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第一章:电磁波与光速
上次课提要: 从光的本性简述光学发展史: 1、牛顿提出光是粒子流的理论——牛顿的微粒说。 2、惠更斯提出光的波动说,光是在充满整个空间的特殊介质“以态”(ether)中传播的某种弹性波; 麦克斯韦提出了光波属于电磁波。 3、爱因斯坦(Einstein)提出了狭义相对论,否定了以太的存在,电磁波 (光波)本身是一种实体。 4、波粒二象性:微观粒子,包括“光子”具有波粒二象性。光在传播过程中表现波动性,光在与物质相互作用时表现粒子性。 光学的主题 研究光的传播和光与物质的相互作用。 光属于电磁波,首先讨论光的电磁理论。 第一章:电磁波和光速 ——电磁波的传播问题 1.麦克斯韦方程组 麦克斯韦总结了电磁学的基本实验规律,并根据理论分析得出了著名的麦克斯韦方程组,其积分形式(左列)和微分形式(右列)如下: 在本讲义所涉及到的光学范畴的介质,均为非磁性物质。可认为介质的相对磁导率? r?1。 另外:对于有限空间,还需要相应的边界条件。 2、电磁波和光波 由麦克斯韦方程组(和物质方程)可推出电磁波波动方程。 条件:传导电流和自由电荷是电磁波的源头,在本讲义涉及的光学范畴,只讨论远离源头的区域,故可设传导电流和自由电荷均为零。 在力学中,学过波动方程: (1)可见光的波长范围为400nm~760nm,相应的频率范围1014Hz~1015Hz。 (2)紫外线波长范围为5nm~400nm,相应的频率范围1015Hz~1017Hz,不能为人眼所感知,可用荧光屏,或照相乳胶,或光电管来探测。 (3)X射线和 ? 射线的波长与原子间隔相当,且有较强的穿透力。 3.光波在各向同性介质中的传播速度以及折射率 4.电磁波波动方程的解:平面波和球面波 简谐波是波动方程的解,有两类重要的基本解,即平面波和球面波。 式(1-1-3)是矢量波动方程,在直角坐标系中,E和 H 各对应三个分量方程,一般需解得每个分量方程才能解得 E 和 H 。 单色平面波的复指数表示为 5.电磁波的横波性 由麦克斯韦方程组的微分形式可以证明光波是横波,并且 E、B 和 k 三矢量的方向符合右手螺旋关系。 在第五章,将会讨论光作为横波的偏振性质。 5.电磁波的横波性 现在来证明电磁波是横波,即D矢量、H(B)矢量和传播矢量k两两相互垂直。 对式(1-1-4)分别进行?和? ? ? t 的运算,得 6.电磁波的能量传播——坡印亭矢量 光强 S 表示电磁场能量的传播,即垂直通过单位面积的功率。其大小代表电磁波波强,这里指光强,其方向为光能量传播方向。在各向同性介质中,坡印亭矢量的方向与光波矢的方向(相位传播方向)一致。但是在各向异性介质中,二者方向不同,这将会在后面讨论。 6.电磁波的能量传播——坡印亭矢量 光强 根据电磁理论,光强是和电磁场的能流有关的物理量。对于非导体介质(?=0),没有热损耗,电磁波的能量守恒表现为单位时间内流出(入)闭合体积的电磁波能量等于单位时间内闭合体积内的能量减少(增多),其数学表达式为 光在介质中传播的(瞬时)光强 I 为 上面,因高频项对时间的平均值为零,所以得出最后一个等式。 一般我们感兴趣的不是绝对光强,而是光强分布,因此常忽略式中的常数因子。 提要1 提要2 由麦克斯韦方程组的微分形式证明了光波是横波,并且E、B和k三矢量的方向符合右手螺旋关系。 在光学中,用相对光强表示光强 习题 1.为什么可以用复指数函数来表示简谐波?指出下列两式的异同。写出相应复振幅的表达式 解答 解答 代入麦克斯韦方程组的 光学现象丰富多彩, 我们建议以“光究竟是什么”为中心主线来理解整个光学。以“h-判据”对整个光学现象进行分类。 自然科学已经证明,自然界本质上是量子的,光也不例外,因此原则上可以用量子理论解释一切光学现象。但实际上对不同的光学现象用更简洁的近似理论去解释也能得到较为满意的结果。 当普朗克常数(h),光波长(?)与光学体系的相应特征量和特征尺寸相比可以忽略不计时(h?0, ? ? 0),光学现象遵从几何光学原理; 当h ? 0,但并不满足? ? 0时,光可以看成经典的电磁波,服从经典波动理论和麦克斯韦电磁理论,属于波动光学范畴; 在不满足h ? 0的场合,光的量子特征显著,必须采用量子理论来描述,这部分内容称为量子光学。这时我们对“光是什么?”的回答是:光是量子化的电磁场。 简谐波是波动方程的解,有两类重要的基本解,即平面波和球面波。 对于电磁场只包含一个分量的情形, 称为复振幅,上式中只有其实部才是实际的波。 式中不含时间的项 单色平面波的复指数表示为 高斯光波的复振幅 光强等于振幅的平方 2.证明沿 k 方向
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