A-level 物理（高级物理）/什么是波？
在课程的这一阶段，很容易陷入围绕“波”的复杂理论和方程式中。然而，通过回到基础，并首先解释什么是波，可以更好地理解波。
一个波，在最基本的层面上，是一种重复的扰动，它向外传播并随着其向前移动而传递能量。水波纹、光和声音都是这样做的。
下图显示了一个波形。它在 x 轴上绘制了介质中的距离（例如，沿水面传播的距离），并在 y 轴上绘制了扰动的量（例如，水面相对于未受波纹扰动时的距离）。扰动的量被称为位移。波通常保持相同的最大位移。这被称为振幅。
沿着波传播方向，波中两个等效点之间的距离被称为波长。通常选择“峰值”或“谷值”（位移最大或最小的地方）作为测量波的最佳点。这是波重复自身所需的传播距离，或一次振荡的距离。
这就提出了一个问题：“扰动本身是如何移动的？”在某些情况下，这很容易回答。许多波通过物质传播，在这种情况下，是介质的物质被扰动。这种波被称为“机械波”，它们需要介质才能传播才能存在。最容易想到的例子是水波。一个区域向上移动，将下一个区域向上拉。该区域的水获得势能。最终，压力和重力将水拉回到下方，它们获得动能，动能又传递到下一个区域。这使得该过程能够重复、扩展并继续传递能量。
包括光在内的电磁波的本质要难得多。下面有一节讨论了这一点。
你应该记得在本课程或 GCSE 中早些时候提到的方程式 v = fλ。v 是波在介质中传播的速度，单位为 ms−1，f（或 nu、ν）是波的频率，单位为 Hz（每秒通过某一点的波的个数），λ 是波长，单位为 m。
这类似于步行。频率相当于每单位时间走的步数，相当于波每单位时间振荡的次数。波长相当于每一步的长度。由于大多数波具有固定速度（例如，光速或声速），因此随着波长的增加，频率会降低，反之亦然。它们成反比。步行时，如果你走得更频繁，为了保持相同的速度，每一步必须让你走的距离更短。
该方程式适用于电磁波，但你应该记住，电磁辐射存在不同的波长，并且可见光的不同颜色具有不同的波长。你还需要知道不同类型电磁辐射的波长。
直到相对较近，科学家才努力解释光是什么。过去，他们只能观察光的行为并做出有根据的猜测。从证据中发展出想法在科学中极其重要。使用想法并做出解释证据在科学中极其重要。模型是代表现实的想法。通常，模型是为解释现有证据而开发的。一个好的模型将预测未观察到的行为。
光可能是由粒子组成的吗？
一些科学家在历史上认为光是由粒子流组成的。这将消除对传播介质的需求。它将解释为什么光在密度更大的材料中传播速度更慢，不像声音。它还解释了为什么光可以直线传播，以及入射角等于反射角，当光从表面“反弹”时。然而，有一些行为是粒子模型无法很好地解释的。
光作为波？
观察到光具有一些波的性质，例如能够向外传播。这种行为似乎可以用波来最好地解释。因此，很多科学家在历史上喜欢将光视为波。然而，波被认为是扰动。波模型的支持者难以解释光如何在真空中传播。真空中没有物质可以扰动。声音根本无法通过真空传播，因为没有物质可以扰动并传递能量。光能够通过真空的事实对于使用波作为解释来说是一个非常大的问题。
为了解决这个问题，一些科学家提出了“以太”的概念。他们说，一定存在一种神秘且不可探测的物质，它存在于光可以扰动的任何地方，以便它能够移动。然而，以太理论存在问题，包括无法探测到任何以太。这不是现代物理学家所接受的理论。
证据
新的实验不断显示光具有越来越多属于波独有的行为。也许最重要的干涉。这使物理学家接受了它必须是波。尽管无法解释光是什么波，但接受这一点是解释其行为的唯一途径。
波可以根据扰动相对于波的传播方向的移动方式进行分类。导致扰动平行于其传播方向的波被称为纵波，而导致扰动垂直于其传播方向的波被称为横波。
| 纵波（例如，声音） | 横波（例如，光） |
|---|---|
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请注意，扰动通常被描述为位移，它是矢量量。在任何一点的矢量都简单地相加。
波的一个特点是它们会叠加。当它们在同一时间在介质中的同一位置传播时，它们都会独立影响介质。位移的矢量量简单地相加，材料就会被矢量和位移。如果两个波在相反的方向移动时这样做，那么在彼此通过之后，它们将继续不受影响。
这通常被称为“干涉”。一些物理学家不喜欢这个词，因为它暗示任何干涉的波都是不必要的，或者说是“噪声”。但是，这种效应非常有用，例如，在微波炉中加热食物时。
考虑两个相同的波形彼此叠加。结果波形将类似于另外两个波形，只是其在每个点的振幅将是两倍。这被称为相长干涉。或者，如果一个波形向前移动了半个波长，但另一个波形没有移动，那么结果波形将没有振幅，因为两个波形将相互抵消。这被称为相消干涉。下图显示了这两种效应。
这些效应发生是因为波前正在通过介质传播，但电磁辐射也表现出这种行为，即使它没有通过介质传播。
1. 什么是波？
2. 声波通过什么介质传播？
3. 光的哪些行为使其看起来像波？
4. 光的哪些行为使其看起来像粒子？
5. 考虑右边的图。白光被透明材料部分反射。然而，一些光被折射到透明材料中，并被不透明材料反射回来。结果是两个波在同一时间在同一位置以相同的偏振（光不是单束）传播。为什么，例如，红光消失了？（关于这个问题的变体在考官中很受欢迎。）
6. 绿光的波长是多少？
7. 人类能听到的最低频率的声波的频率约为 20 Hz。鉴于空气中的声速为 343ms−1，最低频率的人类可听声波的波长是多少？