3小时读通基础物理：波动篇 pdf epub mobi txt 电子书 下载 2025

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教你如何攻略波动！

　　一听到「波动」，就觉得「好难」？
　　波动之所以困难，在于波有高低起伏，难以捉摸。
　　本书以插图加上叙述，帮助读者预测波动。
　　只要使用书中介绍的秘密三步骤解题，
　　任何人都能轻松搞定波动！
　　大学学测，就看这本！
 

好的，这是一份关于一本名为《3小时读通基础物理：波动篇》的书籍的详细简介，内容仅围绕波动现象展开，避免提及其他物理领域的内容： --- 《3小时读通基础物理：波动篇》：探索自然界运动与能量传递的通用语言 本书旨在为读者提供一个全面、深入且高效的波动现象入门指南。波动是自然界中最普遍、最基础的物理现象之一，从声波的传播到光线的折射，从地震波的传递到量子世界的神秘面纱，波动理论构成了现代物理学的核心支柱。本书的目标并非仅仅罗列公式，而是通过清晰的逻辑和丰富的实例，帮助读者真正理解波动的本质、特性及其在不同物理系统中的表现形式。 第一部分：波动的基本概念与数学描述 本部分是理解整个波动篇章的基石。我们将从最直观的宏观运动入手，定义什么是波，以及波与粒子运动的区别。 1. 周期性与振动：波的源头 波动现象的根源在于周期性的振动。本章详细探讨了简谐振动（Simple Harmonic Motion, SHM）作为所有复杂波动的基本单元。我们将深入解析位移、速度、加速度与时间的关系，引入胡夫定律（Hooke's Law）作为理想弹簧振子运动的物理基础。重点讲解了振幅、周期、频率以及角频率等核心参数的物理意义和它们之间的数学关系。 2. 波的传播：从点到面 从一个振动的源头如何转化为宏观的波阵面传播？本章引入了横波和纵波的概念，并通过直观的绳波模型和弹簧模型进行区分。详细阐述了波速（Phase Velocity）的决定因素——介质的特性（如弹性模量和密度），而非波源本身的频率。 3. 波的数学描述：正弦波的语言 为了精确描述波动，我们必须借助数学工具。本章集中于正弦波的波形方程。我们将详细推导和解释波函数 $psi(x, t) = A sin(kx pm omega t + phi)$ 的每一个组成部分。重点讲解波长（$lambda$）与波数（$k$）的关系（$k=2pi/lambda$），以及它们如何决定波在空间中的形态；频率（$f$）与角频率（$omega$）的关系（$omega=2pi f$），如何决定波在时间上的演化。通过对相位常数的讨论，我们能准确描述波的初始状态。 第二部分：波的叠加与干涉——波的“相遇” 当两个或多个波在同一介质中相遇时，它们会发生叠加，这是波动现象中最具美感和应用价值的部分之一。 1. 叠加原理：线性系统的基石 本章确立了线性叠加原理（Principle of Superposition）——在满足该原理的介质中，合波的位移等于各分波位移的矢量和。这使得我们可以将复杂的波形分解为基本正弦波的组合。 2. 干涉现象：相位的魔力 干涉是两个或多个频率相同的波在空间某点叠加时，因相位差恒定而产生的稳定的增强或减弱现象。我们详细分析了相干光源的必要条件。通过对不同光程差（$Delta L$）导致的结果分析，精确推导出相长干涉（建设性干涉，相差为 $2npi$）和相消干涉（破坏性干涉，相差为 $(2n+1)pi$）的条件。 3. 经典干涉实验回顾 为了使理论更具象化，本章回顾了几个经典的干涉实验设置。重点分析了双缝干涉（Young's Double Slit）中，条纹间距与波长、缝间距和屏距之间的关系，展示了如何利用这种关系测量波长。此外，也将触及薄膜干涉的基本原理。 第三部分：波的衍射与散射——绕过障碍 波在遇到障碍物或孔径时，会偏离直线传播的趋势，发生弯曲或散开，这就是衍射现象。 1. 衍射的本质 本章阐述了衍射的发生条件：障碍物的尺寸或孔径与波长的量级相当时最为显著。我们将引入惠更斯-菲涅耳原理（Huygens-Fresnel Principle），将每个波前的点视为新的点波源，所有次级波叠加形成了新的波前。 2. 单缝衍射的精确分析 单缝衍射是理解衍射理论的关键。我们详细推导了单缝中，不同位置的次级波到达观察屏某点时的相对相位差，并导出了暗纹出现的条件：$a sin heta = mlambda$（其中 $a$ 为缝宽，$m$ 为整数）。分析了中央亮纹的宽度以及光强度随角度的变化曲线，突出其与干涉图样的差异。 3. 衍射与分辨率 本章将衍射的概念延伸至实际应用，讨论了衍射对仪器（如望远镜和显微镜）分辨能力的限制——瑞利判据（Rayleigh Criterion），解释了为何存在理论上的最小可分辨距离。 第四部分：波动的特性与传播——深入介质 本部分关注波在不同介质中传播时所展现出的动态特性，包括反射、折射以及波速的差异。 1. 反射与折射：边界条件的约束 当波从一种介质传播到另一种介质的界面时，部分能量会被反射，部分会发生折射。本章严格遵循能量守恒和边界条件，推导斯涅尔定律（Snell's Law，$frac{sin heta_1}{sin heta_2} = frac{v_1}{v_2}$）的波动基础，解释了折射率 ($n=c/v$) 的物理含义。同时，分析了反射定律（入射角等于反射角）在所有波类型中的普遍适用性。 2. 驻波的形成与谐振 驻波（Standing Waves）是两列频率相同、振幅相等、方向相反的波在同一介质中叠加的特殊结果。本章着重分析驻波的节点（Node）和腹部（Antinode）的特性，它们的位置是恒定的，与行波的位相变化截然不同。重点讨论了固定两端弦上的谐振模式，引入了频率与波长的关系 $f_n = n frac{v}{2L}$，这是理解管乐器和弦乐器发声原理的关键。 3. 多普勒效应：频率的相对变化 多普勒效应是描述波源或观察者相对运动导致观测频率变化的现象。本章将精确推导静止介质中，观察者运动和波源运动时的频率变化公式。这不仅适用于声波，也为后续理解电磁波的红移和蓝移提供了基础概念框架。 总结 《3小时读通基础物理：波动篇》通过对振动、叠加、干涉、衍射、反射与驻波的系统性讲解，为读者构建了一个坚实的波动物理学模型。掌握这些基础概念，将使您能够理解从声学到光学，乃至更深层次的物理现象背后的统一规律。本书的结构设计确保了学习的效率与深度并重。

