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波、声音与物理光学

AP 物理 2 · 知识点 14

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波、声学与物理光学

吹一个肥皂泡并仔细观察。薄膜比头发丝还薄,本身无色,落在上面的光是纯白光。然而这…

英语旁白 · 英中内嵌字幕

14.1

波脉冲与波的性质

教学大纲

学习目标 14.1.A: 描述波和波脉冲的物理性质。

  • 14.1.A.1 波在两个位置之间传递能量,而不在这两个位置之间传递物质。
    • 14.1.A.1.i 波脉冲是单个扰动,它在两个位置之间传递能量而不传递物质。
    • 14.1.A.1.ii 波被建模为具有明确波长和频率的连续、周期性扰动。
  • 14.1.A.2 机械波或波脉冲需要介质才能传播。电磁波或波脉冲不需要介质即可传播。
  • 14.1.A.3 波或波脉冲在介质中传播的速度取决于波的类型和介质的性质。
    • 14.1.A.3.i 所有电磁波在真空中的速度是一个普适物理常数,$c = 3.00 \times 10^{8}$ m/s。
    • 14.1.A.3.ii 波脉冲或波沿弦传播的速度取决于弦的张力 $F_T$ 和弦的单位长度质量。
      • 公式: $v_{\text{string}} = \sqrt{\dfrac{F_T}{m/\ell}}$
    • 14.1.A.3.iii 在同一介质中,声波的传播速度随介质温度的升高而增加。
  • 14.1.A.4 在横波中,扰动的方向与波的传播方向垂直。
  • 14.1.A.5 在纵波中,扰动的方向与波的传播方向平行。
    • 14.1.A.5.i 声波被建模为机械纵波。
    • 14.1.A.5.ii 声波中的高压区和低压区分别称为密部和疏部。
  • 14.1.A.6 振幅是波偏离其平衡位置的最大位移。
    • 14.1.A.6.i 纵向压力波的振幅可以通过平衡压强下的最大压强增量或减量来确定。
    • 14.1.A.6.ii 声音的响度随振幅的增加而增大。
    • 14.1.A.6.iii 波携带的能量随振幅的增加而增大。

来源:College Board AP 课程与考试说明

English
Ripple-tank interference: wave paths add constructively and destructively
Ripple-tank interference: wave paths add constructively and destructively

A wave 波 carries energy through a medium (or space) without carrying the matter along. A single travelling disturbance is a pulse; a repeating disturbance forms a periodic wave. Two types:

A transverse wave: the medium moves at right angles to the wave's travel
A transverse wave: the medium moves at right angles to the wave's travel
  • Transverse 横波: oscillations are perpendicular to the wave's travel. Rope particles move; for light it is the electric and magnetic fields that oscillate.
  • Longitudinal 纵波: the medium moves along the direction of travel (sound).
探索

横波或纵波

切换横波与纵波,观察质点相对于传播方向的运动。

词汇 训练
English 中文 拼音
wave/weɪv/ 波 bō
Transverse/trænsˈvɜːs/ 横波 héng bō
Longitudinal/ˌlɒŋɡɪˈtjuːdɪnl/ 纵波 zòng bō
14.2

周期波

教学大纲

学习目标 14.2.A: 描述周期波的物理性质。

  • 14.2.A.1 周期波具有规则的重复性,可以使用周期和频率来描述。
    • 14.2.A.1.i 周期是波完成一次完整振动所需的时间。
    • 14.2.A.1.ii 频率是波重复的速率。
      • 公式: $T = \dfrac{1}{f}$
    • 14.2.A.1.iii 波的振幅与该波的周期和频率无关。
    • 14.2.A.1.iv 波的能量随频率的增加而增加。
    • 14.2.A.1.v 声波的频率与其音调有关。
    • 14.2.A.1.vi 波长是波上相邻对应位置(如波峰或波谷)之间的距离。
  • 14.2.A.2 正弦波可以通过特定位置处相对于平衡位置的位移随时间变化的方程来描述。波也可以通过特定时刻处相对于平衡位置的位移随位置变化的方程来描述。
    • 公式: $x(t) = A\cos(\omega t) = A\cos(2\pi f t)$
    • 公式: $y(x) = A\cos\left(2\pi \dfrac{x}{\lambda}\right)$
  • 14.2.A.3 对于周期波,波长与波速成正比,与波频成反比。
    • 公式: $\lambda = \dfrac{v}{f}$

