ιαγώνισµα Γ Τάξης Ενιαίου Λυκείου Κύµατα - Φαινόµενο Doppler Ενδεικτικές Λύσεις Κυριακή 4 Νοέµβρη 2018 Θέµα Α

Transcript

1 ιαγώνισµα Γ Τάξης Ενιαίου Λυκείου Κύµατα - Φαινόµενο Doppler Ενδεικτικές Λύσεις Κυριακή 4 Νοέµβρη 2018 Θέµα Α Α.1. Κατά µήκος µιας ελαστικής χορδής διαδίδεται ένα εγκάρσιο αρµονικό κύµα, χωρίς ενεργειακές απώλειες. Καθώς το κύµα αποµακρύνεται από την πηγή του : (γ) η ϕάση ταλάντωσης των σηµείων της χορδής µειώνεται. Α.2. Σε χορδή που έχει το ένα άκρο της ακλόνητα στερεωµένο ϑέτουµε σε ταλάντωση το ελεύθερο άκρο της µε κατάλληλο µηχανισµό. Πάνω στην χορδή, διακρίνονται συνολικά µετά από λίγο τρία σηµεία που παραµένουν συνεχώς ακίνητα,ενώ το ελεύθερο άκρο ταλαντώνεται µε το µέγιστο δυνατό από το ελε- πλάτος Ενα υλικό σηµείο που απέχει οριζόντια απόσταση 7λ 8 ύθερο άκρο, ϑα εµφανίζει µε αυτό διαφορά ϕάσης : (α) π (γ) µηδέν Α.3. Σε ένα γραµµικό ελαστικό µέσο που ταυτίζεται µε τον ϑετικό ηµιάξονα διαδίδεται εγκάρσιο αρµονικό κύµα. Στο παρακάτω στιγµιότυπο διακρίνονται δύο σηµεία Α και Γ του ελαστικού µέσου τα οποία : (ϐ) κινούνται και τα δύο προς την ϑέση ισορροπίας τους. 1

2 Α.4. Συρµός του µετρό κινείται ευθύγραµµα µε σταθερή ταχύτητα πλησιάζοντας τον επόµενο σταθµό του. Ο µηχανοδηγός µέσω της κόρνας δη- µιουργεί αρµονικό ήχο συχνότητας f και µήκους κύµατος λ για όση ώρα κινείται. Ενας επιβάτης που ϐρίσκεται στο τελευταίο ϐαγόνι του συρµού και κάθεται στην ϑέση του, αντιλαµβάνεται τον παραπάνω ήχο µε συχνότητα f και µήκος κύµατος λ για τα οποία ισχύει : (δ) f = f και λ > λ Α.5. (α) Η ταχύτητα διάδοσης ενός κύµατος εξαρτάται από τις ιδιότητες του ε- λαστικού µέσου και την συχνότητα της πηγής του κύµατος. Λάθος (ϐ) Κατά την συµβολή δύο κυµάτων που δηµιουργούνται από σύγχρονες πηγές, στην επιφάνεια ενός υγρού, όλα τα σηµεία του ελαστικού µέσου ϑα ταλαντώνονται µε πλάτος διπλάσιο από το πλάτος των πηγών. Λάθος (γ) Σε ένα στάσιµο κύµα όλα τα σηµεία του µέσου τα οποία ταλαντώνονται ϕτάνουν ταυτόχρονα σε ϑέσεις µέγιστης αποµάκρυνσης. Σωστό 2

