Занимательная физика. Свет, звук, волны. Манга

О Б Р А З О В А Т Е Л Ь Н А Я   М А Н Г А

СВЕТ, ЗВУК, ВОЛНЫ

Школьница Отоха навещает в больнице своего одноклассника Коуки и по его просьбе приносит ему книги 
по физике. Благодаря любознательному Коуки она 
увлекается задачами, которые выходят за рамки 
школьной программы. Вместе друзья находят ответы 
на вопросы о том, какого размера должно быть 
зеркало по сравнению с отражаемым объектом и 
как создать искусственную радугу, обсуждают природу волн, эффект резонанса и эффект Доплера, 
интерференцию и дифракцию волн.
Манга включает лабораторные работы, а также дополнительный материал, ориентированный на изучение 
более сложных тем: принцип суперпозиции, решение 
волнового уравнения, выведение формулы скорости 
звука.
манга написана для школьников и студентов, интересующихся современной физикой.

Интернет-магазин:
www.dmkpress.com

Оптовая продажа: 
КТК «Галактика» 
books@alians-kniga.ru
www.дмк.рф

ЗАНИМАТЕЛЬНАЯ ФИЗИКА

СВЕТ, ЗВУК, ВОЛНЫ

Нитта Хидео

Фукамори Аки

Trend-PRO Co., Ltd.

СВЕТ,
СВЕТ,
ЗВУК,
ЗВУК,
ВОЛНЫ
ВОЛНЫ

Нитта Хидео
Нитта Хидео
Фукамори Аки
Фукамори Аки

9 785970 608098

ISBN 978-5-97060-809-8

ЗАНИМАТЕЛЬНАЯ ФИЗИКА
МАНГА

Занимательная физика.  
Свет, звук, волны

Манга

О Б РА З О В АТ Е Л Ь Н А Я  М АН ГА

Москва 
ДМК Пресс, 2020

Нитта Хидео

Художник  
Фукамори Аки

Перевод 
С. Л. Плехановой

СВЕТ, ЗВУК, 
ВОЛНЫ

ЗАНИМАТЕЛЬНАЯ ФИЗИКА

УДК 621.315.592
ББК 
22.379
 
Н60

 
Нитта Хидео
Н60 
Занимательная физика. Свет, звук и волны. Манга / Нитта Хидео (автор), Фукамори Аки (худ.); пер. с яп. С. Л. Плехановой. – М.: ДМК Пресс, 2020. – 238 с.: ил. – 
(Серия «Образовательная манга»). – Доп. тит. л. яп. 

 
ISBN 978-5-97060-809-8

Аннотация Школьница Отоха навещает в больнице своего одноклассника Коуки и по его просьбе приносит ему книги по физике. Благодаря любознательному Коуки она увлекается вопросами физики, которые выходят 
за рамки школьной программы. Вместе одноклассники найдут ответы на вопросы о том, какого размера должно быть зеркало по сравнению с отражаемым объектом и как создать искусственную радугу, обсудят природу волн, 
эффект резонанса и эффект Доплера, интерференцию и дифракцию волны 
и многое другое.
Манга включает лабораторные работы, а также дополнительный материал, 
ориентированный на изучение более сложных тем: принцип суперпозиции, 
решение волнового уравнения, выведение формулы скорости звука и др.
Издание предназначено для школьников и студентов, интересующихся 
научно-техническими дисциплинами.

 
УДК 621.315.592
 
ББК 22.379

Manga de Wakaru Butsuri (hikari, oto, nami) 
(Manga Guide: Physics:light, sound and wave)
By Nitta Xideo (Author), Fukamori Aki (Illustrator)
Published by Ohmsha, Ltd.
Russian language edition copyright © 2020 by DMK Press

Все права защищены. Никакая часть этого издания не может быть воспроизведена в любой форме или любыми средствами, электронными или механическими, 
включая фотографирование, ксерокопирование или иные средства копирования 
или сохранения информации, без письменного разрешения издательства.

