世界第一簡單物理光、聲、波篇 pdf epub mobi txt 电子书 下载 2025

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圖書標籤:

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　　從波動的基本知識，
　　到光波、音波，
　　進而瞭解何謂「都蔔勒效應」！

　　萬物皆是波？
　　而且光兼具波與粒子的性質？
　　縱波與橫波如何用圖形錶示？
　　波的圖形與函數有何關係？
　　從振動、介質、摺射、鏡像……到微分，
　　一起來探究有趣的物理學吧！

　　包括基礎與進階知識，
　　陪你從高中理組，
　　一直到大學物理相關科係的最佳學習書！

　　國立颱灣師範大學物理係副教授 陸亭樺 審訂

作者簡介

新田英雄

　　1987年 早稻田大學研究所理工學研究科博士課程修畢
　　專攻 理論物理學、物理教育
　　現今 東京學藝大學教育學係教授 理學博士

　　主要日文著作：
　　《物理與特殊函數—入門研究課程》（共立齣版）
　　《用Excel學電磁學》（閤著・歐姆社）
　　《用Excel學量子力學》（閤著・歐姆社）
　　《世界第一簡單物理「力學篇」》（歐姆社）

　　譯作：
　　《相對論》（Stannard著，新田 英雄譯，丸善齣版）

審訂者簡介

陸亭樺

　　現職：國立颱灣師範大學物理係 副教授
　　學曆：國立交通大學電子物理係學士、國立交通大學電子物理係博士
　　經曆：國立交通大學博士後研究員、國立颱灣師範大學物理係助理教授
　　授課科目：光學、光電工程導論、光電技術
　　研究方麵：雷射物理

譯者簡介

衛宮紘

　　清華大學原子科學院學士班。自由譯者，譯作有《上司完全使用手冊》（東販）、《超慢跑入門》（商周）、《男人懂瞭這些更成功》（潮客風）、《世界第一簡單電力係統》（世茂）……等。

前言
序麯1

第1章光9
1. 光的直進與反射10
如何用鏡子映照全身15
2. 光的摺射16
3. 透鏡與像22
凸透鏡的成像28
4. 光的色散29
補充
光學史32
光散射的機製32
光的吸收與透明、不透明34
太陽光的溫暖35
反射定律35
外麵的亮度與窗戶上的反射36
光的速度與摺射率37
摺射定律38
薄透鏡公式39
光的色散41
進階補充
彩虹的形成42

第2章波45
1. 波的基礎知識47
2. 波的乾涉67
補充
「位置－位移」圖形和「時間－位移」圖形的關係76
波的反射77
進階補充
運動方程式79
簡諧運動與sin函數81
正弦波的數學式和圖形83
駐波85
深入補充
以微分錶示運動方程式87
運動方程式與簡諧運動87
波動方程式88
橫波的波動方程式91
縱波的速度與楊氏係數92
波動方程式的解93
重疊原理與波動方程式94
延伸問題95

第3章聲97
1. 聲波的基本99
2. 聲波的傳遞方式108
各種樂器的「時間－位移」圖形115
3. 聲波的駐波119
拍音130
補充
氣柱的空氣振動134
聲音的速度（聲速） 137
弦的橫波速度137
音階137
進階補充
聲速的公式140
音色與聲波的重疊141
開口端的修正143
深入補充
聲波的波動方程式143
聲速公式的推導146
氣體的位移和密度變化的關係147

第4章都蔔勒效應149
1. 聲源移動時聽到的聲音151
聲源移動的都蔔勒效應公式156
2. 觀測者移動所聽到的聲音159
觀測者移動的都蔔勒效應公式163
補充
聲源和觀測者一起移動的都蔔勒效應169
進階補充
斜嚮的都蔔勒效應174
光的都蔔勒效應176
震波176

第5章光波179
1. 波的乾涉和繞射181
波相互增強與弱化的數學式187
2. 粒子與波191
繞射光柵所産生的乾涉201
3. 萬物皆是波205
補充
波的能量與強度211
電磁波的傳遞媒介是什麼？ 211
進階補充
球麵波212
球麵波的乾涉213
粒子性與波動性214
深入補充
波能量的公式215
正弦波的能量216
附錄A 單位
基本單位與導齣單位217
倍數的錶示記號與名稱218
分貝219
附錄B 數學的補遺
泰勒展開220
延伸問題（p.95）的解答222
索引227

前言

　　光、聲、波是我們身邊常見的自然現象。光和聲音都是波的一種，為瞭深入瞭解光和聲音，我們必須先理解波的基本性質。但是，波的概念不容易理解，波的運動不容易想像。在空間中擴展的波，會隨著時間怎麼變化？這並不是那麼容易描述。相反地，若能正確地掌握波的運動，即可瞭解波的性質。

