok. 175 m
D. 225 m
E. 300 m
Pembahasan
Wiadomo, że:
Moc (P) = 36 π watów
Poziom intensywności (TI) = 80 dB
Odległość = x
Granica słyszalności człowieka (Io ) = 10 -12 W att.m -2
Zapytano: Wartość x
Jawab:
Wzór na zależność pomiędzy mocą (P), intensywnością (I) i odległością (x):
Najpierw oblicz natężenie dźwięku w odległości x:
Intensywność dźwięku:
Oblicz wartość x:
Prawidłowa odpowiedź to E.
5. Fala wędrująca
Pytanie nr 24 z egzaminu krajowego SMA/MA z fizyki 2015/2016
Równanie fali bieżącej wyrażone w Międzynarodowym Układzie Jednostek Miar (SI) to y = 0,2 sin (0,2 πx-20πt)
Z następujących oświadczeń:
(1) Prędkość propagacji fali 100 ms -1
(2) Przy x = 0 i t = 0 odchylenie fali = 0
(3) Częstotliwość fali 20 Hz
(4) Amplituda fali 2 cm
Która odpowiedź jest poprawna?
A. (1) i (2)
B. (1) i (3)
C. (1) i (4)
D. (2) i (4)
E. (2) i (3)
Pembahasan
Trzy formy równań falowych:
y = A sin (ωt – kx) ——> 1
ω = 2π / T i k = 2π / λ
y = grzech (2π/T) t – (2π/λ) x
y = A sin 2π (t/T – x/λ) ——-> 2
y = A sin 2π (ft – x/λ) ——-> 2
T = 1/f i λ = v / f
y = A sin 2π (ft – f(x/v))
y = A sin 2πf (t – x/v) ——-> 3
Równanie fali bieżącej w pytaniu powyżej jest takie samo jak równanie w formie 2:
y = 0,2 sin (0,2 πx-20πt)
y = 0,2 sin π (0,2 x-20t)
y = 0,2 sin 2 π (0,1 x-10t)
y = 0,2 sin 2 π (x/10 -10t)
y = A sin 2π (ft – x/λ)
A = amplituda = 0,2 metra = 0,2 (100 cm) = 20 cm
f = częstotliwość = 10 s -1 = 10 herców
λ = długość fali = 10 metrów
v = prędkość propagacji fali = f λ = (10 s -1 )(10 m) = 100 ms -1
Prawidłowa odpowiedź to A.
6. Efekt Dopplera
Karetka pogotowia porusza się z prędkością 72 km/ h , włączając syrenę o częstotliwości 1500 Hz. Motocyklista porusza się z prędkością 20 m/ s w kierunku przeciwnym do karetki. Jeśli prędkość dźwięku w powietrzu wynosi 340 m/ s , to stosunek częstotliwości dźwięków słyszanych przez motocyklistę podczas zbliżania się do karetki i oddalania się od niej wynosi…
Odp. 25: 36
B.36 : 49
C.64 : 81
D.81 : 64
E.100 : 61
Pembahasan
Zasady podpisywania:
v jest zawsze dodatnie
v p jest dodatnie, jeżeli słuchacz zbliża się do źródła dźwięku
v p jest ujemne, jeżeli słuchacz oddala się od źródła dźwięku
v s jest dodatnie, jeżeli źródło dźwięku jest odwrócone od słuchacza
v s jest ujemne, jeżeli źródło dźwięku zbliża się do słuchacza
v p = 0, jeśli słuchacz milczy
v s = 0, jeśli źródło dźwięku jest ciche
Wiadomo, że:
Częstotliwość źródła dźwięku (f) = 1500 Hz
Prędkość słuchacza (v p ) = 20 m/s
Prędkość źródła dźwięku (v s ) = 72 km/godzinę = 72 (1000 metrów) / 3600 sekund = 72 000 / 3600 metrów/sekundę = 20 m/s
Prędkość dźwięku (v) = 340 m/s
Pytanie: Porównanie częstotliwości słyszanych przez motocyklistów podczas zbliżania się do karetki pogotowia i oddalania się od niej
Jawab:
Wzór na efekt Dopplera:
Częstotliwość słyszana przez motocyklistę zbliżającego się do karetki pogotowia
Oba kierunki są przeciwne, więc gdy motocykl zbliża się do karetki, zbliżają się do siebie. vp jest dodatnie , jeśli słuchacz zbliża się do źródła dźwięku, a vs jest ujemne, jeśli źródło dźwięku zbliża się do słuchacza.
