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。

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1公式与方法

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、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

  1. 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。
  2. 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。
  3. 换算单位:nm、mm 和 cm 换成 m,并检查角度是否从法线量起。
  4. 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
L = 1.2 m

一个单摆的摆长为 1.2 m。取 g = 9.81 m/s²。求小角度摆动时的周期 T。

L = 1.2 mg = 9.81 m/s²
T = s
2.弹簧与单摆困难
0.2 kgk = 230 N/mA = 13 cm

一个 0.2 kg 的物体连在 k = 230 N/m 的弹簧上,从平衡位置拉开 13 cm 后释放。 求振动的总能量 E。

m = 0.2 kgk = 230 N/mA = 13 cm
E = J
3.波、声与光学中等
L = 0.75 mn = 2

两端固定的弦长 0.75 m;波在其上以 240 m/s 传播。求其第 2 次谐波的频率 f2。

v = 240 m/sn = 2L = 0.75 m
f2 = Hz
4.波、声与光学困难
SO20 m/sf = 30 kHz

静止的传感器向以 20 m/s 的速度远离的汽车发射 30 kHz 的超声波,并把回波与发射信号混频。求拍频 fb(声速为 343 m/s)。

f = 30 kHzu = 20 m/sv = 343 m/s
fb = Hz

3溶液

1.弹簧与单摆

答案: T = 2.198 s

简谐运动:质量为 m 的物体连在劲度系数为 k 的弹簧上,振动的角频率为 ω = √(k/m),周期为 T = 2π/ω = 2π·√(m/k)。摆长为 L 的单摆周期为 T = 2π·√(L/g)。振幅为 A 时,最大速度为 A·ω,最大加速度为 A·ω²,能量为 ½·k·A²。

单摆周期

T = 2π·√(1.2/9.81) = 2.198 s

答案

T = 2.198 s
2.弹簧与单摆

答案: E = 1.944 J

简谐运动:质量为 m 的物体连在劲度系数为 k 的弹簧上,振动的角频率为 ω = √(k/m),周期为 T = 2π/ω = 2π·√(m/k)。摆长为 L 的单摆周期为 T = 2π·√(L/g)。振幅为 A 时,最大速度为 A·ω,最大加速度为 A·ω²,能量为 ½·k·A²。

角频率

ω = √(230/0.2) = 33.91 rad/s

能量

E = ½·k·A² = ½·230·0.13² = 1.944 J

答案

E = 1.944 J
3.波、声与光学

答案: f2 = 320 Hz

驻波与多普勒效应:两端固定的弦或两端开口的管容纳整数个半波长:L = nλ/2,fn = n·v/(2L),n = 1, 2, 3, … 一端封闭的管在封闭端有波节,在开口端有波腹:L = nλ/4,且 n 只能取奇数,fn = n·v/(4L)。当声源或观察者沿两者连线运动时,f′ = f·(v ± vo)/(v ∓ vs):相向运动时取上面的符号。两个频率几乎相等的波以 |f₁ − f₂| 的频率产生拍。

该模式的波长

λ = 2L/n = 2·0.75/2 = 0.75 m

频率

f = v/λ = 240/0.75 = 320 Hz

答案

f2 = 320 Hz
4.波、声与光学

答案: fb = 3306 Hz

驻波与多普勒效应:两端固定的弦或两端开口的管容纳整数个半波长:L = nλ/2,fn = n·v/(2L),n = 1, 2, 3, … 一端封闭的管在封闭端有波节,在开口端有波腹:L = nλ/4,且 n 只能取奇数,fn = n·v/(4L)。当声源或观察者沿两者连线运动时,f′ = f·(v ± vo)/(v ∓ vs):相向运动时取上面的符号。两个频率几乎相等的波以 |f₁ − f₂| 的频率产生拍。

汽车处的频率

f′ = 30000·(343 − 20)/343 = 28251 Hz

回波的频率

f″ = f′·343/(343 + 20) = 26694 Hz

拍频

fb = |f″ − f| = 3306 Hz

答案

fb = 3306 Hz

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