不少同學在溫習物理時,已經理解課本中的概念,卻在面對試題時遇到另一個難關:知道題目在考甚麼,卻不確定應該選用哪一條公式。即使試卷附有公式表,也未必能立即判斷哪些已知條件有用、公式是否適用,以及應如何把概念轉化為解題步驟。
不少同學已理解概念,卻不確定應試時該用哪條公式——即使有公式表,亦未必判斷到已知條件是否有用、公式是否適用。例如同屬運動題,有時提供時間,有時只有速度及位移,須因應條件選式,而非單靠背誦寫法。
本文為 DSE Physics Paper 1 公式系列文章之一,整理【波動 Wave Motion】常用公式,中英對照適用情境及常犯錯誤。系列其他篇章:力學、電和磁、熱和氣體、放射現象和核能。
如何閱讀:★ 表示公式表未直接列出、或需推導的常用關係;無星號者為官方已列出或僅代數改寫。星號不代表重要程度。
範圍與符號:本表涵蓋 Paper 1 常用關係,非完整清單。變數用斜體,單位/函數用正體;同一字母在不同課題可代表不同量,須按情境理解。
常犯錯誤的來源:標示 [R] 者按考生表現報告改寫;其餘為教學提醒,不代表考評局逐項評論。
波動 Wave Motion
先看清楚圖像的橫軸是時間還是距離,再分辨波的傳播、折射、成像與干涉。
公式 Formula | 適用情境 When to use | 常犯錯誤 Common mistakes |
波速、頻率與週期 ★ v = f λ ★ T = 1 / f | 連繫波速、頻率、波長及週期;跨越靜止介面時,頻率由波源決定。 Relate wave speed, frequency, wavelength and period. Frequency stays fixed by the source across a stationary boundary. | 折射時不要把頻率也改變;時間圖讀週期,距離圖讀波長。 Do not change frequency during refraction. Read period from a time graph and wavelength from a distance graph. |
折射定律 ★ n = sin i / sin r ★ n1 sin θ1 = n2 sin θ2 ★ n = c / v | 第一式用於由空氣(折射率近似 1)進入介質;一般兩介質用第二式。角度均由法線量起。 The first form is for light entering a medium from air with index approximately 1. Use the second form between general media; measure angles from the normal. | 不能從表面量角;一般情況下,sin θ₁ / sin θ₂ 是 n₂ / n₁。 Do not measure angles from the surface. In general, sin θ₁ / sin θ₂ equals n₂ / n₁. |
臨界角與全內反射 ★ sin C = 1 / n ★ sin C = n2 / n1 | 由較高折射率 n₁ 射向較低折射率 n₂;第一式的外界是空氣。入射角大於 C 才發生全內反射。 Light must travel from higher n₁ to lower n₂. The first form assumes air outside. Total internal reflection occurs for incidence greater than C. | 由低折射率射向高折射率不會全內反射;入射角等於臨界角時,折射角是 90°。 There is no total internal reflection from lower to higher index. At the critical angle, refraction is at 90°. |
薄透鏡 1 / u + 1 / v = 1 / f | 求單一薄透鏡的物距、像距及焦距;採用「實為正」慣例。 Relate object distance, image distance and focal length for a single thin lens, using the real-is-positive convention. | 虛像的像距為負;發散透鏡的焦距為負。此處 u、v 是距離,不是速度。 A virtual image has negative image distance; a diverging lens has negative focal length. Here u and v are distances, not velocities. |
透鏡放大率(大小) ★ M = |hi / ho| = |v / u| | 比較像與物的高度大小;這裏 M 定義為非負的放大率大小。 Compare image and object heights; M here is the non-negative magnitude of magnification. | M 大於 1 只表示放大,不能單憑大小判斷正立、倒立或虛實。 M greater than 1 means enlarged; magnitude alone does not determine orientation or whether the image is real. |
干涉:程差 ★ Δx = m λ ★ Δx = (m + ½) λ | 兩相干、同相波源:第一式為相長干涉,第二式為相消干涉;m = 0, 1, 2, …。 For coherent in-phase sources, the first condition gives constructive and the second destructive interference; m = 0, 1, 2, …. | 程差是兩條傳播路徑長度之差,不是波源間距;反相波源的條件須對調。 Path difference is the difference between travel distances, not source separation. The conditions swap for antiphase sources. |
駐波的長度關係 ★ 相鄰波節距離 = λ / 2 ★ 波節至相鄰波腹距離 = λ / 4 ★ L = n λ / 2 | 從駐波圖讀波長;第三式適用於兩端均為波節的弦,n 為波腹數(正整數)。 Read wavelength from a stationary-wave pattern. The third relation applies to a string with nodes at both ends; n counts antinodes. | 相鄰波節相距半個波長,不是一個波長;先確認兩端的邊界條件。 Adjacent nodes are half a wavelength apart, not one wavelength. Check the end conditions first. |
楊氏雙縫干涉 Δy = λ D / a | 雙縫間距 a、至屏距離 D;在遠屏及小角度近似下,求相鄰亮紋或暗紋的間距。 For a double slit of separation a and a distant screen at D, find adjacent bright- or dark-fringe spacing under the small-angle approximation. | 不要把雙縫公式直接套用於光柵;a 是雙縫間距,不是單縫寬度。 [R3] Do not apply the double-slit formula directly to a diffraction grating. Here a is slit separation, not slit width. |
衍射光柵 d sin θ = n λ ★ d = 1 / ℓ | 正入射光柵,求第 n 級主極大方向;ℓ 為每單位長度的刻線數,d 為相鄰刻線間距。 For normal incidence, find the nth principal maximum. ℓ is the number of lines per unit length and d the line spacing. | 刻線數若以每毫米表示,須先換成每米;最高級數必須是滿足 sin θ ≤ 1 的整數。 Convert lines per millimetre to lines per metre. The highest order must be an integer satisfying sin θ ≤ 1. |
回聲測距 ★ d = v t / 2 | 聲源與反射面位置不變,t 是聲波發出至回聲返回的總時間,d 是單程距離。 For a stationary source and reflector, t is the round-trip echo time and d the one-way distance. | 回聲來回走了兩程;忘記除以 2 會把距離加倍。 [R12] An echo travels out and back. Omitting the factor of 2 doubles the distance. |
做題前,先問自己三個問題
- 要求甚麼、已知甚麼?先列出物理量和單位,再選擇能連繫它們的公式。
- 適用條件成立嗎?例如加速度是否恆定、氣體量是否不變、機械能是否守恆。
- 答案合理嗎?檢查方向、單位及數量級,例如效率不應超過 100%,並聯總電阻應小於各支路電阻。
單位提醒:代入 SI 形式的公式前,先統一 m、kg、s、A 等單位;氣體方程的溫度用 K。溫差可以用 K 或 °C;半衰期題亦可用年或分鐘,但衰變常數必須採用相應時間單位。
把概念理解轉化為解題能力
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本文為重新整理的教學內容,並非考評局官方公式表。
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