IGCSE Physics Review: Waves & Electromagnetism

第一部分：波的特性 (General Properties of Waves)

1. 波的本质

波是能量传播的一种方式，不涉及物质本身的迁移。

• Mechanical Waves (机械波): 需要介质（Medium）才能传播，如声波、水波。
• Electromagnetic Waves (电磁波): 不需要介质，可以在真空中传播，如光波、无线电波。

2. 两类主要的波

• Transverse Waves (横波):

  • 振动方向与波的传播方向垂直 (Perpendicular) 。
  • 例：光波、水波、绳波。
  • 结构包含：Crest (波峰) 和 Trough (波谷) 。

• Longitudinal Waves (纵波):

  • 振动方向与波的传播方向平行 (Parallel) 。
  • 例：声波。
  • 结构包含：Compression (压缩/密部) 和 Rarefaction (稀疏/疏部) 。

3. 核心物理量与公式

• Amplitude (振幅): 从平衡位置（Rest position）到波峰的最大位移。代表波的能量（声音体现为响度）。
• Wavelength ($\lambda$ , 波长): 两个相邻波峰或波谷之间的距离。
• Frequency ($f$ , 频率): 每秒钟通过某一点的波的数量。单位是赫兹 (Hz)。
• Period ($T$ , 周期): 产生一个完整波所需的时间。$T = 1/f$。

波速公式 :

$$v = f \times \lambda$$

(Speed = Frequency × Wavelength) (波速 = 频率 × 波长)

📝 Key Vocabulary (重点词汇):

• Transfer energy (传递能量)
• Medium (介质)
• Perpendicular (垂直)
• Parallel (平行)
• Wavefront (波前 - 连接所有相邻波峰的假想线)

第二部分：光 (Light)

1. 反射 (Reflection)

光线遇到平面镜时发生反射。

• Law of Reflection (反射定律):

  1. 入射角等于反射角 ($Angle \ of \ incidence = Angle \ of \ reflection$, 即 $i = r$)。
  2. 入射光线、反射光线和法线在同一平面内。

• 平面镜成像特点: 虚像 (Virtual)、正立 (Upright)、等大 (Same size)、左右颠倒 (Laterally inverted)。

2. 折射 (Refraction)

光从一种介质进入另一种密度不同的介质时，速度改变导致方向改变。

• 规律:

  • 光从空气进入玻璃（稀 $\rightarrow$ 密）：速度变慢，光线偏向法线 (Towards the normal)。
  • 光从玻璃进入空气（密 $\rightarrow$ 稀）：速度变快，光线偏离法线 (Away from the normal)。

• Snell's Law (斯涅尔定律):

  $$n = \frac{\sin i}{\sin r}$$

  ($n$ 是折射率 Refractive Index，反映介质的光学密度)。

3. 全反射 (Total Internal Reflection, TIR)

当光从光密介质射向光疏介质（如玻璃 $\rightarrow$ 空气），且入射角大于临界角 (Critical Angle, c) 时，光线不再折射，而是全部反射回原介质。

• 公式: $n = \frac{1}{\sin c}$
• 应用: Optical Fibres (光纤) —— 用于通信（信号损耗小）和内窥镜（Endoscopes）。

4. 透镜 (Lenses)

• Converging Lens (凸透镜/会聚透镜): 使平行光会聚于焦点。
• Real Image (实像): 光线实际交汇形成，可以呈现在屏幕上。
• Virtual Image (虚像): 光线反向延长线交汇形成，不能呈现在屏幕上（如放大镜）。

📝 Key Vocabulary (重点词汇):

• Normal (法线 - 垂直于表面的虚线)
• Incident ray (入射光线)
• Refracted ray (折射光线)
• Emergent ray (出射光线)
• Critical angle (临界角)
• Focal point / Principal focus (焦点)

第三部分：电磁波谱 (Electromagnetic Spectrum)

1. 顺序 (必须按频率或波长顺序记忆)

从波长最长/频率最低 到 波长最短/频率最高：

1. Radio waves (无线电波)
2. Microwaves (微波)
3. Infra-red (红外线)
4. Visible light (可见光 - 红橙黄绿蓝靛紫)
5. Ultra-violet (紫外线)
6. X-rays (X射线)
7. Gamma rays (伽马射线)

