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电磁波的概念及波动理论

时间:2023-06-29 理论教育 版权反馈
【摘要】:电磁振动的传播是电磁波,是能量传递与释放的一种方式。电磁波是典型的横波,而且比水波、机械波复杂。因此,垂直于电磁波的传播方向的直线可以很多,这些直线的方向可以代表电磁波电场的振动方向。这种电磁波称为线偏振电磁波。如果电磁波在这个平面内的不同方向都有振动,电场的振幅大小不相等,那么会形成偏振现象,或称为极化现象。图2-1为电磁波的传播示意图。惠更斯是波动学说的创立者。

电磁波的概念及波动理论

电磁振动的传播是电磁波,是能量传递与释放的一种方式。该学说最早是惠更斯提出的。为直观起见,以最简单的绳子抖动为例,在绳子的一端上下振动,振动就会沿绳子向前传播。从整体看,振动给人的感觉是波峰和波谷不断向前运动,但实际上,绳子上的质点仅仅做上下运动,而并没有向前运动。可见波动是各质点在平衡位置振动而能量向前传播的一种现象。

如果质点的振动方向与波的传播方向相同,称为纵波。例如弹簧的振动,振动方向与波的传播方向相同。声波也是一种纵波。若质点振动方向与波的传播方向垂直,称为横波。如上述绳子的抖动产生的波。水波也是横波。电磁波是典型的横波,而且比水波、机械波复杂。在电磁波中,电场的振动与磁场的振动方向都与电磁波的传播方向垂直。

根据几何原理,过一点且垂直于某一直线的直线有无数条,但过一点且垂直于某一直线的平面有且仅有一个。实际上这些无数条直线的集合就是这个平面。因此,垂直于电磁波的传播方向的直线可以很多,这些直线的方向可以代表电磁波电场的振动方向。在电磁波中,电场可以在这个平面内各个方向振动,这种现象造成了电磁波的复杂性。

如果在电磁波中,电场的振动方向固定为某一特定方向,其他方向没有振动,那么这样的电磁波就是最简单的电磁波。这种电磁波称为线偏振电磁波。如果电磁波在这个平面内的不同方向都有振动,电场的振幅大小不相等,那么会形成偏振现象,或称为极化现象。在英语中,偏振和极化是共用同一个英语单词(polarization)的。实际上只要是横波,都存在偏振现象,只是人们必须借助仪器才能觉察到偏振现象的存在。图2-1为电磁波的传播示意图。

图2-1 电磁波的传播示意

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惠更斯(克里斯蒂安·惠更斯,Christiaan Huygens,1629年4月14日—1695年7月8日),荷兰物理学家、天文学家和数学家,土卫六的发现者。他还发现了猎户座大星云和土星光环。

惠更斯是波动学说的创立者。在光学方面,他创立了光的波动说,并把以太作为光传播的介质,在《光论》一书中提出了惠更斯原理,解释了冰洲石双折射现象。但由于同时代的牛顿名气要比他大,因此波动说在很长一段时间内没有得到应有的重视,直到1800年以后,才引起物理学家的重视。

惠更斯出生在海牙,其父康斯坦丁·惠更斯(Constantine Huygens,1596—1687)为外交家,是数学家笛卡儿的朋友,家境富裕。惠更斯16岁后进入莱顿大学学习法律与数学,两年后又转到布雷达的奥兰治学院(Orangecollege)继续学习,学生时代他接受过笛卡儿的指导。1651年,他发表了第一篇论文,内容为求解曲线所围区域的面积;1655年成为法学博士;1663年成为英国皇家学会会员;1666年成为荷兰科学院院士,同一年在路易十四的邀请下成为法国皇家科学院院士。利用巴黎天文台(1672年竣工),他进一步进行了天文观测。

1684年,他出版了Astroscopia Compendiaria,介绍了他新发明的空中望远镜(Aerial telescope)。1695年7月8日,惠更斯死于海牙,被埋葬在Grote Kerk大教堂。他指导过莱布尼兹学习数学,与牛顿等人也有交往,终生未婚。

惠更斯一生研究成果丰富,在多个领域都有所建树,许多重要著作是在他逝世后才发表的。在数学方面,他在布莱兹·帕斯卡鼓励之下,1657年发表了《论赌博中的计算》,被认为是概率论诞生的标志。同时对二次曲线、复杂曲线、悬链线、曳物线、对数螺线等平面曲线都有所研究。他还发现旋轮线也是最速降线。

在《摆式时钟或用于时钟上的摆的运动的几何证明》《摆钟论》等论文中,惠更斯提出了钟摆摆动周期的公式:。1656年,他设计并制造出了利用摆取代重力齿轮的摆钟。他还研究了完全弹性碰撞,证明了碰撞前后能量和动量的守恒。研究成果在其死后发表于《论物体的碰撞运动》一文中。

在天文学方面,惠更斯研究了透镜的相关物理原理,并发明了惠更斯目镜。1655年,惠更斯提出,土星被一个坚硬的环围住,一个薄又扁,向黄道倾斜的环。他用自制的折射望远镜,首次发现了土星的卫星——土卫六;同年,惠更斯观察到了猎户座大星云并将它画了下来。1659年,他的画被公布在Systema Saturnium上。1659年,惠更斯利用自己磨制的望远镜,发现了土星的光环。他用他自制的望远镜成功地把星云分成不同的恒星。惠更斯还发现了几个星云和一些双星

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