　　因此本書利用漫畫圖解來說明。漫畫能夠生動地錶現隨時間變化的運動，是非常獨特的錶現手法。即便是波這麼復雜的運動，漫畫亦能說明得比教科書、教學影片清楚。

　　本書由漫畫和文章解說構成，僅閱讀漫畫的部分，你就能確實掌握高中物理程度的知識。重要的部分本書會反覆提及，加強讀者的印象。在完全理解之前，你可以反覆閱讀漫畫。本書列瞭許多數學式，對不擅長物理的人而言，或許會有點睏難，但你可以大緻瀏覽這些數學式就好。總之，希望你能反覆閱讀，多讀幾次，你不懂的地方便會漸漸豁然開朗。

　　文章解說的部分是給行有餘力的讀者、看完漫畫還想深入瞭解的人閱讀的。「補充」是高中物理的基礎解說；「進階補充」、「深入補充」主要是針對理組高中生、大學生。尤其是「深入補充」運用到微積分，所以較復雜。為瞭深入瞭解波，由運動方程式推導波動方程式、波的速率……這些數學上的理解是必要的。對這過程感興趣的人，請一定要閱讀「深入補充」。

　　最後，用漫畫錶現光、聲、波是非常睏難的。因此我要對以精湛的繪畫實力達到這個目標的深森小姐、負責製作編輯本書的TREND-PRO，以及歐姆社的同仁，緻上最深的謝意。

光學史
 
對我們來說，光非常重要。光是什麼呢？光的特性是什麼？為什麼我們可以看到東西？諸如此類的疑問，從很久以前就是人類探究的議題。舉例來說，古希臘哲學傢認為，是因為人的眼睛射齣光綫照到物體，我們纔得以看見物體（現在人們已經瞭解，眼睛接收來自物體的光，經由大腦處理，我們纔得以看見物體。但是，大腦影像處理的具體機製，目前還在研究中）。
 
一開始，光學先從幾何學的角度探討光綫的特性。然後，隨著人們對光的瞭解越來越深入，「光是粒子」的學說（光的粒子說）與「光是波」的學說（光的波動說）長年爭論不休。後來科學傢發現瞭光的乾涉，這是光波纔有辦法解釋的現象，所以最後是由波動說贏得勝利。而且科學傢證明瞭光是電磁波，帶有電力和磁力。這會在第5 章進行說明，第1 章是利用光綫來說明光的特性。
 
光散射的機製
 
請想像什麼都沒有的真空狀態。光可以在真空中行進，因此，太陽係外麵的遙遠星星所發齣的光，可以抵達地球，讓我們看見。在沒有任何物質的真空中行進時，光是直綫前進的（嚴格來講，受到星星等重力源影響，空間會發生扭麯，而光是沿著空間的扭麯前進的，並非筆直地前進。但是，除非是黑洞等超強的重力源，否則光的扭麯很微小，星光幾乎可以說是直綫前進的）。
 
那麼，光什麼時候會轉變方嚮呢？答案是碰到物體的時候。物質是由原子構成，而原子則是由帶正電的原子核，以及帶負電的電子所組成。另一方麵，光是一種電磁波。電磁波具備電力和磁力。由於電力的性質，電磁波碰撞到原子時，原子的電子會得到電磁波的能量，産生振動*1。接著，根據「振動的電荷會放射電磁波」的電磁學定律，電子又會産生電磁波，往原子的四周放射齣去（圖1）。由這一連串的現象可知，當電磁波射入原子，原子會嚮四周放射電磁波。這就是電磁波與光散射的基本機製。
 
如同前文的說明，光照到物體會産生反射、散射，以微觀的角度來看，原子內的電子是光散射的原因。另外，金屬會散發金屬光澤，就是因為金屬內自由移動的電子（自由電子）所産生的散射。
 
光的吸收與透明、不透明
 
照到物體的光，一部分會反射，剩下的則進入物體內部。反射光與被吸收的光，這兩者的比例會因物質的種類、光照到物體錶麵的角度（入射角）而異。

评分☆☆☆☆☆

波的分類和特性，在這本書裏被解釋得淋灕盡緻。作者沒有一開始就給我一堆名詞，而是通過類比和生活化的場景，一點點引導我理解。我之前對“波長”和“頻率”這兩個詞總是傻傻分不清，但這本書裏，作者用“人行橫道上排隊的人”來比喻波長，用“單位時間內通過的人數”來比喻頻率，簡直是 genius！ 而且，他還用“水波的浪高”來比喻振幅，讓我一下子就明白瞭不同波的能量差異。他甚至還提到瞭駐波的概念，並且用簡單的例子來解釋，我感覺自己好像在“玩”物理，而不是在“學”物理。這本書的魅力就在於，它讓你在輕鬆愉快的閱讀過程中，不知不覺地掌握瞭最核心的物理原理。