3 (δ) Το Φαινόµενο Doppler µπορεί να χρησιµοποιηθεί στην αστρονοµία για τον υπολογισµό ταχυτήτων των άστρων σε σχέση µε την Γη.Σωστό (ε) Οταν ένας παρατηρητής πλησιάζει µε σταθερή ταχύτητα µια ακίνητη ηχητική πηγή, η συχνότητα του ήχου που ακούει είναι συνεχώς µεγαλύτερη από τη συχνότητα που παράγει η πηγή. Σωστό Θέµα Β Β.1. Μια πηγή ηχητικών κυµάτων παράγει αρµονικό ήχο συχνότητας f 1 και µήκους κύµατος λ 1. Ενας ανιχνευτής ήχων καταγράφει για τον παραπάνω ήχο συχνότητα f 2 = 2f 1 και µήκος κύµατος λ 2 = 0, 8λ 1. Αν σας είναι γνωστό ότι η πηγή κινείται µε ταχύτητα υ 1 και ο παρατηρητής µε ταχύτητα υ 2 τότε για τις ταχύτητες ϑα ισχύει ότι : (γ) υ 2 = 3 υ 1 Αφού f 2 > f 1 τα δύο σώµατα ϑα πλησιάζουν µεταξύ τους και αφού λ 2 < λ 1 η πηγή πλησιάζει προς τον παρατηρητή. λ 2 = 0, 8λ 1 = λ 1 υ 1 T υ 1 = 0, 2λ 1 f 1 = 0, 2υ ηχ f 2 = υ ηχ + υ 2 f 1 = 2f 1... υ 2 = 0, 6υ ηχ υ ηχ υ 1 Β.2. Πάνω στην επιφάνεια ενός ήρεµου υγρού τοποθετούνται δύο σύγχρονες πηγές αρµονικών κυµάτων που έχουν το ίδιο πλάτος ταλάντωσης. Ενα σηµείο Σ της επιφάνειας του υγρού ξεκινά να ταλαντώνεται την στιγµή t 1 που η ϕάση ταλάντωσης κάθε πηγής ισούται µε 2π και διπλασιάζει το πλάτος ταλάντωσης του την στιγµή t 2 όταν έχει ολοκληρώσει 3 πλήρεις ταλαντώσεις. Ενα δεύτερο σηµείο Μ που ϐρίσκεται στο µέσο του ευθυγράµµου τµήµατος που ενώνει τις δύο πηγές ξεκινά να ταλαντώνεται την στιγµή t 1. Η δια- ϕορά ϕάσης των ταλαντώσεων που εκτελούν τα παραπάνω σηµεία µετά την συµβολή των δύο κυµάτων σε αυτά ϑα είναι : 3

4 (ϐ) 2π Οταν η ϕάση ταλάντωσης κάθε πηγής έχει γίνει 2π σηµαίνει ότι έχει πε- ϱάσει χρόνος T, άρα t 1 = T r 1 = λ. Επίσης t 2 = t 1 + 3T r 2 = r 1 + 3λ. Η εξίσωση ταλάντωσης του σηµείου Σ µετά την συµβολή των δύο κυµάτων σε αυτό ϑα είναι : ( y = 2Aσυν 2π r ) ( 2 r 1 ηµ ωt 2π r ) 1 + r 2 y = 2Aηµ (ωt 5π) 2λ 2λ φ = ωt 5π + π = ωt 4π Για το σηµείο Μ που ϐρίσκεται στο µέσο του ευθυγράµµου τµήµατος ισχύει ότι r 1 = r 2 = λ (το σηµείο Μ ξεκινά να ταλαντώνεται ταυτόχρονα µε το Σ, άρα r 1 = r 1 ) ( y = 2Aσυν 2π r 2 r 1 ) ( ηµ ωt 2π r 1 + r ) 2 y = 2Aηµ (ωt 2π) 2λ 2λ φ = ωt 2π Αρα η διαφορά ϕάσης είναι 2π. Β.3 Πάνω σε χορδή µεγάλου µήκους που ταυτίζεται µε τον x Ox διαδίδονται ταυτόχρονα δύο κύµατα που έχουν το ίδιο πλάτος Α, ίδια συχνότητα f και αντίθετες ταχύτητες διάδοσης. Το υλικό σηµείο Ο(x = 0) ϑα εκτελεί ταλάντωση πλάτους 2A ξεκινώντας από την ϑέση ισορροπίας του κινούµενο προς τα πάνω. Ενα υλικό σηµείο Ζ της χορδής, που ϐρίσκεται ανάµεσα στον πρώτο δεσµό και την πρώτη κοιλία του ϑετικού ηµιάξονα, διέρχεται από την ϑέση ισορροπίας του µε ταχύτητα µέτρου 2πf A. Αν λ το µήκος κύµατος, τότε η απόσταση ΟΖ ϑα είναι ίση µε : (α) λ 3 4

