Бросьте камень в пруд, и кольца будут расходиться во все стороны. Но посмотрите на лист, плавающий на поверхности — он только поднимается и опускается; он не перемещается вместе с волнами.…
English narration · English + 中文 subtitles burned in · Английское озвучивание · Английский + китайские субтитры (встроенные)
3.1
General properties of waves · Общие свойства волн
Syllabus · Программа
English
Core
Supplement
1 Know that waves transfer energy without transferring matter
2 Describe what is meant by wave motion as illustrated by vibrations in ropes and springs, and by experiments using water waves
3 Describe the features of a wave in terms of wavefront, wavelength, frequency, crest (peak), trough, amplitude and wave speed
4 Recall and use the equation for wave speed $v = f \lambda$
5 Know that for a transverse wave, the direction of vibration is at right angles to the direction of propagation and understand that electromagnetic radiation, water waves and seismic S-waves (secondary) can be modelled as transverse
6 Know that for a longitudinal wave, the direction of vibration is parallel to the direction of propagation and understand that sound waves and seismic P-waves (primary) can be modelled as longitudinal
7 Describe how waves can undergo: (a) reflection at a plane surface (b) refraction due to a change of speed (c) diffraction through a narrow gap
9 Describe how wavelength and gap size affects diffraction through a gap
8 Describe the use of a ripple tank to show: (a) reflection at a plane surface (b) refraction due to a change in speed caused by a change in depth (c) diffraction due to a gap (d) diffraction due to an edge
10 Describe how wavelength affects diffraction at an edge
Русский
Базовый
Дополнительно
1 Знать, что волны передают энергию без переноса материи
2 Описывать понятие волнового движения, проиллюстрированного колебаниями в веревках и пружинах, а также опытами с водными волнами
3 Описывать характеристики волны с точки зрения волнового фронта, длины волны, частоты, гребня (пика), впадины, амплитуды и скорости волны
4 Вспоминать и использовать уравнение для скорости волны $v = f \lambda$
5 Знать, что для поперечной волны направление колебаний перпендикулярно направлению распространения, и понимать, что электромагнитное излучение, водные волны и сейсмические S-волны (вторичные) могут быть смоделированы как поперечные
6 Знать, что для продольной волны направление колебаний параллельно направлению распространения, и понимать, что звуковые волны и сейсмические P-волны (первичные) могут быть смоделированы как продольные
7 Описывать, как волны могут подвергаться: (a) отражению от плоской поверхности (b) преломлению из-за изменения скорости (c) дифракции через узкую щель
9 Описывать, как длина волны и размер щели влияют на дифракцию через щель
8 Описывать использование волнового резервуара для демонстрации: (a) отражения от плоской поверхности (b) преломления из-за изменения скорости, вызванного изменением глубины (c) дифракции через щель (d) дифракции от края
10 Описывать, как длина волны влияет на дифракцию на крае
Source: Cambridge International syllabus · Источник: Программа Cambridge International
English
Transverse vs longitudinal waves
A wave 波 carries energy 能量 from place to place without carrying matter. For example, a water wave makes a floating cork bob up and down, but the cork does not travel along with the wave. You can make a wave on a rope by shaking one end up and down, or on a long spring by pushing one end back and forth. In a ripple tank 波纹水槽 (a shallow tray of water with a light above it) you can watch water waves on a screen below.
Describing a wave
wavefront 波前: a line joining points on a wave that move together (for example, the top of one ripple)
wavelength 波长 ($\lambda$): the distance between two neighbouring wavefronts (one full wave)
frequency 频率 ($f$): the number of waves passing a point each second, measured in hertz (Hz)
crest 波峰 (also called the peak 峰, the top) and trough 波谷 (bottom)
amplitude 振幅: the largest distance a point moves from its rest position
wave speed 波速 ($v$): how fast a wavefront travels
These are linked by the wave equation:
$$v = f\lambda$$
Worked example. A sound wave travels at $340\ \text{m/s}$ and has a frequency of $170\ \text{Hz}$. Find its wavelength.
In a transverse wave 横波 the particles vibrate at right angles (90°) to the direction the wave travels (its propagation 传播). Light, water waves and seismic S-waves (the sideways shaking in an earthquake) are transverse.
In a longitudinal wave 纵波 the particles vibrate along the same direction as the wave travels. Sound and seismic P-waves are longitudinal.
Wave behaviour
All waves can show three behaviours, which you can see in a ripple tank:
reflection 反射: the wave bounces off a surface.
refraction 折射: the wave changes speed (and usually direction) when it enters a different material or depth.
diffraction 衍射: the wave spreads out after passing through a gap or around an edge. The spreading is greatest when the gap is about the same size as the wavelength.
Русский
Поперечные против продольных волн
Волна переносит энергию от одного места к другому без переноса вещества. Например, водяная волна заставляет плавающийhibited cork подниматься и опускаться, но самhibited cork не движется вместе с волной. Волну можно создать на верёвке, колебля один конец вверх-вниз, или на пружине, толкая один конец туда-сюда. В волновом бассейне (мелком лотке с водой под источником света) можно наблюдать водные волны на экране снизу.