2. 共同特性

• 都是横波 (Transverse waves)。
• 在真空中传播速度相同：$c = 3 \times 10^8 \ m/s$。
• 都能传递能量。

3. 用途与危害 (Uses & Dangers)

• Microwaves: 卫星通信、加热食物。危害：内部加热身体组织。
• Infra-red: 遥控器、夜视仪。危害：皮肤烧伤。
• Ultra-violet: 验钞、杀菌。危害：皮肤癌、白内障。
• X-rays: 医疗成像、安检。危害：导致细胞突变。
• Gamma rays: 治疗癌症（放疗）、杀菌。危害：致癌、细胞死亡。

📝 Key Vocabulary (重点词汇):

• Spectrum (光谱)
• Vacuum (真空)
• Fluorescence (荧光 - 紫外线的效应)
• Sterilization (杀菌)

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第四部分：声波 (Sound)

1. 产生与传播

• 由物体振动 (Vibration) 产生。
• 声音的传播需要介质（固体、液体、气体），真空不能传声。
• 速度：固体 > 液体 > 气体 (空气中约为 330-340 m/s)。

2. 特性

• Loudness (响度): 取决于 Amplitude (振幅) 。振幅越大，声音越响。
• Pitch (音调): 取决于 Frequency (频率) 。频率越高，音调越高。

3. 听觉范围与回声

• 人耳听觉范围：20 Hz - 20,000 Hz (20 kHz)。

• Ultrasound (超声波): 频率高于 20 kHz 的声波。用于声纳 (Sonar) 和 B超。

• Echo (回声): 声音的反射。

  • 测距公式：$Depth = \frac{v \times t}{2}$ (记得除以2，因为是往返距离)。

📝 Key Vocabulary (重点词汇):

• Longitudinal (纵向的)
• Compression (密部 - 气压高的地方)
• Rarefaction (疏部 - 气压低的地方)

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第五部分：磁学简单现象 (Simple Phenomena of Magnetism)

1. 磁极 (Magnetic Poles)

• Law of Magnetism: 同极相斥 (Like poles repel)，异极相吸 (Unlike poles attract)。
• 测试磁铁: 只有“排斥”才能证明物体是磁铁（吸引可能是因为物体是磁性材料）。

2. 磁场 (Magnetic Field)

• 定义：磁力发生作用的区域。
• Field lines (磁感线) 画法:
  • 从N极S极。
  • 线越密，磁场越强。
  • 线不能交叉。

3. 磁性材料

• Soft magnetic material (软磁材料): 如 Soft Iron (软铁) 。容易磁化，也容易失磁。用途：电磁铁 (Electromagnets) 、变压器铁芯。
• Hard magnetic material (硬磁材料): 如 Steel (钢) 。难磁化，但能永久保持磁性。用途：永久磁铁 (Permanent magnets) 。

📝 Key Vocabulary (重点词汇):

• Repulsion (排斥)
• Attraction (吸引)
• Induced magnetism (感应磁性 - 磁性材料靠近磁铁时暂时变成磁铁)

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第六部分：电学物理量 (Electrical Quantities)

1. 电荷与电场 (Charge & Electric Field)

• Electric Charge (电荷, $Q$): 单位是库仑 (Coulombs, C)。
• Electric Field (电场): 电荷受力的区域。
  • 电场线方向：从正电荷指向负电荷 (+ to -)。
• Current ($I$): 电荷流动的速率。

  • $$I = Q / t (1 Ampere = 1 Coulomb per second)$$

  • Electron Flow (电子流): 负极 $\rightarrow$ 正极。
  • Conventional Current (常规电流): 正极 $\rightarrow$ 负极 (画电路图、用左手定则时都用这个方向)。

2. 电压：电势差与电动势 (Voltage: P.D. vs e.m.f.)

