| Learning Objective | Essential Knowledge |
|---|---|
14.1.A |
|
波、声音与物理光学
AP 物理 2 · 第 14 主题
14.1
波脉冲与波的性质
大纲
来源:美国大学理事会 AP 课程与考试说明
一个波(wave)通过一个介质(或空间)携带能量而不携带物质。一个单一的扰动是一个脉冲(pulse);一个重复的是一个波。两种类型:

- 横波(transverse):介质垂直于波的行进移动(一根绳上的波、光)。
- 纵波(longitudinal):介质沿行进方向移动(声音)。
| 英文 | 中文 | 拼音 |
|---|---|---|
| wave | 波 | bō |
| Transverse | 横波 | héng bō |
| Longitudinal | 纵波 | zòng bō |
14.2
周期波
大纲
| Learning Objective | Essential Knowledge |
|---|---|
14.2.A |
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来源:美国大学理事会 AP 课程与考试说明
一个重复的波由以下描述:

- 波长(wavelength)$\lambda$(重复之间的距离),
- 频率(frequency)$f$(每秒的循环)和周期(period)$T=1/f$,
- 振幅(amplitude)$A$(最大位移——与能量相关),
- 波速(wave speed)$v=f\lambda$,由介质、不是源设定。
Worked example. 一个音符有频率 $340\ \text{Hz}$ 而声速是 $340\ \text{m/s}$。它的波长是 $\lambda=v/f=340/340=1.0\ \text{m}$。若同一个音符进入水(那里声音以 $\approx 1500\ \text{m/s}$ 移动)频率保持 $340\ \text{Hz}$ 但波长拉伸到 $1500/340\approx 4.4\ \text{m}$ ——源设定频率,介质设定速率因而波长。
Send a periodic wave
A periodic wave carries energy without moving matter. Its speed $v=f\lambda$ links frequency and wavelength; raise the frequency and the wavelength shrinks.
| 英文 | 中文 | 拼音 |
|---|---|---|
| wavelength | 波长 | bō cháng |
| frequency | 频率 | pín lǜ |
| amplitude | 振幅 | zhèn fú |
| wave speed | 波速 | bō sù |
14.3
波的边界行为与偏振
大纲
| Learning Objective | Essential Knowledge |
|---|---|
14.3.A |
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来源:美国大学理事会 AP 课程与考试说明
在一个边界一个波部分反射部分透射。从一个更密介质反射反转波;从一个较不密介质不反转。偏振(polarization)只适用于横波:一个偏振器只让一个振荡方向通过,这就是为什么偏振太阳镜削减眩光。
偏振器的效果是通过强度(intensity)来衡量的 —— 强度是一个波在一个周期内单位面积上传递的平均功率,单位是 $\text{W m}^{-2}$。因为偏振器移除了与它不对齐的那些振荡分量,它会降低波的强度:非偏振光通过一个理想偏振器后降到原一半的强度,而以某个角度放置的第二个偏振器会把它进一步削减。强度也随着离开波源的距离而下降,因为同样的功率铺展在更大的面积上。

| 英文 | 中文 | 拼音 |
|---|---|---|
| Polarization | 偏振 | piān zhèn |
| intensity | 强度 | qiáng dù |
14.4
电磁波
大纲
| Learning Objective | Essential Knowledge |
|---|---|
14.4.A |
Boundary statement: AP Physics 2 expects students to know the ordering of the electromagnetic spectrum (including visible light). However, students will not be expected to define exact wavelength ranges within the electromagnetic spectrum. |
来源:美国大学理事会 AP 课程与考试说明
电磁波(electromagnetic waves)是以光速 $c$ 穿过真空行进的振荡的电场和磁场,不需要介质。它们横跨从无线电到伽马射线的谱;更高的频率意味着更短的波长和更高的光子能量。

| 英文 | 中文 | 拼音 |
|---|---|---|
| Electromagnetic waves | 电磁波 | diàn cí bō |
14.5
多普勒效应
大纲
| Learning Objective | Essential Knowledge |
|---|---|
14.5.A |
Boundary statement: Only qualitative treatments of the Doppler effect are required for AP Physics 2. |
来源:美国大学理事会 AP 课程与考试说明
多普勒效应(Doppler effect)是当一个波源和观察者相对彼此移动时观察到的频率的变化。接近 $\Rightarrow$ 更高的频率(更短的波长);后退 $\Rightarrow$ 更低的频率。它解释一个经过的警笛音高的下降和后退星系的红移。

Hear the Doppler shift
When a source moves, waves bunch up ahead (higher frequency) and stretch behind (lower) — the Doppler effect. Speed it up to exaggerate the shift.
| 英文 | 中文 | 拼音 |
|---|---|---|
| Doppler effect | 多普勒效应 | duō pǔ lè xiào yìng |
14.6
波的干涉与驻波
大纲
| Learning Objective | Essential Knowledge |
|---|---|
14.6.A |
|
14.6.B |
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来源:美国大学理事会 AP 课程与考试说明
当波重叠时它们叠加(superpose)(相加)。相长干涉(constructive interference)(波峰对齐)给出一个更大的波;相消干涉(destructive interference)(波峰对波谷)抵消。在一个有界介质里两个相反方向行进的波形成一个带固定的波节(nodes)(无运动)和波腹(antinodes)(最大运动)的驻波(standing wave)——弦上和管里共振的基础。

