Fysik 2 – Mekaniska vågor – Instuderingsfrågor

Mekaniska vågor såsom ljud och vågor på vatten är vad detta avsnitt ur Fysik 2-kursen handlar om. Mekaniska vågor är en av två delar av kapitlet om vågrörelseläran för Fysik 2. I motsats till de elektromagnetiska vågorna kräver det mekaniska vågorna ett medium för att förflytta sig men mer om det längre ner på sidan. Instuderingsfrågorna förklarar även vad skillnaden är mellan en transversell- och longitudinell våg, de olika egenskaperna för en våg samt vad superpositionsprincipen är. Här förklaras även stående vågor i en sträng och mycket mer! Kort och gott: allt du behöver för att klara avsnittet om de mekaniska vågorna för Fysik 2. 

Begrepp som tas upp och förklaras är:

• Vågor
• Amplitud
• Våghastighet (v)
• Svängning
• Period (T)
• Frekvens (f)
• Våglängd (λ)
• Superpositionsprincipen
• Reflektion & transmission
• Konstruktiv och destruktiv interferens
• Fasförskjutning
• Stående vågor i sträng
• Öppen pipa
• Grundton, första övertonen, andra övertonen
• Sluten pipa
• Halvöppen/halvsluten pipa
• Dopplereffekten
• Ljudnivå & ljudintensitet

TRYCK HÄR för att testa din kunskap med hjälp av uppgifter från vår uppgiftsbank!

Vi på FysikStugan rekommenderar att du använder dessa instuderingsfrågor när du pluggar inför ett prov. Då antingen som en sammanfattning för att lära dig mer om de begrepp som rör de mekaniska vågorna eller som övningsprov för att testa dina kunskaper. Är det ett specifikt begrepp du kommit hit för att veta mer om så tipsar vi om funktionen “ctrl + f” så får du upp en sökruta där du skriver in vad du söker så du slipper leta igenom allt. Och för dig som egentligen kom hit för att få beräkningsuppgifter om elektromagnetiska vågor, klicka på länken här precis ovanför. 

Vi vill innan ni börjar läsa sammanfattningen här nedanför poängtera att om ni känner att en förklaring är dålig eller ni hittar någon felstavning/felformulering, tveka då inte utan ta kontakt med oss direkt så rättar vi till det ASAP! Tack på förhand ?

Instuderingsfrågor till avsnittet Mekaniska vågor för Fysik 2

1. Vad är en våg/puls?

En våg är energi som transporteras i ett medium. I ett medium kan en störning  skickas som antingen en våg eller en puls. Skillnaden mellan en puls och en stående våg är att en puls är en störning som skickas i ett medium medan en stående våg är jämnt upprepande störningar.

Det finns olika typer av vågor. Dels mekaniska vågor såsom ljudvågor och elektromagnetiska vågor som till exempel ljus.

2. Vad är en transversell våg?

I en transversell våg svänger mediet vinkelrätt mot vågens utbredningsriktning (se bild). Exempel på vågor som svänger transversellt är en gitarrsträng eller en ”riktig” våg. 

3. Vad är en longitudinell våg?

En longitudinell våg svänger parallellt med vågens utbredningsriktning (se bild). I en longitudinell våg komprimeras vågen först och sedan återställs den. Exempel på longitudinella vågor är ljudvågor och en fjäder. 

4. Vilka är egenskaperna för en våg?

Amplitud (A): Amplituden är det maximala avståndet för en punkt i mediet från jämviktsläget. 

Våghastighet (v): Hastigheten som vågen (energin) utbreder sig med. I luft är ljudvågors hastighet 343 m/s och i fast materia ökar hastigheten. Ljus utbreder sig med c. (För att se formel på hur våghastigheten beräknas, klicka här). 

Svängning: Då punkten p rör sig till Q och tillbaka har en svängning genomförts. 

Period (T): Perioden är tiden för en svängning. 

Frekvens (f): Frekvens är antalet svängningar per sekund. Frekvensen mäts i Hertz (Hz). Låga Hertz (under 20 Hz) kallas infraljud. Infraljud har en lång våglängd och kan därför transporteras mycket långt. Djur som använder sig av infraljud är valar och elefanter. Höga Hertz (20 000 +) kallas ultraljud. Ultraljud har en kort våglängd och dämpas lätt. Djur som använder ultraljud är fladdermöss.

Våglängd (λ): Sträckan vågen rör sig under en period. 

Superpositionsprincipen. När två vågor/pulser möts adderas deras utslag. Resultatet för ett tillfälle när pulserna (de svarta ”boxarna”) möts är demonstrerat i grått.

5. Vad är superpositionsprincipen?

Superpositionsprincipen är en princip och enligt superpositionsprincipen så adderas vågor/pulser då de möts.  (se bild)

För att förstå superpositionsprincipen ska du kunna förklara den men framförallt kunna rita den med bilder. 

6. Hur fungerar reflektion och transmission?

Reflektion (spegling) och transmission sker båda när energi möter en gräns (kan vara en vägg eller liknande). Reflektion sker då ”då energi ”studsar” tillbaka och transmission sker då energin försätter genom en gräns.

Transmission och reflektion sker då en puls/väg stöter på ett medium. Oftast sker reflektion och transmission samtidigt (alltså en del av energin studsar tillbaka och en del fortsätter rakt fram).

Reflektion kan ske mot en fast ände (typ väg) och mot en fri ände (ett lösare medium).

