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 = 0.9 m

一个单摆的摆长为 0.9 m。取 g = 9.81 m/s²。求小角度摆动时的周期 T。

L = 0.9 mg = 9.81 m/s²
T = s
2.弹簧与单摆困难
1.4 kgk = 330 N/mA = 19 cm

一个 1.4 kg 的物体连在 k = 330 N/m 的弹簧上,从平衡位置拉开 19 cm 后释放。 求振动的总能量 E。

m = 1.4 kgk = 330 N/mA = 19 cm
E = J
3.波、声与光学中等
L = ?n = 3

两端固定的弦的第 3 次谐波必须为 360 Hz;波在其上以 120 m/s 传播。求其长度 L。

v = 120 m/sn = 3f3 = 360 Hz
L = m
4.波、声与光学困难
λ = 405 nmθ

一个衍射光栅每毫米有 100 条刻线。波长为 405 nm 的光垂直照射在它上面。能看到的最高级亮极大是多少级 mmax?

N = 100 mm⁻¹λ = 405 nm
mmax =

3溶液

1.弹簧与单摆

答案: T = 1.903 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·√(0.9/9.81) = 1.903 s

答案

T = 1.903 s
2.弹簧与单摆

答案: E = 5.957 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 = √(330/1.4) = 15.35 rad/s

能量

E = ½·k·A² = ½·330·0.19² = 5.957 J

答案

E = 5.957 J
3.波、声与光学

答案: L = 0.5 m

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。

波长

λ = v/f = 120/360 = 0.3333 m

长度

L = nλ/2 = 3·0.3333/2 = 0.5 m

答案

L = 0.5 m
4.波、声与光学

答案: mmax = 24

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。

刻线间距

d = 1/100 mm = 10 µm

最高级次

m ≤ d/λ = 10 µm/0.405 µm = 24.69 → mmax = 24

答案

mmax = 24

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