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 = ?

要使单摆的周期为 2 s,摆长应为多少?取 g = 9.81 m/s²。求 L。

T = 2 sg = 9.81 m/s²
L = m
2.弹簧与单摆困难
0.5 kgk = 310 N/mA = 12 cm

一个 0.5 kg 的物体连在 k = 310 N/m 的弹簧上,从平衡位置拉开 12 cm 后释放。 求它的最大速度 vmax。

m = 0.5 kgk = 310 N/mA = 12 cm
vmax = m/s
3.波、声与光学中等
θc = ?90°冕牌玻璃, n1​ = 1.50空气, n2​ = 1.00

光在冕牌玻璃(n = 1.50)中向与空气(n = 1.00)的平面界面传播。求超过后会发生全反射的临界角 θc。

n1 = 1.50n2 = 1.00
θc = °
4.波、声与光学困难
λ = 486 nmθ1​ = ?

波长为 486 nm 的光垂直照射在每毫米 100 条刻线的光栅上。求第 1 级极大的角度 θ1。

N = 100 mm⁻¹λ = 486 nmm = 1
θ1 = °

3溶液

1.弹簧与单摆

答案: L = 0.994 m

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。

求摆长

L = g·(T/2π)² = 9.81·(2/2π)² = 0.994 m

答案

L = 0.994 m
2.弹簧与单摆

答案: vmax = 2.988 m/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。

角频率

ω = √(310/0.5) = 24.9 rad/s

最大速度

vmax = A·ω = 0.12·24.9 = 2.988 m/s

答案

vmax = 2.988 m/s
3.波、声与光学

答案: θc = 41.81 °

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。

折射角为 90°

sin θc = n₂/n₁ = 1.00/1.50 = 0.6667

临界角

θc = arcsin(0.6667) = 41.81°

答案

θc = 41.81°
4.波、声与光学

答案: θ1 = 2.786 °

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 = 1 × 10⁻⁵ m

光栅方程

sin θ = mλ/d = 1·486 × 10⁻⁹/(1 × 10⁻⁵) = 0.0486
θ = 2.786°

答案

θ1 = 2.786°

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