来源:College Board AP 课程与考试说明

English
Transverse vs longitudinal waves

A repeating wave is described by:

A displacement-distance graph shows the amplitude and wavelength
A displacement-distance graph shows the amplitude and wavelength
  • wavelength 波长 $\lambda$ (distance between repeats),
  • frequency 频率 $f$ (cycles per second) and period $T=1/f$,
  • amplitude 振幅 $A$ (maximum displacement – related to energy),
  • wave speed 波速 $v=f\lambda$, set by the medium, not the source.

Worked example. A musical note has frequency $340\ \text{Hz}$ and the speed of sound is $340\ \text{m/s}$. Its wavelength is $\lambda=v/f=340/340=1.0\ \text{m}$. If the same note travels into water (where sound moves at $\approx 1500\ \text{m/s}$) the frequency stays $340\ \text{Hz}$ but the wavelength stretches to $1500/340\approx 4.4\ \text{m}$ – the source sets the frequency, the medium sets the speed and hence the wavelength.

探索

发送周期性波

周期性波在不移动物质的情况下传递能量。其速度 $v=f\lambda$ 将频率与波长联系起来;提高频率会使波长变短。

词汇 训练
English 中文 拼音
wavelength/ˈweɪvleŋθ/ 波长 bō cháng
frequency/ˈfriːkwənsi/ 频率 pín lǜ
amplitude/ˈæmplɪtjuːd/ 振幅 zhèn fú
wave speed/weɪv spiːd/ 波速 bō sù
14.3

波的边界行为与偏振

教学大纲

学习目标 14.3.A: 描述波与边界的相互作用。

  • 14.3.A.1 从一种介质传播到另一种介质的波,根据分隔两种介质的边界性质不同,可能发生透射或反射。
    • 14.3.A.1.i 从一种介质传播到另一种介质的波(例如,在低质量弦与高质量弦之间传播的波)会产生反射波和透射波。
    • 14.3.A.1.ii 如果透射波进入波速减小的介质,则反射波会发生倒置(反相)。
    • 14.3.A.1.iii 如果透射波进入波速增加的介质,则反射波不会发生倒置(同相)。
    • 14.3.A.1.iv 当波从一种介质传播到另一种介质时,其频率保持不变。
  • 14.3.A.2 从表面反射、穿过介质折射或通过特定狭缝的横波可能产生偏振现象。
    • 14.3.A.2.i 横波可以发生偏振,并在单一平面内振荡。
    • 14.3.A.2.ii 纵波不能发生偏振。
  • 14.3.A.3 波的偏振可能导致其强度减弱。
    • 14.3.A.3.i 强度是单位面积上传递功率的量度。
    • 14.3.A.3.ii 波的强度是一个周期内单位面积上的平均功率。

来源:College Board AP 课程与考试说明

English
Total internal reflection

At a boundary a wave partly reflects and partly transmits. Reflecting off a denser medium inverts the wave; off a less-dense medium it does not. Polarization 偏振 applies to transverse waves only: a polarizer passes just one direction of oscillation, which is why polarized sunglasses cut glare.

The effect of a polarizer is measured through intensity 强度 - the average power a wave delivers per unit area over one period, in $\text{W m}^{-2}$. Because a polarizer removes the components of the oscillation that are not aligned with it, it reduces the wave's intensity: unpolarized light passing a single ideal polarizer drops to half its intensity, and a second polarizer at an angle cuts it further. Intensity also falls with distance from a source, since the same power spreads over a larger area.