ISBN 978-4-274-21820-0 (яп.)  
Copyright © 2015 Produced by TREND-PRO Co., Ltd.
ISBN 978-5-97060-809-8 (рус.)  
© Перевод, оформление, издание, ДМК Пресс, 2020

ПРЕДИСЛОВИЕ

Свет, звук и волны – очень знакомые нам явления. Как будет рассказано в этой 
книге, свет и звук также относятся к волновым явлениям, поэтому, чтобы хорошо 
понять природу света и звука, нужно прежде всего разобраться с  основными свойствами волн. Однако понятие «волна» известно своей сложностью, потому что довольно трудно правильно представить ее движение. Не так просто понять, как расходящиеся в пространстве волны меняются с течением времени. Наоборот, если 
удастся получить правильное представление о движении волн, то само собой получится понять и их свойства.
В этом как раз и состоит задача манги. Как я уже говорил в предисловии к манге «Разбираемся с помощью манги. Физика (механика)», манга – это уникальный 
инструмент, позволяющий живо представить, как менялось то или иное явление с 
течением времени. И такое сложное явление, как волна, с помощью манги объяснить проще, чем в учебнике или в видеоуроках. 
В данной книге манга чередуется с текстовыми разъяснениями, но, используя разные приемы, например повторяя самые важные моменты, мы постарались 
сделать так, чтобы, читая только разделы с мангой, можно было получить полное 
представление о волнах на уровне физики в старших классах. Попробуйте прочитать данную мангу несколько раз, пока нужная информация не отложится в голове. В книге также попадаются некоторые формулы, но если вам они покажутся 
слишком сложными, то можете просто продолжить чтение, пропуская их. В любом случае я бы хотел, чтобы вы перечитывали эту книгу, так как при повторении 
материала вы понемногу начинаете понимать неясные поначалу места.
Разделы с текстовыми разъяснениями ориентированы на тех, кто хочет попрактиковаться в теме или узнать о ней побольше. Информация в разделе «Дополнительный материал» дается на базовом уровне физики в старших классах школы, в то 
время как в разделах «Дополнительный материал. Повышенный уровень» и «Дополнительный материал. Экспертный уровень» информация ориентирована на старшеклассников научно-технических школ и студентов. Особенно сложным является 
раздел «Дополнительный материал. Экспертный уровень», где используется дифференциальное исчисление. Чтобы разобраться в движении волн, из уравнения выводится волновая функция, и в то же время определяется скорость волны, для чего 
необходимо хорошее знание математики. Если вам интересны такие процессы, обязательно прочитайте раздел «Дополнительный материал. Экспертный уровень».
В завершение я хочу выразить благодарность художнице Фукамори Аки, которая проделала такую трудную работу, как представление в манге теории света, 
звука и волн. Кроме того, выражаю благодарность компаниям Trend Pro и Ohmsha 
за подготовку, редактирование и публикацию данной книги. 

Октябрь 2015 года
Нитта Хидео

V

Содержание

Пролог 1

Глава 1. СВЕТ 9
1 Свет и его отражение  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  . 10

Лабораторная работа. Твое отражение в зеркале  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  . 15
Поглощение света. Прозрачность и непрозрачность  .  .  .  .  .  .  .  .  . 16

2 Преломление света  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  . 16
3 Линзы  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .22

Лабораторная работа. Действительное  
изображение, созданное выпуклой линзой   .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .28

4 Дисперсия света и цвета  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .29

Дополнительный материал  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .32

История исследования света .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .32
Причины рассеяния света  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .32
Поглощение света. Прозрачность и непрозрачность .  .  .  .  .  .  .34
Тепло солнечного света .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .35
Закон отражения   .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .35
Отражение наружного света от окна   .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .36
Скорость света и показатель преломления  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .37
Закон преломления   .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .38
Формула линзы   .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .39
Дисперсия света   .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  . 41

Дополнительный материал. Повышенный уровень .  .  .  .  .  .  .  .  .42

Как получается радуга?   .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .42

Глава 2. ВОЛНЫ 45
1 Волны. Основы  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  . 47
2 Суперпозиция волн  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  . 67

Дополнительный материал
Взаимосвязь между графиками 
 «координата–смещение» и «время–смещение» .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .76
Отражение волны   .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .77

Дополнительный материал. Повышенный уровень
Уравнение движения .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .79
Колебания .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .79
Простые колебания и функция синуса  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  . 81
Уравнение и график синусоидальной волны   .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .83
Нормальные волны  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .85

VI

Дополнительный материал. Экспертный уровень 
Дифференциальное уравнение движения  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .87
Уравнение движения и простые колебания  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .87
Волновое уравнение  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .88
Волновое уравнение для поперечной волны   .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  . 91
Скорость продольной волны и модуль Юнга   .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .92
Решение волнового уравнения  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .93
Принцип суперпозиции и волновое уравнение  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .94
Развивающая задача  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .95