5 ( ) ( ) 2πx 2πx A = 2A συν = 2A συν = ± 1 λ λ 2 Λύνω την τριγωνοµετρική εξίσωση µε δεδοµένο από την εκφώνηση ότι για το Ϲητούµενο σηµείο ισχύει : λ 4 < x < λ 2 x = κλ ± λ 3 Η µόνη δεκτή λύση είναι η x = λ 3 ή x = κλ ± λ 6 Θέµα Γ Το άκρο Ο(x = 0) µιας οριζόντιας ελαστικής χορδής µεγάλου µήκους η οποία ταυτίζεται µε τον ϑετικό ηµιάξονα Ox ξεκινά την t = 0 να εκτελεί ταλάντωση µε εξίσωση y = Aηµ(ωt) µε αποτέλεσµα την διάδοση ενός εγκαρσίου αρµονικού κύµατος κατά µήκος της χορδής. Η απόσταση ανάµεσα στις ακραίες ϑέσεις της ταλάντωσης του Ο ισούται µε 0, 4m, ενώ η συχνότητα µεγιστοποίησης της κινητικής ενέργειας ταλάντωσης ισούται µε 10 Hz. Τέλος η οριζόντια απόσταση ανάµεσα σε ένα όρος και την µεθεπόµενη κοιλάδα ισούται µε 3m Γ.1 Να γράψετε την εξίσωση του αρµονικού κύµατος. Από την εκφώνηση προκύπτει ότι : 2A = 0, 4m, 2f = 10Hz και 3λ 2 = 3m Αρα υ δ = λf = 10m/s y = 0, 2ηµ (10πt πx) (S.I.) Γ.2 Για ένα σηµείο Κ(x = 3m) της χορδής, να γράψετε την χρονική εξίσωση επιτάχυνσης - χρόνου και να γίνει το αντίστοιχο διάγραµµα σε κατάλληλα αριθµηµένους άξονες. α = 200ηµ (10πt 3π) t 0, 3s (S.I.) 5

6 Γ.3 ύο σηµεία Μ και Ν απέχουν µεταξύ τους οριζόντια απόσταση 5m. Αν σας είναι γνωστό ότι το Μ ξεκίνησε την ταλάντωση του πριν το Ν, να ϐρεθεί η ϕάση ταλάντωσης του σηµείου Μ σε µια χρονική στιγµή που το Ν ϐρίσκεται στην ακραία ϑετική του ϑέση για πρώτη ϕορά. φ = ω t = 2πf x υ δ φ = 2π λ x = 5π φ M φ N = 5π y N = Aηµφ N = A φ N = π 2 Αρα προκύπτει ότι : φ M = 5π + π 2 = 11π 2 rad Γ.4 Να σχεδιάσετε το στιγµιότυπο του κύµατος σε κατάλληλα αριθµηµένους άξονες την χρονική στιγµή που το υλικό σηµείο Ο ϕτάνει για 4η ϕορά σε ακραία ϑέση της ταλάντωσης του. Οταν το Ο ϕτάνει για 4η ϕορά σε ακραία ϑέση έχει περάσει χρόνος T + 3T 4, οπότε το κύµα ϑα έχει προχωρήσει κατά λ + 3λ 4 Γ.5 Αν η µάζα του υλικού σηµείου στην ϑέση Ο είναι 10 6 kg να ϐρείτε το µέτρο του ϱυθµού µεταβολής της δυναµικής ενέργειας ταλάντωσης του την στιγµή που η αποµάκρυνση από την ϑέση ισορροπίας του είναι y = + A 2 6

7 du dt = dk dt = ΣF υ = +Dyv Εφαρµόζουµε την Α ΕΤ για να υπολογίσουµε την ταχύτητα ταλάντωσης : E = K + U v = ±ω A 2 y 2 = ± ωa 3 2 du dt = mω2a ωa 3 = π J/s 2 2 Θέµα ύο πηγές εγκαρσίων κυµάτων Π 1 και Π 2 που ϐρίσκονται στην επιφάνεια υγρού, τη χρονική στιγµή t = 0, αρχίζουν να εκτελούν ταυτόχρονα αρµονικές ταλαντώσεις που περιγράφονται από την ίδια εξίσωση, y = 0, 4ηµ(10πt) (S.I.) Για να ϕθάσει το κύµα της κάθε πηγής στην άλλη, χρειάζεται χρονικό διάστηµα 0, 7s. Ενα σηµείο της επιφάνειας του υγρού, Σ, που απέχει 4, 5m 7