Описание волны
фронт волны: линия, соединяющая точки на волне, движущиеся синхронно (например, гребень одной ряби)
длина волны ($\lambda$): расстояние между двумя соседними фронтами волны (одна полная волна)
частота ($f$): количество волн, проходящих через точку каждую секунду, измеряется в герцах (Гц)
гребень (также называемый вершиной, верхняя точка) и впадина (нижняя точка)
амплитуда: максимальное смещение точки от положения равновесия
скорость волны ($v$): скорость распространения фронта волны
Части волны: длина волны, амплитуда, вершина и впадина
Эти величины связаны волновым уравнением:
$$v = f\lambda$$
Длина волны — это расстояние между двумя гребнями; амплитуда — высота от положения равновесия до гребня
Разбор примера. Звуковая волна распространяется со скоростью $340\ \text{m/s}$ и имеет частоту $170\ \text{Hz}$. Найдите её длину волны.
Выражая из уравнения ($v = f\lambda$) получаем ($\lambda = \dfrac{v}{f}$):
$$\lambda = \frac{340}{170} = 2.0\ \text{m}$$
Два типа волн
В поперечной волне частицы колеблются перпендикулярно (под углом 90°) направлению распространения волны (прохождения). Свет, водяные волны и сейсмические S-волны (боковые сотрясения при землетрясении) являются поперечными.
В продольной волне частицы колеблются вдоль того же направления, в котором распространяется волна. Звук и сейсмические P-волны являются продольными.
В поперечной волне частицы колеблются поперек направления распространения; в продольной — вдоль него, образуя области уплотнения и разрежения
Поведение волн
Все волны могут проявлять три вида поведения, которые можно наблюдать в волновом бассейне:
отражение: волна отскакивает от поверхности.
преломление: волна меняет скорость (и обычно направление) при переходе в другую среду или на другую глубину.
дифракция: волна распространяется за пределами щели или края. Распространение наиболее значительно, когда размер щели примерно равен длине волны.
Плоские волны, проходящие через узкую щель, расходятся в изогнутые волны — дифракция наиболее сильна, когда ширина щели составляет примерно одну длину волныПлоские волны в волновом бассейне отражаются от прямой преграды: отражённые фронты уходят под тем же углом, под которым пришли
Explore · Исследовать
Properties of waves · Свойства волн
y = a sin(bx + c)
A wave: a is amplitude, b sets the wavelength. · Волна: a — это амплитуда, b определяет длину волны.
Explore · Исследовать
Transverse & longitudinal waves · Поперечные и продольные волны
Flip between a transverse wave (particles bob up and down, like water and light) and a longitudinal one (particles slide back and forth, bunching into compressions, like sound). The wave moves; the particles stay put. · Переключайтесь между поперечной волной (частицы колеблются вверх и вниз, как вода и свет) и продольной (частицы скольдят туда-сюда, образуя сжатия, как звук). Волна движется; частицы остаются на месте.
Explore · Исследовать
Two waves overlapping · Наложение двух волн
Change the second wave. Where waves meet they add — sometimes reinforcing, sometimes cancelling. · Измените вторую волну. Там, где волны встречаются, они складываются — иногда усиливая друг друга, иногда гася.
1 Define and use the terms normal, angle of incidence and angle of reflection
2 Describe the formation of an optical image by a plane mirror and give its characteristics, i.e. same size, same distance from mirror, virtual
3 State that for reflection, the angle of incidence is equal to the angle of reflection; recall and use this relationship
4 Use simple constructions, measurements and calculations for reflection by plane mirrors
3.2.2 Refraction of light
Core
Supplement
1 Define and use the terms normal, angle of incidence and angle of refraction
2 Describe an experiment to show refraction of light by transparent blocks of different shapes
6 Define refractive index, $n$, as the ratio of the speeds of a wave in two different regions
3 Describe the passage of light through a transparent material (limited to the boundaries between two mediums only)
7 Recall and use the equation
$$n = \frac{\sin i}{\sin r}$$
4 State the meaning of critical angle
8 Recall and use the equation
$$n = \frac{1}{\sin c}$$
5 Describe internal reflection and total internal reflection using both experimental and everyday examples
9 Describe the use of optical fibres, particularly in telecommunications
3.2.3 Thin lenses
Core
Supplement
1 Describe the action of thin converging and thin diverging lenses on a parallel beam of light
2 Define and use the terms focal length, principal axis and principal focus (focal point)
3 Draw and use ray diagrams for the formation of a real image by a converging lens
6 Draw and use ray diagrams for the formation of a virtual image by a converging lens
4 Describe the characteristics of an image using the terms enlarged/same size/diminished, upright/inverted and real/virtual
7 Describe the use of a single lens as a magnifying glass
5 Know that a virtual image is formed when diverging rays are extrapolated backwards and does not form a visible projection on a screen
8 Describe the use of converging and diverging lenses to correct long-sightedness and short-sightedness
3.2.4 Dispersion of light
Core
Supplement