作者简介

桑子　研 Ken Kuwako

　　生于1981年。国、高中物理老师。毕业于东京学艺大学，筑波大学研究所课程修毕。第一间教课学校就是女校，面对看到物理就大感冒的女学生们，每天都十分苦恼。于是使用iPod制作影像教材，更开发三步骤解题法等教学法，融入课堂之中。

　　在他独特的教学之下，学生们终于不再害怕，重获自信。目前以打造新的理科教育环境为目标，并投入教职员录用顾问、校外学习规画、师生共同绘本制作等活动。

　　着作有《3小时读通基础物理 波动篇》（世茂出版）
　　Kuwako-Lab.com  
　　kuwako-lab.com

译者简介

李汉庭

　　1979年生，毕业于国立海洋大学电机系，自学日文小成。2003年进入专利事务所开始从事翻译工作，2006年底开始从事书本翻译。领域从电机专利文件乃至于小常识、生活医学、科技等等的中日对译，乐于在工作中吸收新知识。目前尝试将触角延伸到特殊造型与影像创作，有各方面之作品。往后仍希望能接触更多领域，增加知识广度，同时磨练文笔。译有《图解风力发电入门》《3小时读通有机化学》、《3小时读通太阳能电池》、《3小时读通基础物理 波动篇》等（以上世茂出版）。
 