Worked example. 一根 $0.65\ \text{m}$ 长的吉他弦两端固定。它的基频(fundamental)(第一谐波)在两端之间容纳半个波长,所以 $\lambda=2L=1.30\ \text{m}$。若波沿弦以 $260\ \text{m/s}$ 行进,音符的频率是 $f=v/\lambda=260/1.30=200\ \text{Hz}$。缩短弦(一个品)提高音高。
当两个频率略有不同的波叠加时,它们逐渐进出同步,所以合成的声音在一个缓慢的震颤里忽响忽弱,叫做拍(beats)。拍频(beat frequency)就是两个频率之差:
Set up a standing wave
Two waves travelling opposite ways interfere into a standing wave with fixed nodes and antinodes. Only certain frequencies fit, giving the harmonics.
| 英文 | 中文 | 拼音 |
|---|---|---|
| Constructive interference | 相长干涉 | xiāng zhǎng gān shè |
| destructive interference | 相消干涉 | xiāng xiāo gān shè |
| standing wave | 驻波 | zhù bō |
| nodes | 波节 | bō jié |
| antinodes | 波腹 | bō fù |
| beats | 拍 | pāi |
| beat frequency | 拍频 | pāi pín |
14.7
衍射
大纲
| Learning Objective | Essential Knowledge |
|---|---|
14.7.A |
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来源:美国大学理事会 AP 课程与考试说明
衍射(diffraction)是波在边缘周围或通过开口的弯曲和扩散。当开口与波长相当时扩散显著——所以声音(长波长)容易绕门口弯曲,而光(微小波长)需要一个很窄的缝。

| 英文 | 中文 | 拼音 |
|---|---|---|
| Diffraction | 衍射 | yǎn shè |
14.8
双缝干涉与衍射光栅
大纲
| Learning Objective | Essential Knowledge |
|---|---|
14.8.A |
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来源:美国大学理事会 AP 课程与考试说明
相干(coherent)光通过两个紧密间隔的缝产生一个明暗条纹的模式。明条纹出现在光程差是整数个波长的地方:

Worked example. 波长 $600\ \text{nm}$ 的光通过相距 $0.20\ \text{mm}$ 的两个缝。第一个明条纹($m=1$)坐在
Superpose two waves
Where two waves arrive in phase they add (bright fringe); out of phase they cancel (dark fringe). That interference makes the double-slit pattern.
| 英文 | 中文 | 拼音 |
|---|---|---|
| Coherent | 相干 | xiāng gān |
| diffraction grating | 衍射光栅 | yǎn shè guāng shān |
14.9
薄膜干涉
大纲
| Learning Objective | Essential Knowledge |
|---|---|
14.9.A |
Boundary statement: Quantitative analysis of thin-film interference is limited to waves that are normal to the incident surface. |
来源:美国大学理事会 AP 课程与考试说明
从一个薄膜(thin film)(肥皂泡、油膜)的顶部和底部反射的光与它自己干涉。取决于膜的厚度和从一个更密介质反射时一个可能的半波长相位翻转,特定的波长相长干涉——产生你看到的移动的颜色。
同样的物理被用在相机镜头、眼镜和太阳能电池上的增透膜(antireflection coating)里:一层薄的透明层,它的两束反射波相消干涉,所以几乎没有光反射而更多被透射。最简单的膜是四分之一波长厚(在膜中测量),它的折射率介于空气和下面玻璃之间,所以反射的光把自己抵消掉。
| 英文 | 中文 | 拼音 |
|---|---|---|
| thin film | 薄膜 | báo mó |
| antireflection coating | 增透膜 | zēng tòu mó |
14.9
考试技巧
- 用 $v=f\lambda$;源设定频率,而当一个波进入一个新介质时频率保持固定而速率和波长变化。
- 把横波(振动垂直,能被偏振)与纵波(振动沿行进,例如声音)区分开。
- 相长干涉需要一个整数个波长的光程差;相消需要一个半奇数。
- 在一根两端固定的弦上基频容纳半个波长($\lambda=2L$)。
- 衍射只在间隙与波长相当时显著——声音绕门口弯曲,光需要一个很窄的缝。
- 拍:两个频率略有不同的波以 $f_{\text{beat}}=|f_1-f_2|$ 震颤(例如两个音叉;调到零拍)。
- 一个增透膜是一层四分之一波长厚的膜(折射率介于空气和玻璃之间),它的两束反射相消,减少反射的光。
本主题的互动课程
逐步学习,并即时检测练习。