1 Describe the dispersion of light as illustrated by the refraction of white light by a glass prism
2 Know the traditional seven colours of the visible spectrum in order of frequency and in order of wavelength
3 Recall that visible light of a single frequency is described as monochromatic
Русский
3.2.1 Отражение света
Базовый
Дополнительно
1 Определите и используйте термины нормаль, угол падения и угол отражения
2 Опишите образование оптического изображения в плоском зеркале и укажите его характеристики, т. е. тот же размер, то же расстояние от зеркала, мнимое
3 Укажите, что при отражении угол падения равен углу отражения; вспомните и используйте эту зависимость
4 Используйте простые построения, измерения и вычисления для отражения в плоских зеркалах
3.2.2 Преломление света
Базовый
Дополнительно
1 Определите и используйте термины нормаль, угол падения и угол преломления
2 Опишите эксперимент по демонстрации преломления света прозрачными блоками различной формы
6 Определите показатель преломления, $n$, как отношение скоростей волны в двух различных средах
3 Опишите распространение света через прозрачный материал (ограничиваясь границами между двумя средами)
7 Вспомните и используйте уравнение
$$n = \frac{\sin i}{\sin r}$$
4 Объясните значение предельного угла
8 Вспомните и используйте уравнение
$$n = \frac{1}{\sin c}$$
5 Опишите внутреннее отражение и полное внутреннее отражение на основе экспериментальных и бытовых примеров
9 Опишите применение оптоволоконных кабелей, особенно в телекоммуникациях
3.2.3 Тонкие линзы
Базовый
Дополнительно
1 Опишите действие тонких собирающих и тонких рассеивающих линз на параллельный пучок света
2 Определите и используйте термины фокусное расстояние, главная оптическая ось и главный фокус (фокусная точка)
3 Составляйте и используйте лучевые диаграммы для образования действительного изображения собирающей линзой
6 Составляйте и используйте лучевые диаграммы для образования мнимого изображения собирающей линзой
4 Описывайте характеристики изображения с использованием терминов увеличенное/того же размера/уменьшенное, прямое/перевернутое и действительное/мнимое
7 Опишите использование одной линзы в качестве лупы
5 Знать, что мнимое изображение образуется при продолжении расходящихся лучей назад и не дает видимой проекции на экране
8 Опишите применение собирающих и рассеивающих линз для коррекции дальнозоркости и близорукости
3.2.4 Дисперсия света
Базовый
Дополнительно
1 Опишите дисперсию света, проиллюстрированную преломлением белого света стеклянной призмой
2 Знать традиционные семь цветов видимого спектра в порядке частоты и в порядке длины волны
3 Вспомнить, что свет видимого диапазона одной частоты называется монохроматическим
Source: Cambridge International syllabus · Источник: Программа Cambridge International
English
A converging lens forms an imageTotal internal reflection
Reflection
When light hits a mirror, it reflects. We measure angles from the normal 法线 (a line at 90° to the surface).
The law of reflection: the angle of incidence 入射角 equals the angle of reflection 反射角.
A plane mirror 平面镜 forms an image that is the same size as the object, the same distance behind the mirror, and virtual (it cannot be caught on a screen).
Refraction
When light passes from one material into another, it changes speed and bends. The angle in the second material is the angle of refraction 折射角.
Seeing refraction. Shine a narrow ray from a ray box 光线盒 into a rectangular glass block standing on paper. Mark the ray going in and the ray coming out, remove the block, and join the marks to draw the ray inside the glass. Draw the normal where the ray enters and measure the angle of incidence and the angle of refraction with a protractor. Repeat with a semicircular block or a prism: the ray always bends towards the normal on entering the glass and away from the normal on leaving.
The refractive index 折射率$n$ compares the speed of light in the two materials:
$$n = \frac{\sin i}{\sin r}$$
Worked example. A ray of light passes from air into glass. The angle of incidence is 60° and the angle of refraction is 35°. Find the refractive index of the glass. (Take $\sin i = 0.87$ and $\sin r = 0.57$.)
When light tries to leave glass or water and the angle is too large, it cannot get out and instead reflects completely. This is total internal reflection 全反射. It happens when the angle inside is bigger than the critical angle 临界角$c$:
$$n = \frac{1}{\sin c}$$
This effect is used in optical fibres 光纤, thin glass threads that carry light signals for telephones and the internet.
Lenses
A converging lens 凸透镜 (fat in the middle) bends parallel rays inwards to a point called the principal focus 焦点. The principal axis 主光轴 is the straight line through the centre of the lens at right angles to it; the principal focus lies on this axis. The distance from the centre of the lens to the principal focus is the focal length 焦距. A diverging lens 凹透镜 (thin in the middle) spreads parallel rays out, as if they came from a focus on the incoming side.
A converging lens can form a real image 实像 (rays really meet; can be shown on a screen) or, when the object is very close, a virtual image 虚像 (rays only seem to come from it). Used close to the eye, a converging lens is a magnifying glass 放大镜.