Unpolarised waves vibrate in many planes; a polarised wave vibrates in one
Unpolarised waves vibrate in many planes; a polarised wave vibrates in one
词汇 训练
English 中文 拼音
Polarization/ˌpəʊləraɪˈzeɪʃn/ 偏振 piān zhèn
intensity/ɪnˈtensɪti/ 强度 qiáng dù
14.4

电磁波

教学大纲

学习目标 14.4.A: 描述电磁波的性质。

  • 14.4.A.1 电磁波由相互垂直的振荡电场和磁场组成。
    • 14.4.A.1.i 电磁波是横波,因为电场和磁场的振荡方向与传播方向垂直。
    • 14.4.A.1.ii 通常假设电磁波为平面波,其特征是具有平面波前。
  • 14.4.A.2 电磁波的传播不需要介质。
  • 14.4.A.3 电磁波的种类由其波长决定。
    • 14.4.A.3.i 电磁波的种类包括(按波长递减顺序,范围从千米到皮米):无线电波、微波、红外线、可见光、紫外线、X射线和γ射线。
    • 14.4.A.3.ii 可见电磁波进一步细分为颜色类别,包括(按波长递减顺序):红、橙、黄、绿、蓝、紫。
    • 14.4.A.3.iii 可见电磁波也被称为光。有时,所有波长的电磁波统称为光或电磁辐射。

边界说明:AP物理2要求学生掌握电磁波谱的顺序(包括可见光)。但是,不要求学生对电磁波谱内的确切波长范围进行定义。

来源:College Board AP 课程与考试说明

English

Electromagnetic waves 电磁波 are oscillating electric and magnetic fields that travel through vacuum at the speed of light $c$, needing no medium. They span the spectrum from radio to gamma rays; higher frequency means shorter wavelength and higher photon energy.

The electromagnetic spectrum, from radio waves to gamma rays
The electromagnetic spectrum, from radio waves to gamma rays
探索

探索光谱

从无线电波滑动至伽马射线,观察波长和用途的变化。

词汇 训练
English 中文 拼音
Electromagnetic waves/ɪˌlektrəʊməɡˈnetɪk weɪvz/ 电磁波 diàn cí bō
14.5

多普勒效应

教学大纲

学习目标 14.5.A: 根据波源与观察者之间的相对运动来描述波的特性。

  • 14.5.A.1 多普勒效应描述了波源的静止频率、观测到的源频率以及波源和观察者之间的相对速度之间的关系。
  • 14.5.A.2 相对速度越大,观测频率与静止频率之间测得的差值就越大。
    • 14.5.A.2.i 对于以与观察者相同速度运动的波源,观测频率等于静止频率。
    • 14.5.A.2.ii 对于向观察者移动的波源,观测频率大于静止频率。
    • 14.5.A.2.iii 对于远离观察者的波源,观测频率小于静止频率。

边界说明:AP物理2仅要求对多普勒效应进行定性分析。

来源:College Board AP 课程与考试说明

English
The Doppler effect

The Doppler effect 多普勒效应 is the change in observed frequency when a wave source and observer move relative to each other. Approaching $\Rightarrow$ higher frequency (shorter wavelength); receding $\Rightarrow$ lower frequency. It explains a passing siren's drop in pitch and the redshift of receding galaxies.

A moving source squashes the wavefronts ahead of it, raising the observed frequency
A moving source squashes the wavefronts ahead of it, raising the observed frequency
探索

听多普勒频移

当波源运动时,前方的波会聚集(频率更高),后方的波会拉伸(频率更低)——这就是多普勒效应。加快速度可以放大这种偏移。

词汇 训练
English 中文 拼音
Doppler effect/ˈdɒplə ɪˈfekt/ 多普勒效应 duō pǔ lè xiào yìng
14.6

波的干涉与驻波

教学大纲

学习目标 14.6.A: 描述两个或多个波脉冲或波重叠时产生的净扰动。

  • 14.6.A.1 波的干涉是两个或多个波脉冲或波之间的相互作用。
  • 14.6.A.2 当两个或多个波脉冲或波相互作用时,它们会穿过彼此并发生重叠,而不是相互反弹。
  • 14.6.A.3 当两个或多个波脉冲或波重叠时,合成位移可以通过叠加各个单独位移来确定。这称为叠加原理。
  • 14.6.A.4 波的干涉可能是相长干涉或相消干涉。
    • 14.6.A.4.i 当叠加的波脉冲或波的位移方向相同时,这种相互作用称为相长干涉。
    • 14.6.A.4.ii 当叠加的波脉冲或波的位移方向相反时,这种相互作用称为相消干涉。
    • 14.6.A.4.iii 两个或多个行波波脉冲或波可以相互作用,从而在合成波脉冲或波中产生振幅变化。
  • 14.6.A.5 波脉冲或波的视觉表示图有助于确定两个相互作用的波脉冲或波的结果。
  • 14.6.A.6 拍音是由两个频率略有不同的波叠加产生的。
    • 14.6.A.6.i 不同频率的波有时沿波形路径同相,有时反相,导致合成波出现周期性的振幅变化。
    • 14.6.A.6.ii 拍频是两个波频率之差的绝对值。
      • 公式: $\left|f_{\text{beat}}\right| = \left|f_1 - f_2\right|$
    • 14.6.A.6.iii 音叉是常用于演示拍频现象的装置。

