波的题目常常用文字给出观察,要你回答一个数字。关键公式是 v = f × λ:波速等于频率乘以波长。这项技能在于判断观察给了你哪两个量。
这一课属于综合物理推理,因为一个答案里要同时用到计数、测量、单位换算和物理解释。
怎样读懂一个波的观察?
观察通常隐藏三类信息之一:一段时间内的计数(得到频率)、覆盖几个波的距离(得到波长),或介质的改变(告诉你哪个量必须不变)。
- 频率: 用完整波的个数除以以秒计的时间。
- 波长: 用测得的距离除以它所覆盖的波长个数,再换成米。
- 波速: 频率乘以波长。
- 介质改变: 波源决定频率,所以频率不变,波速和波长一起改变。
- 单位检查: 波长用米,频率用赫兹,波速用 m/s。
例题(虚构数据)
在波纹水槽中,一位同学数到 15 个波在 10 s 内经过一个标记。她在照片上用尺子量得 5 个波长覆盖 40 cm。水波随后进入较浅的区域,波长缩短为 5.0 cm。
求(a)频率,(b)深水区的波速,(c)浅水区的波速。
(a)频率。 f = 15 ÷ 10 = 1.5 Hz。
(b)深水区。 一个波长是 40 ÷ 5 = 8.0 cm = 0.080 m。
v = f × λ = 1.5 × 0.080 = 0.12 m/s。
(c)浅水区。 波源没有改变,所以 f 仍是 1.5 Hz。λ = 5.0 cm = 0.050 m。
v = 1.5 × 0.050 = 0.075 m/s。
再检查: 用厘米计算,1.5 × 8.0 = 12 cm/s = 0.12 m/s,1.5 × 5.0 = 7.5 cm/s = 0.075 m/s。浅水区波速变慢,波长缩短的比例相同:5.0 ÷ 8.0 = 0.625,0.075 ÷ 0.12 = 0.625。
要留意的错误
学生以为波长变了频率也会变,然后沿用原来的波速。
错误解法:“波长从 8.0 cm 变成 5.0 cm,所以波速仍是 0.12 m/s,频率一定上升了。”
波源没有改变,频率就不可能改变。随介质改变的是波速。
第二个常见失误是单位混用:如果忘了 8.0 的单位是厘米,1.5 × 8.0 = 12 就会被误写成 12 m/s。相乘之前先换算,或者把单位写成 cm/s。
自我检测
所有数据均为虚构。
1. 频率 440 Hz 的声波在空气中以 330 m/s 传播。求它的波长。
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λ = v ÷ f = 330 ÷ 440 = 0.75 m。检查:440 × 0.75 = 330。
2. 一个无线电波的频率是 100 MHz(1.0 × 10⁸ Hz),速度为 3.0 × 10⁸ m/s。它的波长是多少?
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λ = (3.0 × 10⁸) ÷ (1.0 × 10⁸) = 3.0 m。
3. 绳上的波周期为 0.25 s,波长为 0.30 m。求波速。
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频率 = 1 ÷ 0.25 = 4.0 Hz。波速 = 4.0 × 0.30 = 1.2 m/s。
接下来学什么
先点明什么保持不变的习惯,也有助于把热传递与粒子行为联系起来。想看一个观察如何变成经过判断的结论,可以试试科学探究评析工具,并在综合练习中检验自己。
记得公式却在解释题丢分的学生,往往需要有人把他们写的句子读回给他们听。这正是一对一线上综合科学补习自然会关注的地方。