Describe an image with three pairs of words: enlarged 放大的 or diminished 缩小的 (or the same size), upright 正立 or inverted 倒立 (upside down), and real or virtual. An object far beyond the focus gives a diminished, inverted, real image (as in a camera). An object between the focus and the lens gives an enlarged, upright, virtual image (a magnifying glass).
Correcting sight. A person with short-sightedness 近视 sees near things clearly but distant things are blurred: the eye focuses the light in front of the retina 视网膜 (the back of the eye). A diverging lens in front of the eye spreads the rays out first, so they focus on the retina. A person with long-sightedness 远视 sees distant things clearly but near things are blurred: the eye focuses the light behind the retina. A converging lens brings the rays together a little before they enter the eye.
Dispersion
A glass prism 棱镜 splits white light into the colours of the spectrum 光谱. This splitting is called dispersion 色散.
The order of colours is red, orange, yellow, green, blue, indigo, violet. Red light has the longest wavelength and the lowest frequency; violet is the opposite. Light of a single frequency (one pure colour) is monochromatic 单色.
Русский
Сходящаяся линза образует изображениеПолное внутреннее отражение
Отражение
Когда свет попадает на зеркало, он отражается. Углы измеряются от нормали (линии, перпендикулярной поверхности, 90°).
Закон отражения: угол падения равен углу отражения.
Плоское зеркало образует изображение такого же размера, как предмет, расположенное на том же расстоянии за зеркалом, и мнимое (его нельзя поймать на экране).
На плоском зеркале угол падения $i$ равен углу отражения $r$, оба угла отсчитываются от нормали
Преломление
Когда свет переходит из одной среды в другую, он меняет скорость и преломляется. Угол во второй среде называется углом преломления.
Переходя из воздуха в стекло, свет замедляется и преломляется к нормали, поэтому $i > r$
Наблюдение преломления. Направьте узкий луч от лазерной установки (или лучевого ящика) в прямоугольный стеклянный блок, стоящий на бумаге. Отметьте входной и выходной лучи, уберите блок и соедините метки, чтобы нарисовать траекторию луча внутри стекла. Проведите нормаль в точке входа и измерьте угол падения и угол преломления с помощью транспортира. Повторите опыт с полукруглым блоком или призмой: луч всегда преломляется к нормали при входе в стекло и от нормали при выходе.
Показатель преломления$n$ сравнивает скорость света в двух средах:
$$n = \frac{\sin i}{\sin r}$$
Разбор примера. Луч света проходит из воздуха в стекло. Угол падения составляет 60°, а угол преломления — 35°. Найдите показатель преломления стекла. (Примите $\sin i = 0.87$ и $\sin r = 0.57$.)
Когда свет пытается выйти из стекла или воды под слишком большим углом, он не может преломиться и полностью отражается обратно. Это полное внутреннее отражение. Оно происходит, когда угол падения внутри среды превышает критический угол$c$:
$$n = \frac{1}{\sin c}$$
Ниже предельного угла свет преломляется наружу; выше него — полное внутреннее отражение
Это явление используется в оптических волокнах — тонких стеклянных нитях, передающих световые сигналы для телефонов и интернета.
Полное внутреннее отражение заставляет свет прыгать вдоль каждого волокна, пока оно не выходит на конце
Линзы
Собирающая линза (толстая посередине) преломляет параллельные лучи внутрь к точке, называемой главный фокус. Главная ось — прямая линия через центр линзы под прямым углом к ней; главный фокус лежит на этой оси. Расстояние от центра линзы до главного фокуса называется фокусным расстоянием. Рассеивающая линза (тонкая посередине) рассеивает параллельные лучи, как будто они исходят из фокуса на incoming-стороне.
Собирающая линза преломляет параллельные лучи так, чтобы они сошлись в главном фокусе; фокусное расстояние $f$ — это расстояние от линзы до фокуса
Собирающая линза может образовывать действительное изображение (лучи действительно сходятся; можно показать на экране) или, если предмет очень близко, мнимое изображение (лучи только кажутся исходящими из него). При использовании близко к глазу собирающая линза является увеличительным стеклом.
Опишите изображение тремя парами слов: увеличенное или уменьшенное (или того же размера), прямостоящее или перевернутое (вверх ногами), и действительное или мнимое. Предмет далеко за фокусом дает уменьшенное, перевернутое, действительное изображение (как в камере). Предмет между фокусом и линзой дает увеличенное, прямостоящее, мнимое изображение (увеличительное стекло).
Коррекция зрения. Человек с близорукостью видит близкие предметы четко, но далекие размыты: глаз фокусирует свет перед сетчаткой (задней частью глаза). Рассеивающая линза перед глазом сначала рассеивает лучи, чтобы они сфокусировались на сетчатке. Человек с дальнозоркостью видит далекие предметы четко, но близкие размыты: глаз фокусирует свет за сетчаткой. Собирающая линза немного сводит лучи вместе до того, как они войдут в глаз.
