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《世界第一簡單物理光、聲、波篇》



了解波動

讓你從高中到大學

輕鬆征服物理！

從波動的基本知識

到光波、音波，

進而了解何謂「都卜勒效應」！

從基礎到進階知識，

陪你從高中理組

一直到大學物理相關科系的最佳學習書！

萬物皆是波？！

而且光兼具波與粒子的性質？

還有什麼東西具有波粒二象性呢？

一起來探究有趣的物理學吧！

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國立台灣師範大學物理系 副教授

陸亭樺

審訂

• 
  
  

  作者介紹

  
  
  
  
  
  
  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系教授 理學博士
  
  主要著作：
  
  《物理與特殊函數-入門研究課程》（共立出版）
  
  《用Excel學電磁學》（合著?歐姆社）
  
  《用Excel學量子力學》（合著?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，丸善出版）
  
  





• 
  
  

  譯者介紹

  
  
  
  
  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）、《男人懂了這些更成功》（潮客風）、《世界第一簡單電力系統》（世茂）......等。
  
  審訂者
  
  陸亭樺
  
  現職：國立台灣師範大學物理系 副教授
  
  學歷：國立交通大學電子物理系學士、國立交通大學電子物理系博士
  
  經歷：國立交通大學博士後研究員、國立台灣師範大學物理系助理教授
  
  授課科目：光學、光電工程導論、光電技術
  
  研究方前置協商是什麼面：雷射物理
  
  
  
  

世界第一簡單物理光、聲、波篇－目錄導覽說明

• 
  
  封面、封底 1
  
  
  
  
  
  前言 1
  
  
  
  
  
  序曲 2
  
  
  
  
  
  第1章 光 7
  
  
  
  
  
  1. 光的直進與反射 7
  
  
  
  
  
  實驗室 如何用鏡子映照全身 11
  
  
  
  
  
  2. 光的折射 13
  
  
  
  
  
  3. 透鏡與像 21
  
  
  
  
  
  實驗室 凸透鏡的成像 26
  
  
  
  
  
  4. 光的散射與顏色 27
  
  
  
  
  
  補充 30
  
  
  
  
  
  光學史 30
  
  
  
  
  
  光散射的機制 31
  
  
  
  
  
  光的吸收與透明、不透明 32
  
  
  
  
  
  太陽光的溫暖 33
  
  
  
  
  
  反射定律 33
  
  
  
  
  
  外面的亮度與窗戶上的反射 34
  
  
  
  
  
  光的速度與折射率台新銀行信貸好過嗎 35
  
  
  
  
  
  折射定律 36
  
  
  
  
  
  薄透鏡的公式 37
  
  
  
  
  
  光的色散 39
  
  
  
  
  
  進階補充 40
  
  
  
  
  
  彩虹的形成機制 40
  
  
  
  
  
  第2章 波 41
  
  
  
  
  
  1. 波的基本 42
  
  
  
  
  
  2. 波的干涉 60
  
  
  
  
  
  補充 68
  
  
  
  
  
  「位置－位移」圖形和「時間－位移」圖形的關係 68
  
  
  
  
  
  波的反射 69
  
  
  
  
  
  進階補充 71
  
  
  
  
  
  運動方程式 71
  
  
  
  
  
  振動 72
  
  
  
  
  
  簡諧運動與sin函數 73
  
  
  
  
  
  正弦波的式子和圖形 74
  
  
  車貸查詢
  
  
  駐波富邦信貸增貸 76
  
  
  
  
  
  深入補充 77
  
  
  
  
  
  以微分表示運動方程式 77
  
  
  
  
  
  運動方程式與簡諧運動 77
  
  
  郵局預借現金
  
  
  波動方程式 78
  
  
  
  
  
  橫波的波動方程式 80
  
  
  
  
  
  縱波的速度與楊氏係數 81
  
  
  
  
  
  波動方程式的解 82
  
  
  
  
  
  重疊原理與波動方程式 83
  
  
  
  
  
  第3章 聲音 84
  
  
  
  
  
  1.音波的基本 85
  
  
  
  
  
  2.音波的傳遞方式 96
  
  
  
  
  
  實驗室 各種樂器的「時間－位移」圖形 104
  
  
  
  
  
  3．音波的駐波
  

前言

光、聲、波是我們身邊常見的現象。如同本書的說明，光和聲音都是波的一種，為了深入瞭解光和聲音，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。擴展到空間的波隨著時間怎麼變化？這並不是那麼容易描述的。相反地，若能正確地掌握波的運動的話，就能夠瞭解波的性質。

這邊就是漫畫表現的地方了。如同在《世界第一簡單 物理「力學篇」》前言提到的，漫畫能夠生動地表現隨時間變化的運動，是非常獨特的表現手法。即便是像波這樣複雜的運動，漫畫能比教科書、教學影片來得更容易理解。

本書是由漫畫和文章解說構成，但僅閱讀漫畫的部分，你就能確實掌握高中物理程度的波知識，重要的部分本書會反覆提及，加強讀者理解內容。在你完全理解之前，讀者可以反覆閱讀漫畫的部分。內容出現許多數學式，對不善於物理的人而言，或許會覺得有些困難，但你可以瀏覽略過這些部分也沒關係。總之，希望你能反覆閱讀。每重讀一次，你不瞭解的地方便會漸漸明朗才對。

文章解說的部分，是給行有餘力的讀者、看完漫畫後想要更深入瞭解的人閱讀的。「補充」是高中物理基礎程度的解說；「進階補充」、「深入補充」主要是針對理組高中生、大學生程度的解說。特別是「深入補充」使用到微積分，解說變得較為複雜。為了深入瞭解波動，從運動方程式推導出波動方程式、波的速率，數學上的理解是必要的。對這樣過程感興趣的人，請一定要閱讀「深入補充」。

最後，用漫畫表現光、聲、波是件非常困難的工作，以精湛的繪畫能力實現的深森小姐，以及負責本書製作編輯的TREND-PRO和歐姆社的同仁，在此至上最深的謝意。

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，古希臘哲學家認為，是因為人的眼睛射出光線照到物體，我們才得以看見物體（現在人們已經瞭解，眼睛接收來自物體的光，經由大腦處理，我們才得以看見物體。但是，大腦影像處理的具體機制，目前還在研究中）。



一開始，光學先從幾何學的角度探討光線的特性。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。後來科學家發現了光的干涉，這是光波才有辦法解釋的現象，所以最後是由波動說贏得勝利。而且科學家證明了光是電磁波，帶有電力和磁力。這會在第5 章進行說明，第1 章是利用光線來說明光的特性。



光散射的機制



請想像什麼都沒有的真空狀態。光可以在真空中行進，因此，太陽系外面的遙遠星星所發出的光，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，光是直線前進的（嚴格來講，受到星星等重力源影響，空間會發生扭曲，而光是沿著空間的扭曲前進的，並非筆直地前進。但是，除非是黑洞等超強的重力源，否則光的扭曲很微小，星光幾乎可以說是直線前進的）。



那麼，光什麼時候會轉變方向呢？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。另一方面，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，產生振動*1。接著，根據「振動的電荷會放射電磁波」的電磁學定律，電子又會產生電磁波，往原子的四周放射出去（圖1）。由這一連串的現象可知，當電磁波射入原子，原子會向四周放射電磁波。這就是電磁波與光散射的基本機制。



如同前文的說明，光照到物體會產生反射、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）所產生的散射。



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、光照到物體表面的角度（入射角）而異。