Częstotliwość słyszana przez motocyklistów podczas oddalania się od karetki pogotowia
Oba kierunki są przeciwne, więc gdy motocykl oddala się od karetki, oddalają się one od siebie. vp jest ujemne, jeśli słuchacz oddala się od źródła dźwięku, a vs jest dodatnie , jeśli źródło dźwięku oddala się od słuchacza.
Porównanie częstotliwości słyszanych przez motocyklistów zbliżających się do karetki pogotowia i oddalających się od niej.
Prawidłowa odpowiedź to D.
Intensywność dźwięku
7. Spójrz na poniższy obrazek!
Jeśli punkt P jest źródłem dźwięku rozchodzącym się we wszystkich kierunkach, to stosunek natężenia dźwięku w punktach S, R i Q wynosi odpowiednio...
A. 16 : 25 : 100
B. 16 : 50 : 200
C. 32 : 50 : 100
D.36 : 25 : 100
E.72 : 25 : 200
Pembahasan
Wiadomo, że:
Odległość punktu Q od źródła dźwięku (rQ) = 3 metrów
Odległość punktu R od źródła dźwięku (r R ) = 6 metrów
Odległość punktu S od źródła dźwięku (r S ) = 5 metrów
Natężenie dźwięku w punkcie Q = I Q
Natężenie dźwięku w punkcie R = I R
Natężenie dźwięku w punkcie S = I S
Pytanie: Porównanie natężenia dźwięku w punktach S, R i Q ( I S : I R : I Q )
Jawab:
Natężenie dźwięku w punkcie S:
Natężenie dźwięku w punkcie R:
Natężenie dźwięku w punkcie S:
Porównanie natężenia dźwięku w punktach S, R i Q:
Prawidłowa odpowiedź to D.
8. Fale dźwiękowe rozchodzą się równomiernie od źródła we wszystkich kierunkach. Punkt A znajduje się w odległości P od źródła dźwięku, punkt B w odległości 2P od źródła dźwięku, a punkt C w odległości 4P od źródła dźwięku. Stosunek natężeń dźwięku odbieranego przez punkty A, B i C wynosi…
A. 16 : 4 : 1
B. 4 : 2 : 1
C. 4 : 1 : 16
D.1 : 2 : 4
E.1 : 4 : 16
Pembahasan
Wiadomo, że:
Odległość punktu A od źródła dźwięku (r A ) = P
Odległość punktu B od źródła dźwięku (r B ) = 2P
Odległość punktu C od źródła dźwięku (r C ) = 4P
Natężenie dźwięku w punkcie A = I A
Natężenie dźwięku w punkcie B = I B
Natężenie dźwięku w punkcie C = IC
Pytanie: Porównanie natężenia dźwięku w punktach A, B i C ( IA : IB : IC )
Jawab:
Natężenie dźwięku w punkcie A:
Natężenie dźwięku w punkcie B:
Natężenie dźwięku w punkcie C:
Porównanie natężenia dźwięku w punktach A, B i C:
Prawidłowa odpowiedź to A.
9. Efekt Dopplera
Na poniższym zdjęciu widać radiowóz ścigający zmotoryzowanego przestępcę:
Radiowóz, włączając syrenę o częstotliwości 9,30 Hz, ściga motocykl przestępcy, który ucieka z prędkością 72 km/h . Radiowóz przyspiesza do 108 km/h, aby dogonić przestępcę. Jeśli prędkość dźwięku w powietrzu wynosi 340 m/s , to częstotliwość dźwięku syreny słyszanego przez przestępcę na motocyklu wynosi...