前言　2
目录　4

朝会　10
两种讨厌物理的人　10
随处可见的波　11
本书的特征　12
波的表现方式与五大性质　15
前言　16
波是什么？　16
波的两种说明图（y-x 图．y-t 图）　20
波的标示符号　22
y-x 图　22
y-t 图　23
何谓频率　23
最重要的波公式　24
两种波　26
以横波来表现纵波　30
纵波1．2．3 　32
波的五大性质　35
波的性质❶圆形波　36
波的性质❷反射　38
①原样反射的「自由端反射」　40
②反向反射的「固定端反射」　40
波的性质❸折射　42
波的性质❹干涉　44
波的性质❺反射＋干涉＝驻波　46
总结　50
问题练习①纵波与驻波　52
解答．解说　54
第一堂课总结  其①　57
第一堂课总结  其②　58
乐器的架构  弦．气柱的振动　59
前言　60
声波的真面目　61
声音的速度　62
声音的高低　63
声音的大小　64
弦的振动与驻波　64
弦所造成的波--波长　66
弦所造成的波--波速　66
f 与 L 成反比　67
f 与 T 成正比　68
f 与 p成反比　68
振动模式与频率　69
气柱振动　71
开管　72
开管的振动模式与声音高低　74
闭管　76
闭管的振动模式与声音高低　78
开口端修正　80
问题练习②弦与气柱　80
解答．解说　82
第二堂课总结　88
救护车笛声的秘密  都卜勒效应　89
前言　90
水波的扩散状态　91
声音的扩散状态　92
声源若移动会发生什么事？　93
发生都卜勒效应的原因　95
以算式表示都卜勒效应　97
声源静止时的声波波长　97
○A声源靠近的时候　98
○B声源远离的时候　100
观测者移动也会引发都卜勒效应　101
○C观测者靠近声源的时候　102
○D观测者远离声源的时候　104
救护车与观测者都在移动的时候　106
声源与观测者互相靠近的时候　106
声源与观测者互相远离的时候　107
都卜勒效应1．2．3　109
都卜勒效应的应用　114
A有墙壁的时候　114
低鸣　117
B声源斜着靠近的时候　119
C有风吹的时候　121
问题练习③ 都卜勒效应 其①　123
解答．解说　124
问题练习④ 都卜勒效应 其②　126
解答．解说　127
第三堂课总结　130
闪闪发亮  光的干涉　131
前言　132
光的基础知识　132
光也会变慢！？折射率就是缩减率　134
光的反射　136
光的折射　137
折射公式　139
光是粒子？还是波？　140
二维干涉　141
光具有波的性质　145
用登山来理解相长公式　147
位置P1为何会相长？　148
位置P2为何会相长？　150
位置P3为何会相长？　151
登山路径与相长的条件式　152
相长条件与整数 m 的关系　154
用登山来理解相消公式　155
位置P1' 为何会相消？　156
位置P2' 为何会相消？　157
登山路径与相消的条件式　158
相消条件与整数 m 的关系　159
杨氏实验　160
杨氏实验与路径差　161
路径差的使用方法　164
五种路径差　167
光栅　168
光栅的路径差　168
薄膜干涉　170
薄膜的路径差　171
光路差　174
光的自由端反射与固定端反射　176
掌握自由与固定的印象　179
薄膜的干涉　180
写出薄膜干涉条件式　183
干涉条件式写法1．2．3　183
楔形干涉　184
牛顿环　188
应用  从下方观测牛顿环，条件会有何种变化　192
问题练习⑤ 光栅　194
解答．解说　194
问题练习⑥ 杨氏实验　196
解答．解说　198
问题练习⑦ 楔形干涉　200
解答．解说　201
第四堂课总结　206
从零开始 波函数写法　207
前言　208
正弦．余弦是什么？　208
正弦．余弦与波的关系　209
角度与弧度　213
波的四种型态　214
y-x 图与波数 k　214
y-x 图与角频率 　216
动态波函数的写法　218
波函数的意义　223
波函数1．2．3　224
波函数的变形　227
导出「2 波函数」　228
如何使用「2 波函数」　229
问题练习⑧ 波函数　230
解答．解说　230
补课总结　234