Держимая вдали от глаза, собирающая линза образует действительное изображение – здесь дома позади нее видны вверх ногами
Дисперсия
Стеклянная призма разделяет белый свет на цвета спектра. Это разделение называется дисперсией.
Призма сильнее всего преломляет фиолетовый свет и слабее всего красный, поэтому белый свет расширяется в спектр
Порядок цветов: красный, оранжевый, желтый, зеленый, синий, индиго, фиолетовый. Красный свет имеет самую длинную длину волны и самую низкую частоту; фиолетовый — наоборот. Свет одной частоты (один чистый цвет) называется монохроматическим.
Белый свет, входящий в настоящую стеклянную призму, расширяется во весь спектр цветов
Explore · Исследовать
Bend a light ray · Искривить световой луч
Shine light into water, glass or diamond and change the angle. The ray slows and bends toward the normal — the denser the material (higher n), the more it bends. That bending is why a straw looks broken in a glass, and why diamonds sparkle. · Направьте свет в воду, стекло или алмаз и измените угол. Луч замедляется и искривляется к нормали — чем плотнее материал (выше n), тем сильнее искривление. Именно это искривление делает так, что соломинка в стакане выглядит сломанной, а алмазы сверкают.
Explore · Исследовать
Image formation by a converging lens · Формирование изображения сходящейся линзой
Trace the three special rays from the object — where they meet is the image. Move the object closer than the focal point to flip it into a magnifying glass. · Отметьте три особых луча от предмета — точка их пересечения является изображением. Переместите предмет ближе фокусного расстояния, чтобы превратить линзу в увеличительное стекло.
The electromagnetic spectrum 电磁波谱 · Электромагнитный спектр
Syllabus · Программа
English
Core
Supplement
1 Know the main regions of the electromagnetic spectrum in order of frequency and in order of wavelength
2 Know that all electromagnetic waves travel at the same high speed in a vacuum
6 Know that the speed of electromagnetic waves in a vacuum is $3.0 \times 10^8\text{ m/s}$ and is approximately the same in air
3 Describe typical uses of the different regions of the electromagnetic spectrum including: (a) radio waves; radio and television transmissions, astronomy, radio frequency identification (RFID) (b) microwaves; satellite television, mobile phones (cell phones), microwave ovens (c) infrared; electric grills, short range communications such as remote controllers for televisions, intruder alarms, thermal imaging, optical fibres (d) visible light; vision, photography, illumination (e) ultraviolet; security marking, detecting fake bank notes, sterilising water (f) X-rays; medical scanning, security scanners (g) gamma rays; sterilising food and medical equipment, detection of cancer and its treatment
4 Describe the harmful effects on people of excessive exposure to electromagnetic radiation, including: (a) microwaves; internal heating of body cells (b) infrared; skin burns (c) ultraviolet; damage to surface cells and eyes, leading to skin cancer and eye conditions (d) X-rays and gamma rays; mutation or damage to cells in the body
5 Know that communication with artificial satellites is mainly by microwaves: (a) some satellite phones use low orbit artificial satellites (b) some satellite phones and direct broadcast satellite television use geostationary satellites
7 Know that many important systems of communications rely on electromagnetic radiation including: (a) mobile phones (cell phones) and wireless internet use microwaves because microwaves can penetrate some walls and only require a short aerial for transmission and reception (b) Bluetooth uses radio waves because radio waves pass through walls but the signal is weakened on doing so (c) optical fibres (visible light or infrared) are used for cable television and high-speed broadband because glass is transparent to visible light and some infrared; visible light and short wavelength infrared can carry high rates of data
8 Know the difference between a digital and analogue signal
9 Know that a sound can be transmitted as a digital or analogue signal
10 Explain the benefits of digital signalling including increased rate of transmission of data and increased range due to accurate signal regeneration
Русский
Базовый
Дополнительно
1 Знать основные области электромагнитного спектра в порядке частоты и в порядке длины волны
2 Знать, что все электромагнитные волны распространяются с одинаковой высокой скоростью в вакууме
6 Знать, что скорость электромагнитных волн в вакууме равна $3.0 \times 10^8\text{ m/s}$ и приблизительно такая же в воздухе
3 Описать типичные области применения различных участков электромагнитного спектра, включая: (a) радиоволны; радиопередачи и телевизионные передачи, астрономия, радиочастотная идентификация (RFID) (b) микроволны; спутниковое телевидение, мобильные телефоны (сотовые телефоны), микроволновые печи (c) инфракрасное излучение; электрические грили, связь на малые расстояния, например, пульты дистанционного управления телевизорами, датчики охранной сигнализации, тепловизоры, оптоволокно (d) видимый свет; зрение, фотография, освещение (e) ультрафиолетовое излучение; защитные маркировки, обнаружение поддельных банкнот, стерилизация воды (f) рентгеновское излучение; медицинская диагностика, сканеры безопасности (g) гамма-излучение; стерилизация продуктов питания и медицинского оборудования, обнаружение рака и его лечение
