A-level 物理（高階物理）/什麼是波？
在課程的這一階段，很容易陷入圍繞“波”的複雜理論和方程式中。然而，透過回到基礎，並首先解釋什麼是波，可以更好地理解波。
一個波，在最基本的層面上，是一種重複的擾動，它向外傳播並隨著其向前移動而傳遞能量。水波紋、光和聲音都是這樣做的。
下圖顯示了一個波形。它在 x 軸上繪製了介質中的距離（例如，沿水面傳播的距離），並在 y 軸上繪製了擾動的量（例如，水面相對於未受波紋擾動時的距離）。擾動的量被稱為位移。波通常保持相同的最大位移。這被稱為振幅。
沿著波傳播方向，波中兩個等效點之間的距離被稱為波長。通常選擇“峰值”或“谷值”（位移最大或最小的地方）作為測量波的最佳點。這是波重複自身所需的傳播距離，或一次振盪的距離。
這就提出了一個問題：“擾動本身是如何移動的？”在某些情況下，這很容易回答。許多波透過物質傳播，在這種情況下，是介質的物質被擾動。這種波被稱為“機械波”，它們需要介質才能傳播才能存在。最容易想到的例子是水波。一個區域向上移動，將下一個區域向上拉。該區域的水獲得勢能。最終，壓力和重力將水拉回到下方，它們獲得動能，動能又傳遞到下一個區域。這使得該過程能夠重複、擴充套件並繼續傳遞能量。
包括光在內的電磁波的本質要難得多。下面有一節討論了這一點。
你應該記得在本課程或 GCSE 中早些時候提到的方程式 v = fλ。v 是波在介質中傳播的速度，單位為 ms−1，f（或 nu、ν）是波的頻率，單位為 Hz（每秒透過某一點的波的個數），λ 是波長，單位為 m。
這類似於步行。頻率相當於每單位時間走的步數，相當於波每單位時間振盪的次數。波長相當於每一步的長度。由於大多數波具有固定速度（例如，光速或聲速），因此隨著波長的增加，頻率會降低，反之亦然。它們成反比。步行時，如果你走得更頻繁，為了保持相同的速度，每一步必須讓你走的距離更短。
該方程式適用於電磁波，但你應該記住，電磁輻射存在不同的波長，並且可見光的不同顏色具有不同的波長。你還需要知道不同型別電磁輻射的波長。
直到相對較近，科學家才努力解釋光是什麼。過去，他們只能觀察光的行為並做出有根據的猜測。從證據中發展出想法在科學中極其重要。使用想法並做出解釋證據在科學中極其重要。模型是代表現實的想法。通常，模型是為解釋現有證據而開發的。一個好的模型將預測未觀察到的行為。
光可能是由粒子組成的嗎？
一些科學家在歷史上認為光是由粒子流組成的。這將消除對傳播介質的需求。它將解釋為什麼光在密度更大的材料中傳播速度更慢，不像聲音。它還解釋了為什麼光可以直線傳播，以及入射角等於反射角，當光從表面“反彈”時。然而，有一些行為是粒子模型無法很好地解釋的。
光作為波？
觀察到光具有一些波的性質，例如能夠向外傳播。這種行為似乎可以用波來最好地解釋。因此，很多科學家在歷史上喜歡將光視為波。然而，波被認為是擾動。波模型的支持者難以解釋光如何在真空中傳播。真空中沒有物質可以擾動。聲音根本無法透過真空傳播，因為沒有物質可以擾動並傳遞能量。光能夠透過真空的事實對於使用波作為解釋來說是一個非常大的問題。
為了解決這個問題，一些科學家提出了“以太”的概念。他們說，一定存在一種神秘且不可探測的物質，它存在於光可以擾動的任何地方，以便它能夠移動。然而，以太理論存在問題，包括無法探測到任何以太。這不是現代物理學家所接受的理論。
證據
新的實驗不斷顯示光具有越來越多屬於波獨有的行為。也許最重要的干涉。這使物理學家接受了它必須是波。儘管無法解釋光是什麼波，但接受這一點是解釋其行為的唯一途徑。
波可以根據擾動相對於波的傳播方向的移動方式進行分類。導致擾動平行於其傳播方向的波被稱為縱波，而導致擾動垂直於其傳播方向的波被稱為橫波。
| 縱波（例如，聲音） | 橫波（例如，光） |
|---|---|
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請注意，擾動通常被描述為位移，它是向量量。在任何一點的向量都簡單地相加。
波的一個特點是它們會疊加。當它們在同一時間在介質中的同一位置傳播時，它們都會獨立影響介質。位移的向量量簡單地相加，材料就會被向量和位移。如果兩個波在相反的方向移動時這樣做，那麼在彼此透過之後，它們將繼續不受影響。
這通常被稱為“干涉”。一些物理學家不喜歡這個詞，因為它暗示任何干涉的波都是不必要的，或者說是“噪聲”。但是，這種效應非常有用，例如，在微波爐中加熱食物時。
考慮兩個相同的波形彼此疊加。結果波形將類似於另外兩個波形，只是其在每個點的振幅將是兩倍。這被稱為相長干涉。或者，如果一個波形向前移動了半個波長，但另一個波形沒有移動，那麼結果波形將沒有振幅，因為兩個波形將相互抵消。這被稱為相消干涉。下圖顯示了這兩種效應。
這些效應發生是因為波前正在透過介質傳播，但電磁輻射也表現出這種行為，即使它沒有透過介質傳播。
1. 什麼是波？
2. 聲波透過什麼介質傳播？
3. 光的哪些行為使其看起來像波？
4. 光的哪些行為使其看起來像粒子？
5. 考慮右邊的圖。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，並被不透明材料反射回來。結果是兩個波在同一時間在同一位置以相同的偏振（光不是單束）傳播。為什麼，例如，紅光消失了？（關於這個問題的變體在考官中很受歡迎。）
6. 綠光的波長是多少？
7. 人類能聽到的最低頻率的聲波的頻率約為 20 Hz。鑑於空氣中的聲速為 343ms−1，最低頻率的人類可聽聲波的波長是多少？