RATKAISUT: 14. Aaltoliike, heijastuminen ja taittuminen
Transcription
RATKAISUT: 14. Aaltoliike, heijastuminen ja taittuminen
Physica 9 RATKAISUT 2. painos 1(7) 14. Aaltoliike, heijastuminen ja taittuminen RATKAISUT: 14. Aaltoliike, heijastuminen ja taittuminen 14.1 a) Aallonpituus on kahden lähimmän samassa vaiheessa olevan värähtelijän välimatka. b) Aaltoliikkeen perusyhtälö on v = λ f , jossa λ on aallonpituus, f on taajuus ja v on aallonnopeus. c) Taitekerroin määritellään valolle. Taitekerroin kuvaa, millainen valon nopeus on väliaineessa. Aineen A taitekerroin on nA = c0 , jossa c0 on valon nopeus tyhjiössä ja cA cA valon nopeus aineessa A. d) Taitesuhde on jokaiselle aineparille ominainen vakio n12 = v1 λ1 = . Taitesuhde kuvaa, v2 λ2 kuinka voimakkaasti rajapinta taittaa aaltoja. e) Kun aaltolähde ja havaitsija liikkuvat toistensa suhteen, havaitsija havaitsee aaltoliikkeen taajuuden erilaisena kuin aaltolähteen taajuus on. Jos aaltolähde lähestyy havaitsijaa, taajuus havaitaan suurempana ja, jos aaltolähde etääntyy havaitsijasta, niin taajuus havaitaan pienempänä. 14.2 Aallon nopeus on v1 = 14,3 m , tulokulma α1 = 18,9° , taitesuhde n12 = 1, 67 , s taitekulma α 2 = ? ja kysytään nopeutta v2 = ? . a) Taittumislaista sin α 2 = sin α1 = n12 saadaan sin α 2 sin α1 sin18,9° = = 0,19396 n12 1, 67 ja taitekulma α 2 = 11,1841° ≈ 11, 2°. b) Rajapinnan taitesuhde on n12 = v1 , josta saadaan aallon nopeus väliaineessa 2 v2 m 14,3 v1 s = 8,5629 m ≈ 8,56 m . v2 = = n12 1, 67 s s Vastaus: a) Taitekulma on 11,2°. b) Nopeus väliaineessa 2 on 8,56 m/s. © Tekijät ja WSOY Oppimateriaalit Oy, 2007 © Piirrokset: Pekka Könönen ja tekijät Physica 9 RATKAISUT 2. painos 2(7) 14. Aaltoliike, heijastuminen ja taittuminen 14.3 a) Ääniraudan taajuus on f = 440 Hz , äänen nopeus ilmassa vi = 343 m s ja kysytään aallonpituutta λ = ? . Aaltoliikkeen perusyhtälö v = λ f . Ratkaistaan aallonpituus m 343 vi s = 0, 77955 m ≈ 0, 78 m. λi = = f 440 Hz b) Äänen nopeus alumiinissa on vAl = 5000 m . s Ääniaaltojen taajuuden määrää värähtelijä, joten taajuus alumiinitangossa on f = 440 Hz. m 5000 vAl s = 11,3636 m ≈ 11, 4 m. Aallonpituus λAl = = f 440 Hz c) Antennin pituus on l = 78 cm ja taajuutta kysytään f = ? . Antenni ottaa parhaiten vastaan signaalia, jonka aallonpituus on λ = 2l. Aaltoliikeopin perusyhtälöstä sähkömagneettisille aalloilla on c = λ f . Ratkaistaan taajuus c c f = = = λ 2l m s 2 ⋅ 0, 78 m 2,998 ⋅108 = 192,1795 ⋅106 Hz ≈ 190 MHz. Vastaus: a) Ääniaaltojen aallonpituus ilmassa on 0,78 m. b) Ääniaaltojen taajuus on 440 Hz ja aallonpituus on 11.4 m alumiinitangossa. c) Radioaaltojen taajuus on 190 MHz. 14.4 a) Kun luonnon (ns. valkoinen) valo taittuu