下课　235
作业．综合题．附录　237
作业．综合题　238
作业．解答篇　243
附录　全反射　252
附录　sin＝tan 之谜　253
附录　反射波的波函数　254
附录　波动领域的公式　260
附录　物理1．2．3　262
后记　266
鸣谢　266
作者小档案　267
索引　268
 

序

　　从「Physics」到「物理」！

　　现在正是重新面对物理的好时机。

　　有没有人到现在还觉得「物理好难」？

　　我目前在教导国高中女生物理。女生有个倾向，只要一听到物理就说「我应该不行吧」。但其实物理是非常「容易」、「单纯」、「亲切又有趣」的学问。只要老师的教学方式以及学生的学习态度能够有所改变，就能轻易拿到高分。我就有许多学生原本很怕物理，但如今，物理却全成了他们的拿手科目。

　　本书为了帮助「想改善对物理感到头痛的人」「讨厌物理的人」，而以波动做为主要内容。託各位读者的福，广受日本全国国高中生以及社会人士的好评。同时读者也反应，希望我能解说力学之外的部分，因此本书将会说明大考中心物理双巨头的另一巨头「波动」。

　　波动的困难之处，在于波会高低起伏，动来动去。而波动与力学的不同之处，在于更加重视心中想像动态的过程。

　　因此本书收录许多我实际上课时所使用的趣味插图，以帮助读者想像波动。

　　而且只要使用本书所介绍的祕密三步骤解题法，任何人都能轻松搞定大考中心的物理试题。

　　在此将本书献给随波逐流的学生，以及不敢下水的社会人士。

　　从「Physics」到「物理」…

　　如今，终于能够重新面对物理了。
 

波的性质 　折射
 
当波在前进途中，速度突然产生变化时，会发生什么事情呢？比方说愈接近岸边，水深愈浅的时候。波有一个性质，在水愈浅的地方速度愈慢，所以愈接近水岸，波的速度会愈慢。以下我们就来看看下图这种水深突然变浅的情况。
 
在水深改变的位置（称为界面）上，波的速度 v 会变慢。但频率 f 并不会改变。根据 v＝fλ 的公式，当 v 变小，波长λ就会缩短。
 
接着来探讨如右图所示，波斜向射入界面的情况。
 
当波从深处往浅处入射，波前会保持与行进方向垂直，但波速会变慢，因此先通过界面的波前会先降低速度。这时候波就会在界面产生弯曲。
 
请想像两个小孩抓着一根棒子的两端向前跑。一边的小孩如果突然放慢速度，另一边的小孩还保持相同的速度，棒子就会突然转向。波也会有相同的现象。这种波弯曲的现象就称为「波的折射」。若使用上一页的图来定义，则入射波行进方向与界面垂线所夹的角度称为入射角，弯折之后的角度就是折射角。
 
波的性质 　干涉
 
如果两颗大小相同的石头往空中一丢，相撞了，会发生什么事？两颗石头会「叩！」一声掉在地上。如果换成两道波相撞呢？让我们从两个方向同时制造一样高的「波峰」A，并试着将两者撞击看看。请看左图，两道互相接近的波在撞击的瞬间，高度突然提升为两倍。之后又若无其事地穿过对方，继续移动。这真是有趣呀。
 