Глава 3. ЗВУК 97

1 Звуковые волны. Основы  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  . 99
2 Как распространяется звуковая волна? .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .108

Лабораторная работаГрафики  
«время–смещение» для разных  
музыкальных инструментов.  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  . 115

3 Нормальная волна звука и биение  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  . 119

Лабораторная работаБиения .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .130
Дополнительный материал
Колебания воздуха в воздушном столбе .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  . 134
Скорость звука   .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  . 137
Скорость поперечной волны, издаваемой струной   .  .  .  .  .  .  . 137
Гамма  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  . 137

Дополнительный материал. Повышенный уровень
Уравнение скорости звука   .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  . 140
Тембр и суперпозиция звуковой волны   .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  . 141
Компенсация свободного конца .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  . 143

Дополнительный материал. Экспертный уровень
Волновое уравнение для звуковой волны   .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  . 143
Выведение формулы скорости звука . .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  . 146
Связь между смещением газа и изменением  
плотности  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  . 147

Глава 4. ЭФФЕКТ ДОПЛЕРА 149

1 Как слышится звук, если источник звука движется .  .  .  .  .  .  .  .  .  . 151

Лабораторная работа. Формула эффекта Доплера 
для движущегося источника звука .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .156

 2 Звук, воспринимаемый при движении наблюдателя  .  .  .  .  .  .  .  .159

Лабораторная работаФормула эффекта Доплера,  
когда движется наблюдатель   .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .163

VII

Дополнительный материал
Эффект Доплера для случая, когда движутся  
и источник звука, и наблюдатель   . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .169
Принцип работы измерителя скорости  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 171

Дополнительный материал. Повышенный уровень
Эффект Доплера при диагональном направлении   . . . . . . . . . . . . . . .174
Эффект Доплера для света  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .176
Ударная волна   . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .176

Глава 5. СВЕТОВАЯ ВОЛНА 179

1 Интерференция и дифракция волны  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  . 181

Лабораторная работа. Формула, описывающая области 
взаимного усиления и взаимного ослабления волн   .  .  .  .  .  .  .  . 187

2 Частицы и волны  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  . 191

Лабораторная работа. Дифракционная решетка 
и интерференция  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  . 201

3 Всюду волны  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .205

Дополнительный материал
Энергия и интенсивность волны   .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .211
В какой среде передаются электромагнитные волны?  .  .  .  .  .  .  . 211

Дополнительный материал. Повышенный уровень
Сферические волны   .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  . 212
Интерференция сферических волн  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  . 213
Корпускулярная и волновая природа  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  . 214

Дополнительный материал. Экспертный уровень
Уравнение энергии волны .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  . 215
Энергия синусоидальной волны   .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  . 216

Приложение А. Единицы измерения  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  . 217

Основные и производные единицы измерения   .  .  .  .  .  .  .  .  .  . 217
Обозначения и названия значений, кратных 10 .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  . 218
Децибелы  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  . 219

Приложение В. Математическая справка .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .220

Решение задачи со стр. 95  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .222

Предметный указатель 226

VIII

Пролог

Свет…

Ой, как пить 
хочется…  

И тема выступления нашей 
команды чирлидеров – 

как раз 
«Свет»… 

Синдо Отоха 
(16 лет)

Ох, 
жарко! 
Солнце 

так 
сильно 
светит!

А деньги-то 
взять забыла…

Пробежка 
в полдень 
в самый разгар 
лета, чтобы 
укрепить  
мышцы…
…что за 
глупая 
идея…

*Пшш
пшш *

2

Уф-фу

Уф-фу

Э?

Ох!

Уф-фу

И в самом 
деле, что-то 
мне плохо…

* Вжииииих *

* Вжшшшш * 

скрежет 
тормозов

* хвать *
* бац *

* Уф-фу *

*Ох!*

оСторожно!

* щелк *

...чку...

Звук сирены?..

Значит…

Эффекта Доплера нет…  
сила звука не меняется…

Я, видимо, нахожусь 
в машине скорой помощи…

Скоро уже 
приедем 
в больницу!..

…оказался  
моим одноклассником…

Тэруяма 
Коуки…

Тот, кто спас 
меня от 

Но…

*Виу-виу *

*Хвать *

*Виу-виу *

*Виу-виу *

*Виу-виу *

машины, ехавшей 
на красный свет…