prismassa, tapahtuu dispersio eli väreihin hajoaminen. Lasisen prisman taitekerroin riippuu valon aallonpituudesta. Punainen taittuu vähiten ja violetti taittuu eniten (nviol > npun ). b) Veden taitekerroin näkyvälle valolle on noin 1,3 ja lasin noin 1,5. Lasi on valolle optisesti tiheämpää kuin vesi, koska lasin taitekerroin on suurempi. Tällöin valon säde taittuu vedestä lasiin niin, että lasissa säde taittuu normaaliin päin. Kokonaisheijastusta ei voi tapahtua. Väite on väärä. © Tekijät ja WSOY Oppimateriaalit Oy, 2007 © Piirrokset: Pekka Könönen ja tekijät Physica 9 RATKAISUT 2. painos 3(7) 14. Aaltoliike, heijastuminen ja taittuminen c) Kun valo kulkee vedestä ilmaan, valo taittuu normaalista poispäin. Ihminen ei tajua valon säteen taittumista, joten kala vaikuttaa suuremmalta. d) Veden taitekerroin näkyvälle valolle on noin 1,3, lasin noin 1,5 ja ilman noin 1,0. Lasi on valolle optisesti tiheämpää kuin ilma ja vesi, joten kokonaisheijastuminen voi tapahtua, kun valo tulee lasista joko ilmaan tai lasista veteen. Katsottaessa akvaarion sisälle, kokonaisheijastuminen tapahtuu sivuseinän lasin ja ilman rajapinnassa kuvan mukaisesti. Pinta, josta kokonaisheijastuminen tapahtuu, näyttää hopeoidulta peilipinnalta. Se heijastaa vedestä sironnutta valoa. 14.5 Tulokulma on α1 = 62, 0°, lasin paksuus h = 3,50 cm, ilman taitekerroin n1 = 1, 00 ja lasin taitekerroin n2 = 1,51 . a) Lasketaan taittumislaista sin α1 n2 = taitekulma ensimmäisessä sin α 2 n1 rajapinnassa sin α 2 = n1 1, 00 sin α1 = ⋅ sin 62, 0° = 0,58473 n2 1,51 ja α 2 = 35, 78417°. Kuviosta saadaan cos α 2 = h h 3,50 cm , josta s = = = 4,31446 cm. s cos α 2 cos 35, 78417° Valon säde muuttaa suuntaa kulman Δα verran Δα = α1 − α 2 = 62, 0° − 35, 78417° = 26, 21583° ja lasersäde poikkeaa lasissa matkan d = s ⋅ sin Δα = 4,31446 cm ⋅ sin 26, 21583° = 1,90593 cm ≈ 1,9 cm. © Tekijät ja WSOY Oppimateriaalit Oy, 2007 © Piirrokset: Pekka Könönen ja tekijät Physica 9 RATKAISUT 2. painos 4(7) 14. Aaltoliike, heijastuminen ja taittuminen b) Aineen taitekerroin riippuu valon aallonpituudesta (taajuudesta). Kolmion muotoisessa lasikappaleessa (prismassa) taittuminen tapahtuu kummassakin rajapinnassa samaan suuntaan, jolloin eri aallonpituuksien kulkusuunnan muuttuminen vahvistuu. Punainen taittuu vähiten ja violetti eniten. Tasapaksussa lasilevyssä tapahtuu yhdensuuntaissiirtymä, jolloin väreihin hajaantumista ei tapahdu. Vastaus: a) Lasersäde poikkeaa 1,9 cm. 14.6 Näkökulma on α = 58, 0°, katselukorkeus y = 1, 62 m, altaan syvyys h = 3, 00 m, ilman taitekerroin n1 = 1, 00 ja veden taitekerroin n2 = 1,33 a) Valon säteiden taittumisen vuoksi lamppu näyttää olevan todellisuutta kauempana. b) Kun valo