8 από την πηγή Π 1 και 7, 5m από τη πηγή Π 2 αρχίζει να ταλαντώνεται τη χρονική στιγµή 0, 45s..1 Να ϐρείτε την ταχύτητα διάδοσης των κυµάτων στην επιφάνεια του υ- γρού και να γράψετε την εξίσωση του αρµονικού κύµατος που οι πηγές παράγουν. υ δ = r 1 = 4, 5 t 1 0, 45 = 10m/s ω = 2πf = 10π f = 5Hz υ δ = λf λ = 2m y = 0, 4ηµ (10πt πr) (S.I.).2 Να ϐρείτε το πλήθος των σηµείων ενισχυτικής συµβολής που ϐρίσκονται µεταξύ των δύο πηγών. Για ένα τυχαίο σηµείο ενισχυτικής συµβολής πάνω στο ευθύγραµµο τµήµα που ενώνει τις δύο πηγές (απόσταση ανάµεσα στις δύο πηγές d = υ δ t = 10 0, 7 = 7m) ισχύει ότι : r 1 r 2 = Nλ, r 1 + r 2 = d, 0 < r 1 < d Από τις παραπάνω σχέσεις προκύπτει ότι : N = 0, ±1, ±2, ±3, άρα τα σηµεία είναι 7..3 Να σχεδιάσετε τη γραφική παράσταση της ταχύτητας ταλάντωσης του σηµείου Σ σε συνάρτηση µε τον χρόνο σε αριθµηµένους άξονες για το χρονικό διάστηµα 0s t 1s. 8

9 Το σηµείο Σ είναι σηµεία αποσβεστικής συµβολής γιατί : r 2 r 1 = 7, 5 4, 5 = 3m = 3λ 2 Το δεύτερο κύµα ϕτάνει την στιγµή t 2 = r 2 = 0, 75s. Αρα για t 0, 75s υ δ το σηµείο ϑα παραµένει ακίνητο. Οπότε η εξισωση της ταχύτητας ταλάντωσης κατά την διάρκεια της ταλάντωσης ϑα είναι. v = { 0 για 0 t < 0, 45; 4πσυν (10πt 4, 5π) για 0, 45 t < 0, 75.4 Να ϐρείτε την ελάχιστη αύξηση επί τοις % που πρέπει να προκαλέσουµε στη συχνότητα των πηγών, ώστε το σηµείο Σ να αποκτήσει το µέγιστο δυνατό πλάτος µετά την συµβολή των δύο κυµάτων σε αυτό. Για να έχουµε ενισχυτική συµβολή πρέπει : r 1 r 2 = Nλ r 1 r 2 = N υ δ f = f υ δ N = 10 r 1 r 2 3 N Η συχνότητα που αντιστοιχεί στην ελάχιστη αύξηση είναι η f = 20 3 Hz, οπότε το Ϲητούµενο ποσοστό ϑα είναι : f f f 100% = % 9

10 .5 Ενα σηµείο Κ της επιφάνειας του υγρού απέχει από τις πηγές Π 1 και Π 2 αποστάσεις d 1 και d 2 αντίστοιχα. Η υπερβολή που διέρχεται από το Κ τέµνει το ευθύγραµµο τµήµα που ενώνει τις δύο πηγές στο σηµείο Λ που απέχει 1, 5m από την Π 1. Να ϐρείτε τις αποστάσεις d 1 και d 2 αν γνωρίζετε ότι το σηµείο Κ µετά την συµβολή ϑα έχει εξίσωση ταλάντωσης y = 0, 8ηµ(10πt 8π) (S.I.). Από την εξίσωση ταλάντωσης του Κ προκύπτει : 2π d 2 + d 1 = 8π d 2 + d 1 = 8λ 2λ Για το σηµείο Λ(r 1 = 1, 5m) ισχύει ότι r 2 +r 1 = d r 2 = 7 1, 5 = 5, 5m, Αρα r 1 r 2 = 4 = 2λ. Τα σηµεία Κ και Λ ϐρίσκονται πάνω στην ίδια υπερβολή ενίσχυσης, άρα και για το Κ ισχύει ότι d 1 d 2 = 2λ Από τα παραπάνω προκύπτει ότι d 1 = 6m και d 2 = 10m Πηγή Γ, : study4exams.gr 10