4 Описать вредное воздействие на организм человека чрезмерного воздействия электромагнитного излучения, включая: (a) микроволны; внутреннее нагревание клеток организма (b) инфракрасное излучение; ожоги кожи (c) ультрафиолетовое излучение; повреждение поверхностных клеток и глаз, ведущее к раку кожи и заболеваниям глаз (d) рентгеновские и гамма-лучи; мутации или повреждение клеток в организме
5 Знать, что связь со спутниками искусственной Земли осуществляется преимущественно с помощью микроволн: (a) некоторые спутниковые телефоны используют спутники низкой орбиты (b) некоторые спутниковые телефоны и системы прямого спутникового вещания используют геостационарные спутники
7 Знать, что многие важные системы связи rely on электромагнитное излучение, включая: (a) мобильные телефоны (сотовые телефоны) и беспроводной интернет используют микроволны, поскольку они могут проникать через некоторые стены и требуют только короткой антенны для приема и передачи (b) Bluetooth использует радиоволны, так как они проходят сквозь стены, но сигнал при этом ослабевает (c) оптоволоконные кабели (видимый свет или инфракрасное излучение) используются для кабельного телевидения и высокоскоростного широкополосного доступа, поскольку стекло прозрачно для видимого света и некоторых длин волн инфракрасного диапазона; видимый свет и инфракрасное излучение короткой длины волны могут передавать высокие скорости данных
8 Знать разницу между цифровым и аналоговым сигналом
9 Знать, что звук может передаваться в виде цифрового или аналогового сигнала
10 Объяснять преимущества цифровой сигнализации, включая увеличение скорости передачи данных и увеличение дальности благодаря точному восстановлению сигнала
Source: Cambridge International syllabus · Источник: Программа Cambridge International
English
The electromagnetic spectrum is a family of waves that all travel at the same high speed in a vacuum 真空, $3.0 \times 10^8\ \text{m/s}$. In order from longest wavelength (lowest frequency) to shortest:
As you go from radio waves to gamma rays, the frequency rises, the wavelength falls, and the energy (and danger) rises. The speed of electromagnetic waves in air is almost the same as in a vacuum.
Satellites. Communication with artificial satellites 人造卫星 mainly uses microwaves, because they pass through the atmosphere. Some satellite phones use satellites in low orbit 低轨道, close to the Earth. Other satellite phones, and direct broadcast satellite television, use satellites in geostationary orbit 地球静止轨道, which stay above the same point on the Earth.
Digital and analogue signals
Radio waves and microwaves carry information as signals, and a signal is either analogue 模拟 or digital 数字. An analogue signal varies continuously and can take any value; a digital signal is a stream of just two values, on or off (1 or 0). Sound can be sent as either kind of signal: a microphone gives an analogue signal, which can be turned into a digital one.
Modern communication prefers digital signalling for two reasons the exam asks for:
a higher rate of data transmission;
a greater range: a weak digital signal can be regenerated back to a clean 1/0 exactly, because only two levels have to be told apart, so noise picked up along the way is removed. An analogue signal cannot be cleaned up this way, so its noise builds up.
Русский
Электромагнитный спектр — это семейство волн, которые все движутся с одинаковой высокой скоростью в вакууме, $3.0 \times 10^8\ \text{m/s}$. По порядку от самой длинной длины волны (самой низкой частоты) до самой короткой:
Область
Типичное применение
Опасность от избытка
радиоволны
радиосигналы и телевидение, астрономия, RFID-метки
пульты дистанционного управления, тепловизоры, грили, оптические волокна
ожоги кожи
видимый свет
зрение, фотография
—
ультрафиолетовое
стерилизация воды, проверка банкнот
рак кожи, повреждение глаз
рентгеновские лучи X
медицинские и досмотровые снимки
повреждение клеток
гамма-лучи
стерилизация оборудования, лечение рака
мутации клеток
Переходя от радиоволн к гамма-лучам, частота растет, длина волны уменьшается, а энергия (и опасность) возрастает. Скорость электромагнитных волн в воздухе почти такая же, как в вакууме.
Спутники. Связь со искусственными спутниками в основном использует микроволны, потому что они проходят сквозь атмосферу. Некоторые спутниковые телефоны используют спутники на низкой орбите, близкой к Земле. Другие спутниковые телефоны и спутниковое телевидение прямой трансляции используют спутники на геостационарной орбите, которые остаются над одной и той же точкой на Земле.
От радиоволн к гамма-лучам длина волны уменьшается, а частота и энергия растут
Цифровые и аналоговые сигналы
Радиоволны и микроволны несут информацию в виде сигналов, а сигнал может быть либо аналоговым, либо цифровым. Аналоговый сигнал изменяется непрерывно и может принимать любое значение; цифровой сигнал — это поток всего двух значений, включено или выключено (1 или 0). Звук может передаваться обоими типами сигналов: микрофон дает аналоговый сигнал, который можно преобразовать в цифровой.