tulee veden ja ilman rajapintaan, se taittuu ilmassa normaalista poispäin. Näkökulma on α = 58, 0°, joten valon taitekulma β vedestä ilmaan saadaan kuvaajasta suorakulmaisen kolmion avulla β = 90, 0° − α = 90, 0° − 58, 0° = 32, 0°. Taittumislain nv sin γ = ni sin β mukaan valon säteen tulokulma vedessä saadaan sin γ = ni sin β 1, 00 ⋅ sin 32, 0° = = 0,39844 nv 1,33 γ = 23, 4804°. Etäisyys kuvan kolmioiden perusteella x = y tan β + h tan γ = 1, 62 m ⋅ tan 32, 0° + 3, 00 m ⋅ tan 23, 4804° = 2,3155 m ≈ 2,32 m. Vastaus: b) Lampun etäisyys altaan seinämästä on 2,14 m. 14.7 a) Polarisoitunutta valoa havaitaan muun muassa: – polarisoivien aurinkolasien läpi tuleva valo – nestekidenäyttöjen lähettämä valo – taivaan sininen valo – eristeaineen pinnasta heijastunut valo (täydellinen polarisaatio, jos heijastuneen ja taittuneen säteen välinen kulma on 90˚) © Tekijät ja WSOY Oppimateriaalit Oy, 2007 © Piirrokset: Pekka Könönen ja tekijät Physica 9 RATKAISUT 2. painos 5(7) 14. Aaltoliike, heijastuminen ja taittuminen b) Lasi on eriste, joten sen pinnasta heijastuneet säteet ovat ainakin osittain polarisoituneita. Tällöin lasiin taittuvat säteet eivät sisällä kaikkia sähkökentän värähtelytasoja, joten lasin läpäissyt valo on osittain polarisoitunutta. c) Ilman taitekerroin on ni = 1, 00 ja lasin taitekerroin taulukosta nl = 1,51 . Brewsterin lain mukaan täydellinen polarisaatio tapahtuu, kun heijastuneen ja taittuneen säteen välinen kulma on 90˚, jolloin polarisaatiokulma voidaan laskea tan α p = n2 1,51 = , n1 1, 00 josta täydellisen polarisaation kulma on α p = 56, 4854° = 56, 49° . Vastaus: c) Täydellinen polarisaatio tapahtuu, kun tulokulma on 56,49˚. 14.8 a) Mitataan kulmat α1 = 33° ja α 2 = 20°. Taittumislain perusteella sin α1 nlasi = . sin α 2 nilma Saadaan lasin taitekertoimeksi nlasi = nilma sin α1 sin 33° = 1, 00 ⋅ = 1,5924 ≈ 1,59. sin α 2 sin 20° b) Taitekerroin määritellään nlasi = c0 . clasi Ratkaistaan valonnopeus lasissa clasi c = 0 = nlasi m s = 1,8828 ⋅108 m ≈ 1,9 ⋅108 m . 1,5924 s s 2,998 ⋅108 Vastaus: a) Lasin taitekerroin on 1,59. b) Valon nopeus lasissa on 1,9 ⋅108 m . s 14.9 Valonsäteen tulokulma on α1 = 52,5° , ilman taitekerroin n2 = 1, 00, veden taitekerroin n2 = 1,33 ja lasin taitekerroin n3 = 1, 61 . © Tekijät ja WSOY Oppimateriaalit Oy, 2007 © Piirrokset: Pekka Könönen ja tekijät Physica 9 RATKAISUT 2. painos a) Lasketaan taitekulma α 2 taittumislaista sin α 2 = 6(7) 14. Aaltoliike, heijastuminen ja taittuminen sin α1 n2 = , josta sin α 2 n1 n1 1, 00 sin α1 = ⋅ sin 52,5° = 0,59651 ja α 2 = 36, 6201°. n2 1,33 Merkitään, että tulokulma peiliin on β1 . Säteiden muodostaman suorakulmaisen kolmion perusteella saadaan peilin