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 = 400 N/m 弹簧上的 1.9 kg 物体被沿正方向拉开 15 cm，在 t = 0 时由静止释放。 求 t = 0.9 s 时它相对于平衡位置的位移 x（带符号）。
m = 1.9 kgk = 400 N/mA = 15 cmt = 0.9 s
x = cm
2.弹簧与单摆困难
把一个 1.3 kg 的物体挂在一根 k = 480 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 = 1.3 kgk = 480 N/mg = 9.81 m/s²
xmax = cm
3.波、声与光学中等
两端开口的管长 1.2 m。声速为 343 m/s。求其第 2 次谐波的频率 f2。
v = 343 m/sn = 2L = 1.2 m
f2 = Hz
4.波、声与光学困难
静止的传感器向以 20 m/s 的速度远离的汽车发射 20 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 = 20 kHzu = 20 m/sv = 343 m/s
fb = Hz
3溶液
1.弹簧与单摆
答案: x = 13.22 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 = √(400/1.9) = 14.51 rad/s
ω·t = 14.51·0.9 = 13.06 rad
位移
x = A·cos(ω·t) = 15·cos(13.06) = 13.22 cm
答案
x = 13.22 cm
2.弹簧与单摆
答案: xmax = 5.314 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 = 1.3·9.81/480 = 0.02657 m = A
最低点
xmax = 2A = 0.05314 m = 5.314 cm
答案
xmax = 5.314 cm
3.波、声与光学
答案: f2 = 285.8 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 = 2·1.2/2 = 1.2 m
频率
f = v/λ = 343/1.2 = 285.8 Hz
答案
f2 = 285.8 Hz
4.波、声与光学
答案: fb = 2204 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′ = 20000·(343 − 20)/343 = 18834 Hz
回波的频率
f″ = f′·343/(343 + 20) = 17796 Hz
拍频
fb = |f″ − f| = 2204 Hz
答案
fb = 2204 Hz
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