接着请看右图。一边制造「波峰」，另一边制造相同高度（深度）的「波谷」，当两个波相撞的瞬间，竟然都消失了。
 
但就当我们以为波消失的时候，「波峰」又若无其事地往右去，「波谷」也平安地往左走。这种某个波影响另一个波的高度（振幅）的现象，就称为波的干涉。
 
为何会发生干涉现象？我们知道，产生波的介质只是单纯的上下振动。请看上面「峰与峰相撞的情况」的图。从左边来的波峰使介质往上振动，从右边来的波峰也是一样，当两个波峰相撞就会把介质推到两倍的高度（A＋A＝2A）。再看到下图，当「波峰」撞到「波谷」时，往上振动的介质被「波谷」往下拉扯，因此介质会回到原本的位置，看起来就像波消失了一样（A－A＝0）。

评分☆☆☆☆☆

我认为这本书最大的价值在于它提供了一种全新的视角来理解物理现象。作者没有将物理知识束之高阁，而是将其巧妙地融入到我们日常生活中。他用一种非常“人性化”的方式来讲解波动，仿佛是在和你分享一个关于宇宙奥秘的秘密。我特别喜欢他在讲述“共振”时，用到的“秋千摆动”的例子。他详细地描述了如何通过恰当的时机去推秋千，让秋千越荡越高，然后将这个现象与桥梁在特定频率下倒塌的悲剧性事件联系起来，深刻地揭示了共振的强大力量和潜在危险。这种结合了生活经验和科学原理的讲解方式，让我对物理产生了前所未有的亲近感。而且，作者在书中并没有回避一些相对复杂的数学概念，但他会以一种非常“友好”的方式来处理它们，比如他会解释某个公式是如何从物理意义上推导出来的，而不是简单地给出一个现成的公式让你去记忆。他还会时不时地穿插一些有趣的“冷知识”，比如关于声波在不同介质中传播速度的差异，或者不同颜色光波的频率范围，这些都让我在学习过程中充满了乐趣。读完这本书，我感觉自己不再惧怕物理，反而开始对它产生了浓厚的兴趣，甚至开始主动地去观察生活中的各种物理现象，并尝试用所学的知识去解释它们。这本书就像一把钥匙，为我打开了通往物理世界的大门。

评分☆☆☆☆☆

这本书的亮点在于其叙事策略的独特性。作者没有采用传统的“提出问题-分析问题-解决问题”的模式，而是更倾向于一种“情境导入-现象观察-原理揭示”的路径。他会先描绘一个生动的生活场景，比如海浪拍打沙滩，或者音乐会的现场，然后引导读者去思考这些现象背后的物理规律。这种方式极大地激发了我的好奇心，让我主动地去探究波动是如何运作的。在解释声波和光波时，他特别强调了它们作为“波”的共性，但又清晰地区分了它们各自的特点。例如，他会用“水波的起伏”来类比声波的压缩和稀疏，然后用“光线的直线传播”来对比它的不同。这种对比和类比，让我在理解过程中能够建立起更清晰的知识网络。书中对“相位”这个概念的解释尤其让我受益匪浅，之前我总是觉得这个词很抽象，但作者通过描述两个波动源的同步性，让我瞬间明白了它的含义。而且，作者还巧妙地将一些前沿的物理概念，比如“傅里叶变换”在信号分析中的应用，以一种非常浅显易懂的方式介绍给了读者，让我觉得自己不仅了解了基础的波动，还窥见了它在现代科技中的重要作用。这本书的阅读体验非常流畅，每当我以为自己要遇到难点的时候，作者总能及时地提供一个恰到好处的解释或者类比，让我能够继续轻松地前进。