Vid reflektion mot en fast ände (tätare medium) så reflekteras vågen omvänt (se översta två figurerna i bilden). Då fasförskjuts vågen/pulsen en halv våglängd. 

Vid reflektion mot en fri ände (ett lösare medium) reflekteras vågen rättvänt och fasförskjuts därmed inte (se två nedre figurerna i bilden till höger). 

Vid transmission kommer alltid energin att transmitteras rättvänt. 

7. Vad är interferens? Vad är konstruktiv och destruktiv interferens?

Vågor som möts kommer att påverka varandra, störa varandra. Vi säger att de interfererar med varandra och för beräkningar på interferens används superpositionsprincipen.

Vågor i samma fas (med topp samtidigt) kommer att förstärka varandra. Vi säger att de interfererar konstruktivt.

Vågor i motfas (med en topp och en dal då de möts) kommer att släcka ut varandra. Vi säger att de interfererar destruktivt.

Mellan de två punkterna P och Q finns en maximilinje där konstruktiv interferens sker. En linje där allt är utsläckt kallas för en nodlinje. Längs nodlinjen sker destruktiv interferens. Vid första nodlinjen är vägskillnaden en halv våglängd, vid andra 1,5 våglängder, tredje 2,5 våglängder och så vidare. 

8. Hur kan vågor fasförskjutas? Vad innebär det att en våg fasförskjuts?

Vågor fasförskjuts vid en reflektion mot ett tätare medium. Då fasförskjuts dem en halv våglängd vilket innebär att om de vid kontakt med ett tätare medium befann sig vid en vågtopp kommer de vid reflektion att förskjutas till en vågdal (en halv våglängd). 

9. Hur fungerar stående vågor i sträng?

En stående våg är ett resonansfenomen och också en transversell våg. Den reflekterade vågen förstärker den ursprungliga vågen i vissa punkter och motverkar den i andra. Förstärkningen kallas för bukar och utsläckningen för noder.

I noder är vågorna i motfas, de interfererar därför destruktivt.

I bukar är vågorna i fas och interfererar konstruktivt.

Hastigheten på vågen beror på vågens egenskaper.

I stående vågor finns det olika toner. I ett snöre vars längd är L finns följande toner (se bild till höger) (mode = överton).

Mellan varje överton finns en nod och en buk. Det är en halv våglängd mellan två noder eller två bukar (λ/2). Mellan en nod och en buk är det en fjärdedels våglängd.

Mellan varje överton skiljer det alltid en buk och en nod. Till exempel har andra övertonen tre noder och två bukar vilket är en nod och en buk mer än den första övertonen har (två noder och en buk). 

TIPS: Lär dig hur du ritar ut alla övertoner i en stående våg i sträng. 

10. Hur fungerar stående vågor i öppen pipa/rör?

En stående våg i öppen pipa/rör börjar och slutar alltid med en buk. Eftersom mediet är luft är vågen longitudinell. 

Grundtonen måste alltså börja och sluta med en buk. För att det ska vara möjligt måste det vara en nod i mitten. På den översta figuren (a) till höger ser vi att grundtonen är en halv våglängd. 

I den första övertonen adderas ytterligare en buk. Det finns då två noder och tre bukar vilket motsvarar en hel våglängd (se bild och figur (b)).

I den andra övertonen adderas ännu en buk. Det finns då fyra bukar och tre noder. Detta innebär att den andra övertonen är en och en halv våglängd. Se figur (c).

Slutsats som vi kan dra av detta är att våglängden beräknas:

TIPS: Lär dig hur du ritar ut alla övertoner i en stående våg i öppen pipa/rör. 

11. Hur fungerar stående vågor i sluten pipa/rör?

Stående vågor i en sluten pipa/rör fungerar på samma sätt som stående vågor i sträng. Se därför fråga 9 igen. 

12. Hur fungerar stående vågor i halvöppen/halvsluten pipa/rör?

En stående våg i en halvöppen/halvsluten pipa/rör med längden l har alltid en nod i den slutna änden och en buk i den öppna (se figur till höger). Tonen med bara en buk och en nod är därför grundtonen. 

Våglängden för grundtonen är därmed 4l (λ =4l).

Den första övertonen har två bukar och två noder.

Den andra övertonen har tre bukar och tre noder. 

Slutsats vi drar är att:

13. Vad är dopplereffekten?

Dopplereffekten kallas den förändring i frekvens eller våglängd hos elektromagnetisk strålning som uppkommer då strålningskällan rör sig mot eller bort från observatören (personen/objektet som ”hör” ljudet”. Ett exempel är en ambulans. När ambulansbilen kör mot dig blir frekvensen högre eftersom det blir fler vågtoppar per sekund då bilen kör ”ikapp sig själv”. Tvärtom när ambulansbilen har passerat dig, då blir frekvensen istället lägre. 

14. Vad är ljudnivå och ljudintensitet?

Ljudnivå (eller ljudvolym) är ett ljuds styrka och uttrycks i decibel (dB). Ljudintensiteten (tillsammans med ljudtryck) är ett sätt att uttrycka ljudets styrka. 

Ljudnivå är relativt vilket innebär att det kräver ett referensvärde. Detta referensvärde är satt så det ligger nära en normalhörande människas hörseltröskel med en frekvens på 15 Hz. För ljudintensiteten ligger referensvärdet omkring 10^-12 W/m^2.

Klicka här för att se formler på ljudnivå och ljudintensitet som är mycket bra att kunna. 

Till uppgifterna om Mekaniska vågor