A. 850 Hz
B. 900 Hz
C. 960 Hz
D. 1.020 Hz
E. 1.200 Hz
Pembahasan
Zasady podpisywania:
v jest zawsze dodatnie
v p jest dodatnie, jeżeli słuchacz zbliża się do źródła dźwięku
v p jest ujemne, jeżeli słuchacz oddala się od źródła dźwięku
v s jest dodatnie, jeżeli źródło dźwięku jest odwrócone od słuchacza
v s jest ujemne, jeżeli źródło dźwięku zbliża się do słuchacza
v p = 0, jeśli słuchacz milczy
v s = 0, jeśli źródło dźwięku jest ciche
Wiadomo, że:
Częstotliwość źródła dźwięku (f) = 9 30 Hz
Prędkość słuchacza (v p ) = 72 km/h -1 = 72 (1000 metrów) / 3600 (sekund) = 72 000 / 3600 metrów na sekundę = 20 m/s = -20 ms -1 (ujemna, ponieważ przestępca oddala się od policji)
Prędkość źródła dźwięku (v s ) = 108 km/h -1 = 108 (1000 metrów) / 3600 (sekund) = 108 000 / 3600 metrów/sekundę = 30 m/s = -30 ms -1 (ujemna, ponieważ policja zbliża się do przestępcy)
Prędkość dźwięku (v) = 340 ms -1
Poszukiwana: Częstotliwość dźwięku słyszana przez słuchacza (f')
Jawab:
Wzór na efekt Dopplera:
Prawidłowa odpowiedź to C.
Poziom natężenia dźwięku
10. W sali 100 uczniów uczy się śpiewać. Jeśli natężenie dźwięku jednego ucznia podczas śpiewania wynosi 40 dB (załóżmy, że dla każdego dziecka jest ono takie samo), to natężenie dźwięku wytwarzanego w sali wynosi… (Io = 10 -12 Wm -2 )
A. 10 -4 Wm -2
B. 10 -5 Wm -2
C. 10 -6 Wm -2
D. 10 -7 Wm -2
E. 10 -8 Wm -2
Pembahasan
Wiadomo, że:
Poziom natężenia dźwięku jednego ucznia (T I ) = 40 dB
Próg natężenia słyszalności człowieka (Io ) = 10 -12 W/ m2
Liczba uczniów (x) = 100
Zapytano: Natężenie dźwięku 100 uczniów
Jawab:
Natężenie dźwięku 1 ucznia:
Natężenie dźwięku 100 ucznia:
Ja x = (x)(Ja)
x = (100)(10 -8 ) = (10 2 )(10 -8 )
Ix = 10 -6 W / m2
Prawidłowa odpowiedź to C.
11. Natężenie dźwięku 100 identycznych maszyn wynosi 10 -7 Wat.m -2 . Jeżeli Io = 10 -12 Wat.m -2 , to poziom natężenia dźwięku maszyny wynosi….
A. 70 dB
B. 60 dB
C. 50 dB
D. 40 dB
E. 30 dB
Pembahasan
Wiadomo, że:
Natężenie dźwięku 100 maszyn (I x ) = 10 -7 Wat.m -2
Próg natężenia słyszalności człowieka (Io ) = 10 -12 W/ m2
Liczba maszyn (x) = 100 = 10 2
Pytanie: Poziom natężenia dźwięku maszyny (TI)
Jawab:
Natężenie dźwięku 1 maszyny:
Ja x = (x)(Ja)
10 -7 = (10 2 )( 1 )
I = 10 -7 / 10 2 = (10 -7 )(10 -2 ) = 10 -9
Poziom natężenia dźwięku maszyny (TI):
Prawidłowa odpowiedź to E.