Современная связь предпочитает цифровую передачу по двум причинам, которые спрашивают на экзамене:
более высокая скорость передачи данных;
большой диапазон: слабый цифровой сигнал может быть восстановлен до чистого 1/0 точно, потому что нужно различать всего два уровня, поэтому шум, накопленный по пути, устраняется. Аналоговый сигнал нельзя очистить таким образом, поэтому его шум накапливается.
Explore · Исследовать
Slide across the spectrum · Проведите курсор по спектру
Radio waves, visible light and gamma rays are all the same wave — only the wavelength changes, and with it the frequency, photon energy and everyday use. · Радиоволны, видимый свет и гамма-излучение — это одна и та же волна; меняется только длина волны, а вместе с ней — частота, энергия фотонов и бытовое применение.
1 Describe the production of sound by vibrating sources
2 Describe the longitudinal nature of sound waves
10 Describe compression and rarefaction
3 State the approximate range of frequencies audible to humans as 20Hz to 20000Hz
4 Know that a medium is needed to transmit sound waves
5 Know that the speed of sound in air is approximately 330–350m/s
11 Know that, in general, sound travels faster in solids than in liquids and faster in liquids than in gases
6 Describe a method involving a measurement of distance and time for determining the speed of sound in air
7 Describe how changes in amplitude and frequency affect the loudness and pitch of sound waves
8 Describe an echo as the reflection of sound waves
9 Define ultrasound as sound with a frequency higher than 20kHz
12 Describe the uses of ultrasound in non-destructive testing of materials, medical scanning of soft tissue and sonar including calculation of depth or distance from time and wave speed
Русский
Базовый
Дополнительно
1 Описать的产生 звука колеблющимися источниками
2 Описать продольную природу звуковых волн
10 Описать сжатие и разрежение
3 Называть примерный диапазон частот, слышимых человеком, от 20 Гц до 20000 Гц
4 Знать, что для распространения звуковых волн необходима среда
5 Знать, что скорость звука в воздухе составляет приблизительно 330–350 м/с
11 Знать, что в целом звук распространяется быстрее в твердых телах, чем в жидкостях, и быстрее в жидкостях, чем в газах
6 Описать метод, включающий измерение расстояния и времени, для определения скорости звука в воздухе
7 Опишите, как изменения амплитуды и частоты влияют на громкость и высоту тона звуковых волн
8 Опишите эхо как отражение звуковых волн
9 Определите ультразвук как звук с частотой выше 20 кГц
12 Опишите применение ультразвука в неразрушающем контроле материалов, медицинском сканировании мягких тканей и сонаре, включая вычисление глубины или расстояния по времени и скорости волны
Source: Cambridge International syllabus · Источник: Программа Cambridge International
English
Sound is made by a vibrating object. It is a longitudinal wave: the air is squeezed into a compression 压缩 (particles close together) and stretched into a rarefaction 稀疏 (particles far apart).
Sound needs a medium 介质 (a material) to travel through, so it cannot travel through a vacuum.
Humans can hear frequencies from about $20\ \text{Hz}$ to $20\,000\ \text{Hz}$.
Sound travels much slower than light (about $340\ \text{m/s}$ in air), and faster in liquids and solids than in gases.
A larger amplitude makes a louder sound (greater loudness 响度); a higher frequency makes a higher pitch 音调. So a dolphin's rapid clicks are high-pitched, and a hard drum-hit (big vibration) is loud.
A reflected sound is an echo 回声.
Measuring the speed of sound. Two students stand a known distance apart, for example 500 m, measured with a tape or a trundle wheel. One bangs two blocks of wood together. The other starts a stopwatch when they see the blocks hit and stops it when they hear the bang. Light arrives almost at once, so the time measured is the time the sound takes, and speed = distance ÷ time. Repeat and take an average to reduce the reaction-time error. The echo method needs one person: clap at a known distance from a large wall and time the reflected sound, remembering that the sound travels there and back.
Worked example. A student stands 85 m from a large wall and claps once. The echo returns 0.50 s later. Find the speed of sound.
The sound travels to the wall and back, a distance of $2 \times 85 = 170\ \text{m}$, in $0.50\ \text{s}$:
Ultrasound 超声波 is sound above $20\,000\ \text{Hz}$ – too high for humans to hear. Its uses rely on reflection: sonar measures water depth, medical scanning images a baby or soft tissue, and non-destructive testing finds cracks inside metal without cutting it open. Like an echo, an ultrasound pulse travels there and back, so halve the total distance to reach the object.
Worked example. A sonar pulse returns from the seabed $0.10\ \text{s}$ after it is sent; sound travels at $1500\ \text{m/s}$ in water. The pulse covers $s = v\times t = 1500\times0.10 = 150\ \text{m}$ there and back, so the sea is $150/2 = 75\ \text{m}$ deep.
Русский
Звук возникает из-за вибрирующего объекта. Это продольная волна: воздух сжимается в сжатие (частицы расположены близко) и растягивается в разрежение (частицы расположены далеко).
