想知道蚊子為什麼會發出惱人的嗡嗡聲？為什麼能用超聲波看媽媽肚子裡的小baby？太陽眼鏡為什麼能抵擋強光？浪花為什麼是白色的？北極熊為什麼不怕極地的嚴寒氣候？夜空裡的星星為什麼會一閃一閃？我們的四周充滿了波與振動，我們所聽見的聲音以及所看見的光線，都是波動的一種，就連五彩繽紛的顏色，也與光的反射、折射等現象息息相關。

想想看，要是沒有聲波與光波，要是光速在所有介質裡傳播得都一樣快，我們的世界就不是這麼多彩絢爛，我們就看不到彩虹，甚至看不到藍藍的天、白白的雲；要是一直沒有人了解這些波動的性質，研究聲與光的種種現象，我們今天就不會有望遠鏡、顯微鏡、雷射、光纖、超音速飛機、廣播通訊、CD唱盤等有用的東西了。

《觀念物理Ⅳ》邀請你帶著輕鬆的心情，拋開公式，親身體會妙用無窮的波動原理！

休伊特/著

高中時夢想當個拳擊手，畢業後開始學漫畫，後來從事畫戶外廣告招牌的工作。27歲才決定回到學校，在麻州羅爾技術學院就讀物理系，是班上年紀最大的學生。1964年，取得猶他州立大學科學教育與物理雙主修的碩士學位，便到舊金山城市學院開始教學生涯，直到1999年退休。1982年，休伊特獲得美國物理教師學會頒發的密立根講座獎。獲獎原因是由於他在物理教學專業上的投入，發展出許多有趣而令人激賞的教學示範，以及闡釋觀念的方式，讓很多原本不可能喜愛物理的學生，對物理產生興趣。 休伊特認為：教學不僅僅是工作，也不僅僅是專業，而是一種對待生命與生活的態度；因此對於當老師的人來說，盡力把教學工作做好，是非常重要的一件事。因為，不論學生有多大的熱情，老師都有能力把它澆熄；但老師也同樣也有能力去激發學生，讓他們發揮出最大的潛能。休伊特相信：學物理應該是很有趣的，雖然也許要相當用功，但一定是有趣的事。《觀念物理》這套書正是他這個信仰底下的產物之一。

陳可崗/譯

生於廣州，成長於台灣最艱困時期，曾就讀海軍官校，台大物理系畢業，美國普度大學物理博士，主修實驗固態物理。曾任教於清華大學，後移居美國，任職電子工程師。 工餘及退休後，輒常撰寫科學新知投刊於海外華文報紙，有〈量子電腦的發展〉、〈火星上生物之謎〉、〈大陸生態環境破壞的事實〉。 譯作有《十月的天空》、《觀念物理IV：聲學．光學》、《觀念物理V：電磁學．核物理》、《牛頓（上）－最後的巫師》、《牛頓（下）－科學第一人》、《數學妖法》、《阿基米德幹了什麼好事！》、《質數魔力（上）－橫跨兩世紀的狂熱》、《質數魔力（下）－百萬美元大挑戰》、《居禮們：一個傳奇的家族》、《時光旅人》（皆為天下文化出版）。

目錄

第四部　聲與光

第25章　波與振動
25.1 單擺的振動
25.2 波是什麼？
25.3 波動
25.4 波速
25.5 橫波
25.6 縱波
25.7 干涉
25.8 駐波
25.9 都卜勒效應
25.10 船頭波2
5.11 衝擊波

第26章　聲音
26.1 聲音的起源
26.2 空氣中的聲波
26.3 傳播聲音的介質
26.4 聲速
26.5 響度
26.6 強迫振動
26.7 固有頻率
26.8 共振
26.9 聲波的干涉
26.10 拍

第27章　光
27.1 早期對於光的觀念
27.2 光速
27.3 電磁波
27.4 光與透明物質
27.5 不透明物質
27.6 陰影
27.7 偏振
27.8 偏振光及3D視覺

第28章　顏色
28.1 可見光譜
28.2 顏色與反射
28.3 顏色與透射
28.4 陽光
28.5 有色光的混色
28.6 互補色
28.7 顏料的混色
28.8 天空為何是藍色？
28.9 夕陽為何是紅色？
28.10 水為何是青色？
28.11 原子的顏色規則──原子光譜

第29章　反射與折射
29.1 反射
29.2 反射定律
29.3 平面鏡
29.4 漫射
29.5 聲音的反射
29.6 折射
29.7 聲音的折射
29.8 光的折射
29.9 大氣的折射
29.10 稜鏡中的色散
29.11 彩虹
29.12 全反射