12. Ogólne właściwości fal są następujące:
(1) nie może rozprzestrzeniać się w próżni
(2) rozprzestrzenia się prosto w różnych mediach
(3) doświadczanie refleksji
(4) doświadczanie dyfrakcji
(5) doświadczanie zakłóceń
Na podstawie powyższych właściwości fal, charakterystykom fal świetlnych odpowiada...
A. Tylko (1) i (2)
B. Tylko (3) i (4)
C. (2), (3) i (4)
D. (3), (4) i (5)
E. (1), (3), (4) i (5)
Pembahasan
(1) Fale świetlne to fale elektromagnetyczne, które nie wymagają ośrodka propagacyjnego. Ponieważ nie wymagają ośrodka propagacyjnego, fale elektromagnetyczne mogą rozprzestrzeniać się w próżni.
(2) Gdy fale świetlne rozchodzące się w jednym ośrodku przechodzą do nowego ośrodka, ulegają również załamaniu. Załamanie światła to zakrzywienie kierunku rozchodzenia się fal świetlnych. Załamanie występuje z powodu różnicy prędkości fal świetlnych w różnych ośrodkach.
(3) Oprócz załamania światła, fale świetlne również ulegają odbiciu. Odbicie światła przez płaskie lustro jest jednym z przykładów zjawiska odbicia światła. Odbicie światła przez płaskie lustro umożliwia wykorzystanie płaskich luster jako narzędzi do makijażu.
(4) Dyfrakcja występuje nie tylko w przypadku fal elektromagnetycznych, takich jak fale świetlne, ale także w przypadku fal mechanicznych, takich jak fale wodne i fale dźwiękowe.
(5) Oprócz fal elektromagnetycznych, takich jak fale świetlne, interferencji ulegają także fale mechaniczne, takie jak fale wodne, fale linowe czy fale dźwiękowe.
Prawidłowa odpowiedź to D.
13. Zwróć uwagę na następujące właściwości fal!
(1) doświadczanie dyfrakcji
(2) doświadczanie refleksji
(3) nie może rozprzestrzeniać się w próżni
(4) może doświadczyć polaryzacji
(5) porusza się prosto, przechodząc przez dwa różne ośrodki
Spośród powyższych właściwości fal, cechami odpowiadającymi falom dźwiękowym są...
A. (1), (2) i (3)
B. (1), (2) i (4)
C. (1), (3) i (4)
D. (2), (3) i (4)
E. (3), (4) i (5)
Pembahasan
(1) Dyfrakcja występuje nie tylko w przypadku fal elektromagnetycznych, takich jak fale świetlne, ale także w przypadku fal mechanicznych, takich jak fale dźwiękowe.
(2) Odbicie lub odbicie występuje w przypadku fal elektromagnetycznych, takich jak fale świetlne, oraz fal mechanicznych, takich jak fale dźwiękowe lub fale wodne. Przykładem odbicia fal dźwiękowych jest echo.
(3) Fale dźwiękowe są falami mechanicznymi. Fale mechaniczne to fale, które do rozchodzenia się wymagają ośrodka. Jeśli nie ma ośrodka, takiego jak próżnia, fale dźwiękowe nie mogą się rozchodzić.
(4) Polaryzacja występuje w przypadku fal poprzecznych, takich jak fale linowe, fale powierzchniowe wody oraz fale elektromagnetyczne, takie jak fale świetlne. Fale dźwiękowe są falami podłużnymi i dlatego nie mogą podlegać polaryzacji.
(5) Podczas propagacji z jednego ośrodka do innego fale dźwiękowe ulegają załamaniu, czyli zmianie kierunku propagacji. Załamanie następuje, gdy fala zaczyna wchodzić do innego ośrodka.
Prawidłowa odpowiedź to A.
Źródło pytania:
Pytania z egzaminu państwowego z fizyki dla uczniów szkół ponadgimnazjalnych i zawodowych