评分☆☆☆☆☆

這本《世界第一簡單物理光、聲、波篇》真的是我近期讀過最讓我驚喜的一本書瞭！我一直覺得自己是個物理“小白”，高中時的物理課簡直是我的噩夢，那些復雜的公式和抽象的概念，總讓我頭昏腦漲。本以為這輩子跟物理就無緣瞭，沒想到偶然間翻到瞭這本書，簡直是打開瞭新世界的大門。作者用一種極其通俗易懂、甚至可以說是“接地氣”的方式，把光、聲、波這些看似遙不可及的物理現象，講得像講故事一樣生動有趣。我最開始是抱著試試看的心態，但讀著讀著就完全被吸引住瞭，完全不像是在“學習”，更像是在享受一場知識的盛宴。 比如說，關於光的摺射，我以前隻知道光會彎麯，但具體怎麼彎，為什麼彎，完全沒概念。這本書裏，作者竟然用瞭一個泡在水裏的筷子會“摺斷”的例子來解釋，一下子就讓我明白瞭。原來光在不同介質中傳播速度不同，所以纔會發生偏摺。他還舉瞭很多生活中的例子，比如彩虹的形成，海市蜃樓的原理，甚至是我們為什麼能看到物體，這些日常現象背後的物理原理，被他講得清清楚楚，明明白白。我之前覺得那些物理學傢們研究的東西太高深瞭，現在纔知道，原來它們離我們這麼近，並且如此的奇妙。

评分☆☆☆☆☆

最後，我想說的是，這本書讓我對“世界第一簡單”這幾個字有瞭切身的體會。我之前一直以為物理是很難的學科，需要深厚的數學功底和復雜的推理。但這本書徹底顛覆瞭我的想法。作者用最通俗易懂的語言，最生動的比喻，最貼切的生活化例子，將光、聲、波這些復雜的物理概念，變得簡單易懂，甚至充滿瞭趣味性。 我感覺自己就像是在一個充滿魔力的課堂裏，老師用輕鬆愉快的方式，一點點打開瞭我的智慧之門。這本書不僅僅是傳授知識，更是激發瞭我對物理學的興趣，讓我開始願意主動去觀察周圍的世界，去思考那些看似平凡的現象背後的物理原理。我真的非常推薦這本書給任何對物理感到畏懼或者好奇的朋友，相信你們也會像我一樣，被這本書深深地吸引。

评分☆☆☆☆☆

對於聲音，我一直以來隻是模糊地知道它是一種振動，但這本書給瞭我更深刻的理解。作者並沒有直接拋齣“聲波”這個概念，而是先從我們熟悉的“聲音”本身入手，比如音樂的産生，我們說話的原理。他用非常形象的比喻，比如把空氣比作一個巨大的彈簧，聲音就像在這個彈簧上傳播的“波浪”。他解釋瞭音高、音量、音色這些概念，並且用瞭非常生動的語言來描述，我甚至能“聽”到書中文字傳達齣來的聲音。 尤其讓我印象深刻的是，他對“迴聲”的解釋。我以前隻知道對著山榖喊，聲音會傳迴來，但不知道為什麼。這本書裏，他詳細講解瞭聲波遇到障礙物會反射，就像小石子扔到牆上會彈迴來一樣。他還舉瞭一個很有意思的例子，說蝙蝠是通過發齣超聲波然後聽迴聲來“看”東西的，這讓我驚嘆於大自然的神奇，也更加理解瞭聲波的反射原理。讀這本書，感覺自己不再是被動地接受知識，而是主動地去探索和理解，那種感覺非常棒。

评分☆☆☆☆☆

聲波的頻率和我們的聽覺，在這本書裏得到瞭非常生動的解讀。我之前隻知道高頻的聲音刺耳，低頻的聲音沉悶，但這本書讓我明白瞭其中的物理原理。作者用“聲帶的抖動速度”來比喻聲帶的振動頻率，然後解釋瞭高頻的聲音為什麼會讓我們覺得刺耳，低頻的聲音為什麼會讓我們覺得沉悶。 而且，他還提到瞭“次聲波”和“超聲波”，並且舉瞭很多有趣的例子，比如大象如何利用次聲波交流，蝙蝠如何利用超聲波探路。這讓我感覺，原來我們人類的聽覺範圍隻是冰山一角，大自然中還有那麼多我們聽不到但卻真實存在的“聲音”。這本書拓展瞭我的聽覺世界，也讓我對聲音有瞭更全麵的認識。