第30章　透鏡
30.1 會聚透鏡與發散透鏡
30.2 透鏡成像
30.3 用作圖法定像
30.4 關於成像的總結
30.5 常用的光學儀器
30.6 眼睛
30.7 幾種視力缺陷
30.8 透鏡的缺陷──像差

第31章　繞射與干涉
31.1 惠更斯原理
31.2 繞射
31.3 干涉
31.4 楊氏干涉實驗
31.5 薄膜的單色干涉
31.6 薄膜所生成的虹彩
31.7 雷射光
31.8 全像

附錄E　光的向量性質

書摘

都卜勒效應設想在一泓靜水的中央，有一隻小蟲不停地划水，如圖25.14所示。如果小蟲只是在固定位置上踏水，絲毫沒有移動身體，那麼牠所產生的波紋，由於向四周傳播的波速相同，故成為一圈圈的同心圓。又如果小蟲子踏水的頻率不變，一圈圈波紋間的距離（即波長）也就不變。圖中A點與B點受到波的擾動的頻率一樣，換言之，小蟲周圍的水面上任何一點，都如A點及B點一樣，有相同的波動頻率，而這也就是蟲子划水的頻率。

再來，假設小蟲划動前進，而且前進的速率比牠產生的波速要慢。結果我們會看到小蟲子追逐牠前面的波紋前進，波紋的圖形不再是同心圓了（如圖25.15所示）：最外圈的波紋是最先在那圓圈中心時產生的波，其內較小的一圈，則是小蟲前進到該圓圈中心時划出來的波，依此類推。各圈波紋的中心會沿著小蟲的前進方向移動，雖然牠划水的頻率一直不變，但在B點的觀測者，會覺得波峰傳來得更頻繁，也就是B點接受到的波有比較高的頻率；其中的原因在於，抵達B點的波，相鄰兩波峰間的距離愈來愈短，所以波動到達B點的頻率，比小蟲子停在原處、而非游向B點時要高。

相反的，在A點觀測時，因為前後波峰抵達該點的時間間隔增加，接受到波的頻率就降低了。由於小蟲子離觀測點愈來愈遠，每個波峰都要比前一個波峰多走些距離才能抵達該點，因此在A點接受波峰的次數也就不那麼密集。這種因為波源（或接受器）的運動導致頻率改變的現象，叫做都卜勒效應；該效應的命名是為了紀念奧地利科學家都卜勒。波源的速率愈快，都卜勒效應就愈大。

水波只能在二維的平面擴張，聲波及光波則在三維空間擴張，像氣球般向四面八方膨脹。正如前面的例子，在水面上划行的小蟲子使前方圓形波的波峰變得更密，聲波及光波也一樣，運動中的波源也會讓前方的波峰比較密集，使得波源前方的接受器收到的頻率比波源後面收到的要高。

如果有輛汽車按著喇叭從你身旁經過，你會聽到喇叭的音調明顯發生變化，這就是都卜勒效應。汽車向你接近時，喇叭的音調比正常的高，因為你接受到較高頻率的喇叭聲；汽車掠過身旁離你而去的時候，喇叭聲波到達你耳朵的次數比較稀疏，頻率減小，所以音調變低。

高速公路上的警察就是利用雷達波的都卜勒效應，來測車速。雷達波是一種電磁波，頻率比光波的頻率低，但比無線電波高。警察將雷達波射向快速移動的車輛，再把反射波接收回來，由雷達儀器中的電腦將射出的雷達波與反射波之間的頻率加以比較，就可算出雷達系統與目標車之間的相對速率，即能決定目標車的速率（圖25.17）。

光波也會發生都卜勒效應。光源向接受器前進時，測到的光波有較高的頻率，而當光源離開時，測到的頻率會變低。頻率增加叫做藍向移位（簡稱藍移），因為光譜中藍光的頻率較高，反之，頻率減少的現象叫做紅向移位（簡稱紅移），因為紅光的頻率較低。

舉例來說，遙遠星系射到地球來的光呈現紅移現象，天文學家可測定移位的大小，藉此計算出這些星系遠離地球的速率；此外，一顆疾速自轉的恆星在轉離地球一面時是呈現紅移現象，而在轉向地球一面時呈現藍移，我們也可以用觀測到的數值，計算該恆星的自轉速率。

● Question　　
當波源衝向你的時候，你所測出來的波速會比固定波源的波速變大呢？還是變小呢？

● Answer　　
不變大也不變小！波源運動時，發生變化的是頻率，不是波速。我們必須將頻率跟波速分清楚：波的振動快慢，與波在兩點間傳播的快慢，是全然不同的兩件事。