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
一名宇航员在另一颗行星上发现，一个长 0.6 m 的单摆在小幅摆动时周期为 2.52 s。求该行星上的重力加速度 g。
L = 0.6 mT = 2.52 s
g = m/s²
2.弹簧与单摆困难
一个 1.3 kg 的物体连在 k = 310 N/m 的弹簧上，从平衡位置拉开 13 cm 后释放。 求它的最大速度 vmax。
m = 1.3 kgk = 310 N/mA = 13 cm
vmax = m/s
3.波、声与光学中等
一个小声源向各个方向均匀发声。距它 1 m 处的声级为 70 dB。忽略吸收和反射，求 4 m 处的声级 β2。
β1 = 70 dBr1 = 1 mr2 = 4 m
β2 = dB
4.波、声与光学困难
一个物体位于曲率半径为 16 cm 的凸面镜前 8 cm 处。求像距 di，像在镜前（实像）为正，在镜后（虚像）为负。
do = 8 cmR = 16 cm
di = cm
3溶液
1.弹簧与单摆
答案: g = 3.73 m/s²
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.
求 g
g = 4π²·L/T² = 4π²·0.6/2.52² = 3.73 m/s²
答案
g = 3.73 m/s²
2.弹簧与单摆
答案: vmax = 2.007 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 = √(310/1.3) = 15.44 rad/s
最大速度
vmax = A·ω = 0.13·15.44 = 2.007 m/s
答案
vmax = 2.007 m/s
3.波、声与光学
答案: β2 = 57.96 dB
波：周期波在一个周期内前进一个波长，所以 v = fλ，T = 1/f。在拉紧的弦上 v = √(T/μ)，其中 T 是张力，μ = m/L 是每米质量。声音在 20 °C 的空气中传播速度约为 343 m/s，光在真空中的速度为 c = 3.00 × 10⁸ m/s。响度用对数标度衡量：β = 10·log₁₀(I/I₀) dB，I₀ = 10⁻¹² W/m²，所以强度增加到 10 倍，声级增加 10 dB。点声源把功率 P 分布在球面上：I = P/(4πr²)。
强度比
I₂/I₁ = (1/4)² = 0.0625
新的声级
β₂ = 70 + 10·log₁₀(0.0625) = 57.96 dB
答案
β2 = 57.96 dB
距离每加倍一次，声级降低约 6 dB。
4.波、声与光学
答案: di = −4 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。
焦距
f = −R/2 = −8 cm
镜面方程
1/di = 1/f − 1/do = 1/(−8) − 1/8
di = −4 cm
光线图
镜后的虚像
答案
di = −4 cm
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