学习目标 14.6.B: 描述驻波的特性。

  • 14.6.B.1 驻波可源于被限制在某一区域内且沿相反方向传播的两个波之间的干涉。
    • 14.6.B.1.i 驻波具有节点和腹点(波腹)。节点是驻波上振幅始终为零的点。腹点是驻波上振幅始终最大的点。
    • 14.6.B.1.ii 驻波可能的波长由其所限制区域的大小及边界条件决定。
    • 14.6.B.1.iii 驻波可能形成的常见区域包括开口或闭口的管,以及固定端或自由端的弦。
  • 14.6.B.2 具有最长可能波长的驻波称为基波或第一谐波。第二长的波长通常称为第二谐波,第三长的波长称为第三谐波,以此类推。然而,对于一端有节点、另一端有腹点的驻波,只能形成奇次谐波。
  • 14.6.B.3 驻波的视觉表示图有助于确定区域长度、波长、频率、波速和谐波之间的关系。

来源:College Board AP 课程与考试说明

English
Standing (stationary) waves

When waves overlap they superpose (add). Constructive interference 相长干涉 (crests aligned) gives a bigger wave; destructive interference 相消干涉 (crest on trough) cancels. Two waves of the same frequency and speed, with equal amplitudes and opposite directions, can form a standing wave 驻波 with fixed nodes 波节 (no motion) and antinodes 波腹 (maximum motion) – the basis of resonance on strings and in pipes.

A standing wave forms where two waves travelling in opposite directions overlap
A standing wave forms where two waves travelling in opposite directions overlap

Worked example. A guitar string $0.65\ \text{m}$ long is fixed at both ends. Its fundamental (first harmonic) fits half a wavelength between the ends, so $\lambda=2L=1.30\ \text{m}$. If waves travel along the string at $260\ \text{m/s}$, the note's frequency is $f=v/\lambda=260/1.30=200\ \text{Hz}$. Shortening the string (a fret) raises the pitch.

When two waves of slightly different frequency overlap, they drift in and out of step, so the combined sound swells loud and soft in a slow throb called beats 拍. The beat frequency 拍频 is simply the difference of the two frequencies:

$$f_{\text{beat}}=|f_1-f_2|.$$
Two tuning forks of $256\ \text{Hz}$ and $260\ \text{Hz}$ sounded together give $|260-256|=4$ beats each second; a musician tunes an instrument by slowing these beats towards zero against a reference note.

探索

建立驻波

两列相向传播的波干涉形成具有固定节点和腹点的驻波。只有特定频率能够匹配,从而产生谐波。

词汇 训练
English 中文 拼音
Constructive interference/kənˈstrʌktɪv ˌɪntəˈfɪərəns/ 相长干涉 xiāng zhǎng gān shè
destructive interference/dɪˈstrʌktɪv ˌɪntəˈfɪərəns/ 相消干涉 xiāng xiāo gān shè
standing wave/ˈstændɪŋ weɪv/ 驻波 zhù bō
nodes/nəʊdz/ 波节 bō jié
antinodes/ˌæntɪˈnəʊdz/ 波腹 bō fù
beats/biːts/ 拍 pāi
beat frequency/biːt ˈfriːkwənsi/ 拍频 pāi pín
14.7