评分☆☆☆☆☆

書中對於“波”的闡述，簡直是顛覆瞭我以往的認知。我之前對波的概念非常模糊，總覺得它是一個很抽象的東西，隻存在於課本的圖示裏。但這本書，通過大量的日常現象和生動的比喻，讓我徹底理解瞭波的本質。作者並沒有一開始就講復雜的數學公式，而是從水波開始，比如石頭扔進水裏産生的漣漪，這實在是太形象瞭！我們都能看到水波的傳播，而且能感受到它的能量。 他進而引申到其他種類的波，比如聲波、光波，甚至是電磁波。他解釋瞭波的特性，比如波長、頻率、振幅，並且用非常生活化的例子來解釋這些概念。比如，他用沙灘上排隊的人來比喻波的傳播，讓人一下子就明白瞭波的“前進一步”是什麼意思。他還提到瞭海浪，說海浪就是一種波，能把海灘上的沙子推來推去，這錶明波可以傳遞能量。這本書讓我覺得，物理學其實一點都不難，隻要找到正確的方法，每個人都可以輕鬆掌握。

评分☆☆☆☆☆

關於聲音的傳播，這本書也給瞭我全新的認識。我之前以為聲音就是“說齣來就聽得到”，但這本書讓我明白，聲音的傳播其實是一個充滿細節和奧秘的過程。作者用“空氣的震動”這個核心概念，循序漸進地解釋瞭聲音是如何從聲源傳遞到我們耳朵裏的。 他舉瞭一個非常有趣的例子，說如果你在一艘船上，船上的人說話，雖然你聽不到，但如果你伸齣手，你會感覺到船體在震動。這就說明聲音的傳播不僅僅是通過空氣，也可以通過固體。他還解釋瞭為什麼在真空裏聽不到聲音，因為沒有介質來傳遞聲波。這讓我對“真空”這個概念有瞭更具象的理解。讀完這部分，我感覺自己好像能“看到”聲波在空氣中傳播的軌跡，並且能感受到它的能量。

评分☆☆☆☆☆

光綫的傳播，在這本書裏不再是冰冷的幾何綫條，而是充滿瞭生命力的。作者用“光的粒子說”和“光的波動說”這兩個概念，生動地描繪瞭光的雙重性格，讓我大開眼界。我之前一直以為光就是直綫傳播，但這本書告訴我，光也有“繞過去”的能力，也就是衍射。 他舉瞭一個非常貼切的例子，說把一個很小的物體放在光綫前麵，雖然物體擋住瞭大部分光，但在物體後麵竟然還能看到光斑，這就是光的衍射。而且，他還用“不同顔色的光有不同的波長”來解釋彩虹的形成，讓我對彩虹這個美麗的自然現象有瞭更深刻的理解。這本書讓我覺得，原來物理學是可以如此浪漫和富有詩意的。

评分☆☆☆☆☆

這本書最讓我贊嘆的地方在於，它能夠把極其復雜的光學原理，用最簡單、最直觀的方式呈現齣來。我之前對光的很多概念，比如光的乾涉、衍射，一直停留在“聽過但不知道是什麼”的層麵。但這本書裏，作者巧妙地運用瞭生活中的例子，讓我一下子就豁然開朗。 比如，他講到肥皂泡為什麼會五顔六色，我以前隻覺得是顔料，但讀瞭這本書纔知道，原來是光的乾涉現象在作祟。不同厚度的肥皂泡膜，會反射齣不同顔色的光，就像不同頻率的音樂會産生不同的音調一樣。他還用絲綢的微觀結構來解釋為什麼有些絲綢看起來有光澤，這讓我第一次理解瞭衍射的原理。這種將抽象物理概念與日常生活緊密聯係起來的做法，真是太聰明瞭！我感覺我不僅學會瞭物理知識，還學會瞭一種觀察世界、理解世界的新視角。

评分☆☆☆☆☆

波的疊加和乾涉，在這本書裏被解釋得如同講故事一般。作者沒有直接拋齣抽象的公式，而是用“兩波相遇”這個簡單的場景，讓我理解瞭波的疊加原理。他舉例說，如果兩列水波相遇，有時會互相增強，有時候會互相抵消，就像兩群人手拉手，有時候會形成一股更強大的力量，有時候會分散開來。 而且，他還用“肥皂泡”的例子來解釋光的乾涉，讓我明白瞭為什麼肥皂泡會呈現齣美麗的色彩。這種將抽象的物理現象與我們生活中的具體事物聯係起來的解釋方式，是我之前從未體驗過的。這本書讓我覺得，物理學真的不是高高在上的理論，而是無處不在的現象。