弹簧与单摆
- 弹簧振子
- T = 2π·√(m/k)
- 单摆
- T = 2π·√(L/g)
- 角频率
- ω = √(k/m) = 2π/T
- 最大速度和最大加速度
- vmax = A·ω, amax = A·ω²
- 能量
- E = ½·k·A²
波与光学：速成包
公式表、每个专题的关键方法步骤和 4 道练习题，完整解答附在最后。
1公式与方法
波、声与光学
- 波速
- v = fλ, T = 1/f
- 弦
- v = √(T/μ), μ = m/L
- 声级
- β = 10·log10(I/I0), I0 = 10⁻¹² W/m²
- 点声源
- I = P/(4πr²)
- 驻波
- 弦或两端开口的管 fn = n·v/(2L); 闭管 fn = n·v/(4L)，n 为奇数
- 多普勒效应
- f′ = f·(v ± vo)/(v ∓ vs)
- 折射率
- n = c/v, λ = λ0/n
- 斯涅尔定律
- n1sin θ1 = n2sin θ2
- 临界角
- sin θc = n2/n1
- 光纤
- NA = sin θa = √(n1² − n2²)
- 透镜与反射镜
- 1/f = 1/do + 1/di, m = −di/do, mirror f = R/2
- 双缝
- d·sin θ = mλ, ym = mλL/d
- 光栅
- d = 1/N, d·sin θ = mλ, mmax ≤ d/λ
- 单缝
- a·sin θ = mλ (dark), w = 2λL/a
方法
- 判断题目类型：波速、声级、驻波、多普勒、折射、透镜或反射镜，还是干涉。
- 先写出关系式：v = fλ，β = 10·log(I/I₀)，fₙ = n·v/(2L) 或 n·v/(4L)，f′ = f(v ± vo)/(v ∓ vs)，n₁sin θ₁ = n₂sin θ₂，1/f = 1/d₀ + 1/dᵢ，d·sin θ = mλ。
- 换算单位：nm、mm 和 cm 换成 m，并检查角度是否从法线量起。
- 检查符号和合理性：虚像的 dᵢ < 0，靠近的声源音调更高，闭管只有奇次谐波。
2练习题
1.弹簧与单摆中等
一个连在 k = 160 N/m 弹簧上的 2.8 kg 物体被沿正方向拉开 13 cm，在 t = 0 时由静止释放。 求 t = 1.4 s 时它相对于平衡位置的位移 x（带符号）。
m = 2.8 kgk = 160 N/mA = 13 cmt = 1.4 s
x = cm
2.弹簧与单摆困难
一个物体做简谐振动，周期为 2.3 s，振幅为 11 cm。 它从最大位移 11 cm 处运动到位移 7.7 cm 处所需的最短时间 t 是多少？
T = 2.3 sA = 11 cmx = 7.7 cm
t = s
3.波、声与光学中等
一个高 3 cm 的物体位于焦距为 10 cm 的薄发散透镜前 6 cm 处。求像高 hi（倒立的像为负）。
ho = 3 cmdo = 6 cmf = −10 cm
hi = cm
4.波、声与光学困难
一个物体位于曲率半径为 20 cm 的凹面镜前 8 cm 处。求像距 di，像在镜前（实像）为正，在镜后（虚像）为负。
do = 8 cmR = 20 cm
di = cm
3溶液
1.弹簧与单摆
答案: x = −5.213 cm
Simple harmonic motion: a mass m on a spring of stiffness k oscillates with angular frequency ω = √(k/m) and period T = 2π/ω = 2π·√(m/k). A simple pendulum of length L has T = 2π·√(L/g). With amplitude A, the largest speed is A·ω, the largest acceleration A·ω² and the energy ½·k·A².
角频率
ω = √(160/2.8) = 7.559 rad/s
ω·t = 7.559·1.4 = 10.58 rad
位移
x = A·cos(ω·t) = 13·cos(10.58) = −5.213 cm
答案
x = −5.213 cm
2.弹簧与单摆
答案: t = 0.2912 s
Simple harmonic motion: a mass m on a spring of stiffness k oscillates with angular frequency ω = √(k/m) and period T = 2π/ω = 2π·√(m/k). A simple pendulum of length L has T = 2π·√(L/g). With amplitude A, the largest speed is A·ω, the largest acceleration A·ω² and the energy ½·k·A².
角频率
ω = 2π/T = 2π/2.3 = 2.732 rad/s
求解时间
0.7 = cos(ω·t) → ω·t = arccos(0.7) = 0.7954 rad
t = 0.7954/2.732 = 0.2912 s
答案
t = 0.2912 s
3.波、声与光学
答案: hi = 1.875 cm
几何光学：在界面处，n₁·sin θ₁ = n₂·sin θ₂（斯涅尔定律），角度从法线量起，n = c/v。进入传播较慢的介质时，光线向法线偏折。从光密介质 (n₁ > n₂) 射出时，超过临界角 θc = arcsin(n₂/n₁) 后，所有光都被反射：全反射。薄透镜和球面镜服从 1/f = 1/do + 1/di，放大率为 m = −di/do。符号规定：会聚透镜和凹面镜 f > 0 (f = R/2)，发散透镜和凸面镜 f < 0；实像 di > 0，虚像 di < 0，倒立的像 m < 0。
薄透镜方程
1/di = 1/f − 1/do = 1/(−10) − 1/6
di = −3.75 cm
放大率与像高
m = −(−3.75)/6 = 0.625
hi = 0.625·3 = 1.875 cm
答案
hi = 1.875 cm
4.波、声与光学
答案: di = −40 cm
几何光学：在界面处，n₁·sin θ₁ = n₂·sin θ₂（斯涅尔定律），角度从法线量起，n = c/v。进入传播较慢的介质时，光线向法线偏折。从光密介质 (n₁ > n₂) 射出时，超过临界角 θc = arcsin(n₂/n₁) 后，所有光都被反射：全反射。薄透镜和球面镜服从 1/f = 1/do + 1/di，放大率为 m = −di/do。符号规定：会聚透镜和凹面镜 f > 0 (f = R/2)，发散透镜和凸面镜 f < 0；实像 di > 0，虚像 di < 0，倒立的像 m < 0。
焦距
f = R/2 = 10 cm
镜面方程
1/di = 1/f − 1/do = 1/10 − 1/8
di = −40 cm
光线图
镜后的虚像
答案
di = −40 cm
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