衍射

教学大纲

学习目标 14.7.A: 描述波通过单个开口时的行为以及由此产生的衍射图样。

  • 14.7.A.1 衍射是波在障碍物边缘或穿过开口时发生的扩散现象。
  • 14.7.A.2 当开口尺寸与波的波长相当时,衍射现象最为显著。
  • 14.7.A.3 多个波前通过单个开口发生衍射会导致可观察到的干涉图样。
  • 14.7.A.4 通常使用波长为 $\lambda$ 的单色光照射宽度为 $a$ 的狭缝来演示衍射,该狭缝距离屏幕为 $L$。
    • 14.7.A.4.i 源自开口的多个波前的相长干涉和相消干涉将在屏幕上产生亮带和暗带。
    • 14.7.A.4.ii 两个波前之间的干涉程度取决于波前的路径长度差 $\Delta D$。
    • 14.7.A.4.iii 路径长度差 $\Delta D$ 可以用开口宽度 $a$ 以及波前传播方向与开口法线之间的角度 $\theta$ 来描述,其方程为 $\Delta D = a\sin\theta$。
    • 14.7.A.4.iv 对于小角度,其中 $\theta < 10°$,可以使用小角度近似将 $\lambda$、$a$ 和 $L$ 与 $y_{\min}$(从中央亮纹中心到屏幕上第 $m^{\text{th}}$ 级最弱亮度位置的距离)联系起来。
      • 方程: $a\left(\dfrac{y_{\min}}{L}\right) \approx m\lambda$
  • 14.7.A.5 波通过开口产生的衍射图样取决于开口的形状。
  • 14.7.A.6 单缝衍射图样的视觉表示有助于确定狭缝的物理性质以及相互作用波的特性。

来源:College Board AP 课程与考试说明

English

Diffraction 衍射 is the bending and spreading of waves around edges or through openings. The spreading is significant when the opening is comparable to the wavelength – so sound (long wavelength) bends around doorways easily, while light (tiny wavelength) needs a very narrow slit.

Waves spread out (diffract) as they pass through a gap
Waves spread out (diffract) as they pass through a gap
探索

更多或更少的衍射?

当缝隙大小与波长相当时,波扩散最明显。对每种情况进行排序。

词汇 训练
English 中文 拼音
Diffraction/dɪˈfrækʃn/ 衍射 yǎn shè
14.8

双缝干涉与衍射光栅

教学大纲

学习目标 14.8.A: 描述波的行为以及波穿过多个开口时产生的衍射图样。

  • 14.8.A.1 波长为 $\lambda$ 的单色光入射到间距为 $d$ 的双缝上所产生的图样,是由波的衍射和波的干涉共同作用引起的。
    • 14.8.A.1.i 当仅考虑波的干涉时,双缝会产生一系列均匀分布的极大值图样。
    • 14.8.A.1.ii 来自每个狭缝的波前的相长干涉和相消干涉将在屏幕上产生明暗相间的条纹。
    • 14.8.A.1.iii 两个波前之间的干涉程度取决于波前的路径长度差 $\Delta D$。
    • 14.8.A.1.iv 路径长度差 $\Delta D$ 可以用狭缝间距 $d$ 以及波前传播方向与开口法线之间的夹角 $\theta$ 通过方程 $\Delta D = d\sin\theta$ 来描述。
    • 14.8.A.1.v 对于小角度情况,即当 $\theta < 10°$ 时,可以使用小角度近似将 $\lambda$、$d$ 和 $L$ 与 $y_{\max}$(屏幕中央亮纹中心到第 $m^{\text{th}}$ 级最亮处的距离)联系起来。
      • 方程: $d\left(\dfrac{y_{\max}}{L}\right) \approx m\lambda$
    • 14.8.A.1.vi 当同时考虑波的干涉和波的衍射时,双缝会在单缝衍射形成的包络线内产生由极大值和极小值组成的干涉图样。
  • 14.8.A.2 光与双缝相互作用产生的干涉图样表明光具有波动性。这一发现的来源是杨氏双缝实验。
  • 14.8.A.3 双缝衍射图样的视觉表示有助于确定狭缝的物理性质以及相互作用的波的特性。
  • 14.8.A.4 衍射光栅是一组等间距的平行狭缝或开口,它产生的干涉图样是许多衍射图样叠加在一起的结果。
  • 14.8.A.5 当白光入射到衍射光栅上时,中央极大值为白色,高阶极大值会将白光色散成彩虹般的颜色,其中波长最长的光(红光)出现在离中央极大值最远的位置。

来源:College Board AP 课程与考试说明

English
Two-source interference

Coherent 相干 light through two closely spaced slits produces a pattern of bright and dark fringes. Bright fringes occur where the path difference is a whole number of wavelengths:

$$d\sin\theta=m\lambda.$$
A diffraction grating 衍射光栅 has many slits, giving sharp, widely spaced bright lines – useful for separating light into its wavelengths.