评分☆☆☆☆☆

这本书简直是拯救了我这个物理小白！我一直对物理，尤其是波动这个概念，感到头疼欲裂。高中时候的物理课，老师讲到波动，我的脑子里就只剩下模糊的图形和记不住的公式。每次看到波浪图、声波、光波这些词，就感觉一阵眩晕。我尝试过各种教材，但都感觉太过于理论化，看得我云里雾里，完全抓不住重点。直到我偶然发现了这本书，我的物理世界突然就清晰了许多。作者的讲解方式真的非常独特，他没有上来就堆砌那些吓人的数学公式，而是从最直观、最贴近生活的现象入手，一点一点地揭示波动的本质。比如，他会用扔石头在水里产生的涟漪来解释波的传播，用乐器发出的声音来讲解声波的特性。这种“润物细无声”的教学方法，让我感觉自己不像是在学习枯燥的物理知识，更像是在探索一个有趣的世界。而且，作者在解释每一个概念时，都力求通俗易懂，还会穿插一些历史故事或者生活中的实际应用，让我觉得物理不再是遥不可及的科学，而是和我们息息相关的。尤其是书中关于“叠加原理”的讲解，之前我总是把它和化学上的“盖尔-萨克定律”搞混，看了这本书之后，才真正理解了它在光波干涉、声音混合等方面的作用。真的，如果你也曾经因为波动而感到恐惧，这本书绝对是你的救星。它没有要求你具备深厚的物理基础，只需要你拥有一颗好奇心，就能轻松愉快地走进波动的美妙世界。阅读的过程非常轻松，一点也不觉得枯燥，甚至还时不时会心一笑，觉得物理原来可以这么有意思。

评分☆☆☆☆☆

我必须说，这本书的叙述风格非常吸引人，完全不是那种冷冰冰的科普读物。作者的语言充满了热情和感染力，读起来就像是在听一位经验丰富的老师，循循善诱地为你讲解一个精彩的故事。他善于运用大量的比喻和类比，将抽象的概念变得具象化。例如，在解释波的能量传播时，他会用“推倒多米诺骨牌”来形象地说明能量是如何一步步传递的，而不是仅仅停留在能量守恒定律的字面解释上。我特别欣赏他处理复杂概念的方式，比如在讲解“干涉”和“衍射”时，他没有直接给出晦涩难懂的公式，而是先通过生动的图示和生动的生活场景，让你对这些现象产生直观的认识，然后再逐步引导你理解背后的原理。他还会时不时地抛出一些引人深思的问题，激发读者的思考，而不是简单地灌输知识。让我印象深刻的是，他在谈到“驻波”时，不仅仅解释了它是什么，还顺带提到了它在乐器发声原理中的重要性，甚至还“剧透”了一下未来可能的技术应用。这种深度和广度的结合，让我感觉收获良多，远不止于对波动本身的理解。这本书的结构也很巧妙，虽然主题是波动，但它巧妙地串联了声音、光、甚至一些机械波的特性，构建了一个相对完整的物理图景。而且，作者似乎对读者的困惑有着敏锐的洞察力，很多地方他会提前预设你可能会遇到的疑问，并提前给出解答，让阅读过程几乎毫无阻碍。

评分☆☆☆☆☆

说实话，我一开始对“3小时读通”这个标题是有些怀疑的。毕竟物理，尤其是波动这种概念，想要真正理解透彻，怎么可能只花这么短的时间？但这本书却给我带来了巨大的惊喜。它并没有因为篇幅的限制而牺牲内容的深度，反而以一种极其精炼和高效的方式，将波动最核心、最关键的知识点呈现出来。作者非常擅长抓住事物的本质，他不会在你身上浪费时间去讲那些过于偏门或者不重要的细节。相反，他会将所有精力都集中在那些最能帮助你建立起对波动正确认识的基石上。我最喜欢的一点是，他对于一些经典实验的解读，比如双缝干涉实验，他并没有仅仅是罗列实验步骤和结果，而是深入剖析了实验背后的物理意义，以及它如何颠覆了我们对世界的认知。读到这里，我才真正体会到，科学的魅力不仅仅在于发现了什么，更在于如何去思考和探索。这本书的语言风格非常直接，不拖泥带水，但又充满了智慧。你能在字里行间感受到作者对物理的热爱和对知识的敬畏。他会用一些非常简洁但精辟的语言，点出问题的关键。即使是对于一些稍显复杂的数学关系，他也会通过图示或者一些形象化的解释来辅助理解，让你能够快速抓住重点，而不是被公式本身所困扰。读完这本书，我感觉自己对波动的理解，比起之前看了好几本书都要扎实得多。