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 = 20 N/m 弹簧上的 0.3 kg 物体被沿正方向拉开 9 cm，在 t = 0 时由静止释放。 求 t = 1.5 s 时它的速度 v（带符号）。
m = 0.3 kgk = 20 N/mA = 9 cmt = 1.5 s
v = m/s
2.弹簧与单摆困难
把一个 2.9 kg 的物体挂在一根 k = 250 N/m、处于原长的竖直弹簧下端，然后由静止释放。取 g = 9.81 m/s²。 求弹簧的最大伸长量 xmax，以 cm 表示。
m = 2.9 kgk = 250 N/mg = 9.81 m/s²
xmax = cm
3.波、声与光学中等
一个物体位于焦距为 15 cm 的薄会聚透镜前 8 cm 处。求像距 di。使用符号规定 1/f = 1/do + 1/di（发散透镜 f < 0，虚像 di < 0）。
do = 8 cmf = 15 cm
di = cm
4.波、声与光学困难
波长为 480 nm 的光照射到相距 0.15 mm 的两条缝上。屏距离缝 2 m。求从中央亮条纹到第 5 条亮条纹的距离 y5。
λ = 480 nmd = 0.15 mmL = 2 mm = 5
y5 = mm
3溶液
1.弹簧与单摆
答案: v = 0.2304 m/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 = √(20/0.3) = 8.165 rad/s
ω·t = 8.165·1.5 = 12.25 rad
速度
v = −A·ω·sin(ω·t) = −0.09·8.165·sin(12.25) = 0.2304 m/s
答案
v = 0.2304 m/s
2.弹簧与单摆
答案: xmax = 22.76 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.
平衡位置和振幅
x₀ = m·g/k = 2.9·9.81/250 = 0.1138 m = A
最低点
xmax = 2A = 0.2276 m = 22.76 cm
答案
xmax = 22.76 cm
3.波、声与光学
答案: di = −17.14 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 = 1/15 − 1/8
di = −17.14 cm
光线图
虚像，与物体在同一侧
答案
di = −17.14 cm
4.波、声与光学
答案: y5 = 32 mm
干涉与衍射：来自相距 d 的两条缝的光，到达屏上某点时光程差为 d·sin θ。在 d·sin θ = mλ (m = 0, ±1, ±2, …) 处出现亮条纹。对于距离 L ≫ d 的屏，第 m 级亮条纹位于 y = mλL/d，条纹间距为 Δy = λL/d。每毫米 N 条刻线的光栅有 d = 1/N，在 d·sin θ = mλ 处出现尖锐的极大值；由于 sin θ ≤ 1，最高级次是满足 m ≤ d/λ 的最大整数 m。宽度为 a 的单缝在 a·sin θ = mλ，m = ±1, ±2, … 处出现暗条纹。
条纹间距
Δy = λL/d = 480 × 10⁻⁹·2/(0.15 × 10⁻³) = 6.4 mm
第 5 条条纹
y5 = 5·6.4 = 32 mm
答案
y5 = 32 mm
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