Young's double slits give an interference pattern of bright and dark fringes
Young's double slits give an interference pattern of bright and dark fringes

Worked example. Light of wavelength $600\ \text{nm}$ passes through two slits $0.20\ \text{mm}$ apart. The first bright fringe ($m=1$) sits at

$$\sin\theta=\frac{m\lambda}{d}=\frac{1\times600\times10^{-9}}{0.20\times10^{-3}}=3.0\times10^{-3}\;\Rightarrow\;\theta=0.17^{\circ}.$$
The tiny angle is why the slits must be very close together and the screen far away to see the fringes clearly.

Rainbow colours reflected from the surface of a CD
The fine tracks on a CD act as a diffraction grating, splitting white light into a spectrum
探索

叠加两列波

当两列波同相到达时,它们叠加形成亮条纹;反相到达时,它们相互抵消形成暗条纹。这种干涉现象产生了双缝干涉图样。

词汇 训练
English 中文 拼音
Coherent/kəʊˈhɪərənt/ 相干 xiāng gān
diffraction grating/dɪˈfrækʃn ˈɡreɪtɪŋ/ 衍射光栅 yǎn shè guāng shān
14.9

薄膜干涉

教学大纲

学习目标 14.9.A: 描述光与薄膜相互作用时的行为。

  • 14.9.A.1 当光从一种介质传播到另一种介质时,部分光被透射,部分被反射,部分被吸收。
  • 14.9.A.2 反射光的相位变化取决于光线所作用材料的折射率相对大小。
    • 14.9.A.2.i 当光线从折射率较大的介质反射(即由折射率较小的介质入射到折射率较大的介质)时,会发生 180 度的相位变化。
    • 14.9.A.2.ii 当光线从折射率较小的介质反射(即由折射率较大的介质入射到折射率较小的介质)时,不会发生相位变化。
  • 14.9.A.3 波在穿过不同介质发生折射时,其相位不发生改变。
  • 14.9.A.4 当光与厚度与光波长相当的介质相互作用时,会发生薄膜干涉。
    • 14.9.A.4.i 初始反射光与经第二个界面反射后射出薄膜的光之间产生波的干涉效应,形成单一合成波,该波是两列相互作用波的叠加。
    • 14.9.A.4.ii 两束反射光之间相长或相消干涉的程度取决于薄膜厚度、光波长、任何相位移动以及入射光照射薄膜的角度之间的关系。
  • 14.9.A.5 薄膜干涉的实际应用包括肥皂泡和油膜中观察到的颜色变化,以及抗反射涂层。
    • 14.9.A.5.i 油膜和肥皂泡中观察到的光谱颜色源于薄膜厚度的差异。
    • 14.9.A.5.ii 抗反射涂层通过应用折射率、相位移动和波干涉之间的关系,使涂层两个表面反射的光产生相消干涉,从而消除反射光。
    • 14.9.A.5.iii 最简单的抗反射涂层厚度等于光在涂层中波长的四分之一,且涂层的折射率大于空气的折射率但小于其所在表面的折射率。此结论假设入射光垂直于表面。

边界说明:薄膜干涉的定量分析仅限于垂直于入射表面的波。

来源:College Board AP 课程与考试说明

English

Light reflecting off the top and bottom of a thin film 薄膜 (soap bubble, oil slick) interferes with itself. Depending on the film's thickness and a possible half-wavelength phase flip on reflection off a denser medium, particular wavelengths interfere constructively – producing the shifting colours you see.

The same physics is put to work in an antireflection coating 增透膜 on camera lenses, glasses, and solar cells: a thin transparent layer whose two reflected waves interfere destructively, so almost no light reflects and more is transmitted. For ideal non-absorbing materials at normal incidence, complete cancellation at one chosen vacuum wavelength $\lambda_0$ requires a film index $n_f=\sqrt{n_{\text{air}}n_{\text{glass}}}$ and thickness $\lambda_0/(4n_f)$, one quarter of a wavelength inside the film. Other wavelengths and incidence angles can still reflect some light.

