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物理光学与应用光学第二版课件及课后习题答案
第一章 光在各向同性介质中的传输特性
• 本章基于光的电磁理论,介绍光波的基本特性、光在各向同性介质中的传播特性、光在介质分界面上的反射和折射特性,以及光波的数学描述。
第一节光波的特性
一、光波与电磁波、麦克斯韦电磁方程
1、电磁波谱
光波、X射线、γ射线都是电磁波,它们电磁特性相同,只是频率不同而已。如果按其频率(或波长)的次序排列成谱,则称为电磁波谱,如图所示。
电磁波谱:
光波
中`波
长波
紫
靛
蓝
绿
黄
橙
红
光 波
通常所说的光学区域(或光学频谱)包括:红外线、可见光和紫外线。
(1)红外线
远红外:1mm-20um
中红外:
近红外:
(2)可见光
红色:760nm-650nm
橙色:650nm-590nm
黄色:590nm-570nm
绿色:570nm-490nm
青色:490nm-460nm
蓝色:460nm-430nm
紫色:430nm-380nm
(3)紫外线
近紫外:380nm-300nm
中紫外:300nm-200nm
真空紫外:200nm-10nm
红 橙 黄 绿 青 蓝 紫
各种波长的电磁波中,能为人所感受的是
(390—760)nm的窄小范围.
对应的频率范围是
= ()1014 HZ .
这波段内电磁波叫可见光,在可见光范围内,不同频率的光波引起人眼不同的颜色感觉.
虽然光波在整个电磁波谱中仅占有很窄的波段,它却对人类的生存、人类生活的进程和发展,有着巨大的作用和影响,还由于光在发射、传播和接收方面具有独特的性质,以致很久以来光学作为物理学的一个主要分支一直持续地发展着,尤其是激光问世后,光学领域获得了突飞猛进地发展。
2.麦克斯韦电磁方程
互相作用和交变的电场和磁场的总体称为电磁场,交变电磁场在空间以一定的速度由近及远的传播即形成电磁波.
积分形式的麦克斯韦方程组
(1-1)
公式(1-1)是法拉第电磁感应定律的积分形式,其意义是:变化的磁场可产生电场.负号表示感应电动势具有阻碍磁场变化的趋势.
(1-2)
公式(1-2)是电场高斯定律的积分形式,该式表示自体积V内部通过闭合曲面A向外流出的电通量等于A包围的空间中自由电荷的总数.
公式(1-3)是磁场的高斯定律,表示通过闭合曲面A流出和流入的磁通量相等.
公式(1-4)是全电流定律,说明稳恒电流和变化的电场都会在周围产生磁场.
微分形式的麦克斯韦方程组:
(1-5)
(1-6)
(1-7)
(1-8)
。
符号的意义:
哈密顿算符:
具有矢量和求导的双重功能
散度:
是“标量积”
一个矢量在某点的散度表征了该点“产生”或“吸收”这种场的能力(即矢量从该点发散或会聚与该点的性质)若一个点的散度为零则该点不是场的起止点.
称为 的散度,空间某点的散度描述了 矢量从该点发散或会聚与该点的性质.
旋度的计算:
旋度:
是“矢量积”
一个矢量场在某点的旋度描述了场在该点周围的旋转情况。
微分形式的麦克斯韦方程组的物理意义
公式(1-5)表示空间某点磁感应强度的变化会在周围产生一个环形电流.
公式(1-6)表示电位移矢量是由正电荷所在点向外发散或向负电荷所在处汇聚.
公式(1-7)表示磁场是无源场.
公式(1-8)说明环形磁场可由传导电流产生,也可由位移电流产生.
麦克斯韦方程组中涉及的函数有E,D,B,H,和J, 等除以上等式外,它们之间还有一些与电磁场所在媒质的性质有关的联系,称为物质方程
在一般情况下,介质的光学特性具有不均匀性,ε、μ和σ应是空间位置的坐标函数,即应表示为ε(x,y,z),μ(x,y,z),σ(x,y,z);若介质的光学特性是各向异性的,则ε、μ和σ应当是张量,物质方程应表示如下:
麦克斯韦()简介 (1831--1879)
一、生平
在法拉第发现电磁感应定律那一年,即1831年,麦克斯韦在英国的爱丁堡出生了。他从小聪明好问。父亲是个机械设计师,很赏识自己儿
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