• 单位：Voltage ($V$) 伏特: 单位电荷携带的能量。

  • 公式:

    $$V = E / Q$$

    (Voltage = Energy / Charge, 1 Volt = 1 Joule per Coulomb)

  • 测量: Voltmeter (伏特表)，必须并联 (Parallel) 在元件两端。

  1. Potential Difference (p.d., 电势差):
     • 发生在用电器（如灯泡、电阻）两端。
     • 定义: 将电能转化为其他形式的能量 (Electrical energy transferred to other forms)。
     • 即：能量被“用掉”了。
  2. Electromotive Force (e.m.f., 电动势):
     • 发生在电源（如电池、发电机）两端。
     • 定义: 将其他形式的能量转化为电能 (Non-electrical energy transferred to electrical energy)。
     • 即：能量被“提供”出来。

3. 电阻 (Resistance)

• 定义: 阻碍电流流动的程度。

  • 公式:

    $$R = V / I$$

    (单位: Ohms, $\Omega$)

• 影响导线电阻的因素 (Factors affecting resistance):短粗小，细长大

  1. Length (长度): 导线越长，电阻越大 ($R \propto L$)。
     • 原理: 电子与原子碰撞次数增加。
  2. Cross-sectional Area (横截面积/粗细): 导线越粗，电阻越小 ($R \propto 1/A$)。
     • 原理: 电子通过的空间更大，更容易流动。
  3. Material (材料): 铜的电阻比铁小。
  4. Temperature (温度):
     • 对于金属导体：温度升高 $\rightarrow$ 原子振动加剧 $\rightarrow$ 阻碍电子流动 $\rightarrow$ 电阻增大。

• Ohmic Resistor (定值电阻/欧姆电阻):

  • 图像: 过原点的直线。
  • 含义: 电流与电压成正比 ($I \propto V$)，电阻恒定。
  • Ohm's Law (欧姆定律): 温度恒定时，导体两端电流与电压成正比。

• Filament Lamp (灯丝/灯泡):

  • 图像: S形曲线 (随着电压升高，电流增加变慢)。
  • 解释 (必背满分答案):
    1. 随着电压/电流增加，灯丝温度升高 (Temperature increases)。
    2. 原子振动加剧，电子碰撞增加。
    3. 导致电阻增大 (Resistance increases)。

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第四部分：电路的计算与用电安全 (Circuits & Safety)

1. 串联与并联的电压、电流、电阻

物理量	Series (串联)	Parallel (并联)
电流 ($I$)	处处相等 ($I_{total} = I_1 = I_2$)	分流 (干路电流 = 各支路之和, $I_{total} = I_1 + I_2$)
电压 ($V$)	分压 (电源电压 = 各元件电压之和, $V_{total} = V_1 + V_2$)	处处相等 (各支路电压 = 电源电压, $V_{total} = V_1 = V_2$)
电阻 ($R$)	$R_{total} = R_1 + R_2$ (越串越大)	总电阻小于任一支路电阻 (越并越小)

• 电位计原理 (Potential Divider):
  • 在串联电路中，电压按电阻比例分配。电阻大的元件分得的电压更多。
  • 公式: $\frac{V_1}{V_2} = \frac{R_1}{R_2}$

2. 电功率与能量 (Power & Energy)

• Power ($P$) 电功率: 能量转化的速率。单位 Watts (W)。
  • 基本公式:

    $$P = I \times V$$

  • 推导公式 (仅限纯电阻): $P = I^2 \times R$ 或 $P = V^2 / R$
• Energy ($E$) 电功:
  • 公式:

    $$E = P \times t = I \times V \times t$$

  • 单位: Joules (J)。
  • 注意: 计算家用电费时，单位常用 Kilowatt-hour (kWh, 千瓦时/度)。
    • $E (kWh) = Power (kW) \times Time (hours)$

3. 用电安全 (Electrical Safety)

• Live wire (火线, Brown): 携带高压电。

• Neutral wire (零线, Blue): 完成回路，0V。

• Earth wire (地线, Green/Yellow): 安全线，连接金属外壳，0V。

• Fuse (保险丝):

  • 位置: 必须接在 Live wire (火线) 上。
  • 原理: 电流过大 $\rightarrow$ 产生热量 $\rightarrow$ 保险丝熔断 (Blows/Melts) $\rightarrow$ 切断电路。
  • 选择: 额定值应略高于正常工作电流 (e.g., 工作电流 3A，选 5A 的保险丝)。

• Trip Switch / Circuit Breaker (断路器):

  • 优势: 反应比保险丝快；可以重置（重复使用），无需更换。