探索

亮膜还是暗膜?

薄膜的亮暗取决于反射波的叠加方式。对每种情况进行排序。

词汇 训练
English 中文 拼音
thin film/θɪn fɪlm/ 薄膜 bó mó
antireflection coating/ˌæntɪrɪˈflekʃn ˈkəʊtɪŋ/ 增透膜 zēng tòu mó
14.9

Practice

English

Answer each before reading the answers below.

  1. A wave on a string has frequency $50\ \text{Hz}$ and wavelength $0.80\ \text{m}$. Find its speed.
  2. A string $0.90\ \text{m}$ long, fixed at both ends, carries waves at $180\ \text{m/s}$. Find the frequency of its fundamental and of its third harmonic.
  3. A $440\ \text{Hz}$ tuning fork and a guitar string sound together and give $3$ beats per second. When the string is tightened slightly, the beats speed up to $5$ per second. What was the string's frequency before it was tightened?
  4. Light of wavelength $500\ \text{nm}$ falls on a grating with $600$ lines per millimetre. Find the angles of the first-order and second-order bright lines, and the highest order that can be seen.
  5. A student says: "A grating with more lines per millimetre squeezes the bright lines closer together." Correct the student.
14.9

答案

English
  1. $v=f\lambda=50\times0.80=40\ \text{m/s}$.
  2. $\lambda_1=2L=1.80\ \text{m}$, so $f_1=\dfrac{180}{1.80}=100\ \text{Hz}$. The third harmonic is $3f_1=300\ \text{Hz}$.
  3. The string was at $440\pm3=437$ or $443\ \text{Hz}$. Tightening raises its frequency, and the beats got faster, so it moved away from $440\ \text{Hz}$: it was $443\ \text{Hz}$.
  4. $d=\dfrac{1}{600}\ \text{mm}=1.67\times10^{-6}\ \text{m}$. First order: $\sin\theta=\dfrac{500\times10^{-9}}{1.67\times10^{-6}}=0.30$, $\theta=17^{\circ}$. Second order: $\sin\theta=0.60$, $\theta=37^{\circ}$. Since $\sin\theta\le1$, $m\le d/\lambda=3.3$, so the third order ($\sin\theta=0.90$, $64^{\circ}$) is the highest.
  5. More lines per millimetre means a smaller spacing $d$. From $d\sin\theta=m\lambda$, a smaller $d$ gives a larger $\sin\theta$, so the bright lines spread farther apart (and fewer orders fit).
14.9

考试技巧

English
  • Use $v=f\lambda$; the source sets the frequency, and when a wave enters a new medium the frequency stays fixed while the speed and wavelength change.
  • Distinguish transverse (vibration perpendicular, can be polarised) from longitudinal (vibration along the travel, e.g. sound).
  • Constructive interference needs a path difference of a whole number of wavelengths; destructive needs a half-odd number.
  • On a string fixed at both ends the fundamental fits half a wavelength ($\lambda=2L$).
  • Diffraction is significant only when the gap is comparable to the wavelength — sound bends round doorways, light needs a very narrow slit.
  • Beats: two waves of slightly different frequency throb at $f_{\text{beat}}=|f_1-f_2|$ (e.g. two tuning forks; tuning to zero beats).
  • An antireflection coating is a quarter-wavelength-thick layer (index between air and glass) whose two reflections cancel, cutting the reflected light.

Common mistakes

  • Saying the frequency of a wave changes when it enters a new medium. The frequency is set by the source; the speed and the wavelength change.
  • Taking the string length as one wavelength for the fundamental. A string fixed at both ends has $L = \lambda/2$ in its fundamental mode.
  • Using the slit width in the double-slit equation. $d\sin\theta = m\lambda$ uses the spacing between the slits.
  • Forgetting the unit prefixes in interference: $1\ \text{nm} = 10^{-9}\ \text{m}$, $1\ \text{mm} = 10^{-3}\ \text{m}$.
  • Saying a moving source changes the wave's speed. In the Doppler effect the speed in the medium is unchanged; the observed frequency and wavelength change.
  • Saying sound can be polarized. Only transverse waves can be polarized; sound in air is longitudinal.

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