Звуку для распространения нужен средовое (материал), поэтому он не может распространяться в вакууме.
Люди слышат частоты примерно от $20\ \text{Hz}$ до $20\,000\ \text{Hz}$.
Звук распространяется намного медленнее света (примерно $340\ \text{m/s}$ в воздухе) и быстрее в жидкостях и твердых телах, чем в газах.
Большая амплитуда делает звук громче (большая громкость); высокая частота создает более высокий тон. Поэтому быстрое щелканье дельфина имеет высокий тон, а сильный удар по барабану (большая вибрация) — громкий звук.
Отраженный звук — это эхо.
Измерение скорости звука. Два студента стоят на известном расстоянии друг от друга, например 500 м, измеряемом рулеткой или колесом Роланда. Один стучит двумя деревянными блоками вместе. Другой запускает секундомер, когда видит удар блоков, и останавливает его, когда слышит стук. Свет приходит почти мгновенно, поэтому измеренное время — это время, за которое звук прошел путь, а скорость = расстояние ÷ время. Повторите и возьмите среднее значение, чтобы уменьшить ошибку реакции. Метод эха требует одного человека: хлопните в ладоши на известном расстоянии от большой стены и засеките время отраженного звука, помня, что звук проходит туда и обратно.
Разобранный пример. Студент стоит на расстоянии 85 м от большой стены и хлопает один раз. Эхо возвращается через 0,50 с. Найдите скорость звука.
Звук проходит до стены и обратно, на расстояние $2 \times 85 = 170\ \text{m}$, за $0.50\ \text{s}$:
Ультразвук — это звук выше $20\,000\ \text{Hz}$ — слишком высокий для человеческого слуха. Его применение основано на отражении: сонар измеряет глубину воды, медицинское сканирование визуализирует плод или мягкие ткани, а нерушающий контроль обнаруживает трещины внутри металла без его вскрытия. Как и эхо, импульс ультразвука движется туда и обратно, поэтому разделите общее расстояние пополам, чтобы получить расстояние до объекта.
Разбор примера. Сонарный импульс возвращается со дна моря через $0.10\ \text{s}$ после его отправки; скорость звука в воде составляет $1500\ \text{m/s}$. Импульс проходит расстояние $s = v\times t = 1500\times0.10 = 150\ \text{m}$ туда и обратно, значит глубина моря равна $150/2 = 75\ \text{m}$.
Микропреобразователь преобразует звуковые колебания в воздухе в электрический сигнал
Explore · Исследовать
Sound · звук
y = a sin(bt + c)
Louder = bigger amplitude; higher pitch = higher frequency. · Громче = большая амплитуда; выше тон = более высокая частота.
Learn $v = f\lambda$ and be ready to rearrange it. Measure all angles of incidence, reflection and refraction from the normal (the line at 90° to the surface), never from the surface itself.
Transverse waves vibrate across the direction of travel (light, water); longitudinal waves vibrate along it (sound). Sound needs a medium, so it cannot cross a vacuum; light can.
Total internal reflection happens only when light travels from a denser material to a less dense one and the angle inside is bigger than the critical angle.
Know the electromagnetic spectrum in order — radio, microwave, infrared, visible, ultraviolet, X-ray, gamma. All travel at the same speed in a vacuum; frequency and energy rise from radio to gamma.
Going into a denser material (air → glass) light slows down and bends towards the normal; leaving it (glass → air) light speeds up and bends away.
Русский
Выучить $v = f\lambda$ и подготовиться к тому, чтобы переформулировать её. Измеряйте все углы падения, отражения и преломления от нормали (линии под углом 90° к поверхности), никогда не от самой поверхности.
Поперечные волны колеблются поперек направления движения (свет, вода); продольные волны колеблются вдоль него (звук). Звуку нужен средовое, поэтому он не может穿过 вакуум; свет может.
Полное внутреннее отражение происходит только тогда, когда свет переходит из оптически более плотной среды в менее плотную и угол внутри больше критического угла.
Знать электромагнитный спектр по порядку — радиоволны, микроволны, инфракрасное излучение, видимый свет, ультрафиолетовое, рентгеновское, гамма-излучение. Все они распространяются с одинаковой скоростью в вакууме; частота и энергия возрастают от радиоволн до гамма-излучения.
При переходе в более плотную среду (воздух → стекло) свет замедляется и преломляется к нормали; при выходе из неё (стекло → воздух) свет ускоряется и преломляется от нормали.
Interactive lessons on this topic · Интерактивные уроки по этой теме
Work through it step by step, with instant-check exercises. · Пройдите его шаг за шагом с упражнениями мгновенной проверки.
Pick one and the site follows you — notes, papers, videos and practice all open on it. · Выберите один, и сайт будет вести вас — конспекты, работы, видео и практика откроются там.
Type to search notes, lessons, code, vocabulary and past-paper questions across every subject. · Введите запрос для поиска заметок, уроков, кода, словаря и вопросов с реальных экзаменов по всем предметам.