kaltevuuskulmaksi (90 − β1 + Θ) + α 2 + 90° = 180° , josta Θ = β1 − α 2 . Lasinlevyn pannassa tapahtuu heijastuneen säteen täydellinen polarisaatio, joten Brewsterin laista saadaan tulokulma β1 tan β1 = n3 1, 61 = = 1, 21053 n2 1,33 ja β1 = 50, 4403° . Siten peilin kaltevuuskulma on Θ = β1 − α 2 = 50, 4403° − 36, 6201° = 13,8202° ≈ 13,8°. b) Vesi-ilma –rajapinnassa tapahtuu kokonaisheijastuminen, jos tulokulma on riittävän suuri. Lasketaan kokonaisheijastuksen rajakulma taittumislain perusteella sin α r n 1, 00 = 1 = = 0, 75188 , sin 90° n2 1,33 josta rajakulma α r = 48, 7535°. Säteiden muodostaman kolmion perusteella 180° − (90° − 36, 6201°) − 2 ⋅ 50, 4403° = 25, 7395° , josta vesi-ilma –rajapinnan tulokulma kuvan tilanteessa on γ = 90° − 25, 7395° = 64, 2605°. Koska tulokulma γ > α r , niin kokonaisheijastuminen tapahtuu ja heijastunutta valoa ei havaita veden pinnan yläpuolella. Vastaus: a) Lasilevy muodostaa kulman 13,8° vaakatason kanssa. b) Tapahtuu kokonaisheijastuminen, valoa ei havaita veden pinnan yläpuolella. © Tekijät ja WSOY Oppimateriaalit Oy, 2007 © Piirrokset: Pekka Könönen ja tekijät Physica 9 RATKAISUT 2. painos 7(7) 14. Aaltoliike, heijastuminen ja taittuminen 14.10 Kuidun ydinosan taitekerroin on nkuitu = 1,530 ja kuoren nkuori = 1,520. Kuidun ydinosan halkaisija on 70,0 µm ja pituus l = 1,0 km. Valonnopeus tyhjiössä on c0 ja kuidussa ckuitu = c0 . nkuitu Nopeimmin etenevä säde kulkee kuidussa suoraan matkan l = 1, 0 km , joten pienin aika on tmin = ln l l = = kuitu . c0 ckuitu c0 nkuitu Hitaimmin etenevä säde kulkee kuidussa niin, että se kokonaisheijastuu mahdollisimman monta kertaa kuidun ytimen ja kuoriosan rajapinnasta. Tällöin säde saapuu kuituun kokonaisheijastuksen rajakulmassa nkuitu sin α1 = nkuori sin 90° sin α1 = nkuori . nkuitu Kuvan mukaan sin α1 = x= l x ln l l = = kuitu . nkuori sin α1 nkuori nkuitu Nyt hitaimmin edenneen valonsäteen kulkuaika on tmax = xn x x = = kuitu c0 ckuitu c0 nkuitu lnkuitu nkuitu nkuori ln 2 = = kuitu . c0 c0 nkuori Aikaero hitaimmin edenneen ja nopeimmin edenneen säteen välillä on Δt = tmax − tmin = Δt = tmax − tmin = b) 2 lnkuitu ln ln n − kuitu = kuitu ( kuitu − 1) c0 nkuori c0 c0 nkuori m ⋅1,530 1,530 s ⋅( − 1) = 3,3575 ⋅10−8 s = 0, 034 μs. m 1,520 8 2,998 ⋅10 s 1, 0 ⋅103 Jotta pulssit voidaan erottaa, niiden välin pitää olla vähintään 2 ⋅ Δt , joten suurin mahdollinen käytettävissä oleva taajuus on tämän ajan käänteisarvo f max = 1 1 = = 14,892 ⋅106 Hz = 15 MHz. 2Δt 2 ⋅ 3,3575 ⋅10−8 s Vastaus: a) Hitaimmin ja nopeimmin edenneen säteen välinen aikaero kuidussa on 0, 034 μs. b) Suurin taajuus on 15 MHz. © Tekijät ja WSOY Oppimateriaalit Oy, 2007 © Piirrokset: Pekka Könönen ja tekijät