就是电磁波.电场强度的变化带 来磁感应强度的改变,而磁感应强度的变化又带来电场强度的改变,因此电磁 波是电场强度和磁感应强度振动的传电场强度和磁感物理量.电磁波是横波,也就是电场 强度和磁感应强度都沿和传播方向相垂直的方向振动.电场强度的方向和磁感 应强度的方向也是互相垂直的.在真空中传播的电磁波,这三个方向的互相垂 直关系可以用 “右手规则 ”来描写:平伸出右手,拇指朝上,表示电场强度 的振动方向;另外四指朝向前方,表示磁感应强度的振动方向;手掌心对着的 方向就是电磁波传播的方向.用空间直角坐标的语言来说,x轴方向是电场强 度振动的方向,y粗纤维测定仪轴方向是磁感应强度振动的方向,z轴方向是电磁波传播的 方向.
电磁波在真空中的传播速度是真空光速.c=29 99792458m/s.电磁波的 频率分布在一个极大的范围内,不同频率的电磁波的性质行为很不相同,各种 电磁波的频率大体范围如表8-1所示. 表8-1 各种电磁波的频率范围 电磁波频率/Hz电磁波频率/Hz 交流电50~60可见光3.84×1014~7.69×1014 无线电波10~109紫外线8×1014~3×1017 微波109~3×1011X射线3×1017~5×1019 红外线3×1011~4×1014γ射线1018以上 当发射电磁波的发射源与观测者之间有相对运动时,观测者接收到的电磁 波的频率f′和电磁波的发射频率f不同,这是电磁波的多普勒效应. 2 1- v 2 f′= 1- vcocsθf, cv是电磁波发射源相对于观测者的速度,θ是速度和发射源与观测者间连线的 夹角.如果电磁波发射源相对于观测者相向运动,θ=0°;如果作横向运动,θ=90°;如果作相背运动,θ=180°.这三种情形观测到的频率变化分别为 2 f′=c+vf, f′=1-vf, f′=c-vf; c-vc2c+vθ=0°, θ=90°, θ=180°. §8. 6 4 光波 1 1 要注意的是,在电磁波发射源相对于观测者作横向运动时观测到的频率也要变慢. 和声波不同,电磁波在真空中可以传播.电磁波是直线传播的,当传播遇 到障碍物时,将发生四方面的效应: 1.一部分电磁波被障碍物表面吸收. 2.一部分电磁波透入障碍物,以障碍物为介质继续传播.
3.一部分电磁波从障碍物表面反射,改变方向继续传播.入射电磁波的 方向是确定的,反射时向各个方向传播的都有.按照反射定律,即沿 “反射 角等于入射角”的方向传播的最强. 4.从障碍物旁边传过去的电磁波将有一部分绕过障碍物,在障碍物背后 继续传播.这部分电磁波的强度比直线传播的要弱,随着绕过的角度和距离加 大而减弱.在障碍物后会有一个影子区,在这影子区电磁波基本上传播不到. 影子区的空间尺度大体上是障碍物的尺度减电磁波波长的数倍. 各种不同波段的电磁波的频率和波长很不相同,有的物质对有些波段的电 磁波有很强的吸收性,对另一些波段的电磁波又是透明的.不同波段电磁波遇 到障碍物时的影子区的大小也极不相同. 电磁波的强度正比于振幅绝对值的平方.从一点发出电磁波时,一般是向 四面八方传播的,这样电磁波传的距离越远,振幅越小,电磁波也越弱.为了 能把电磁波传得很远,对不同波段的电磁波,人们采取了多种措施. §8.4 光波 1414 可见光就是频率在3.84×10~7.69×10Hz范围内的电磁波,大体上 说,可见光的波长在390 00..A的范围内.可见光波长最长的是红光, A到780 00.. 波长从长到短依次为红、橙、黄、绿、蓝、紫,波长最短的是紫光.对于人的 眼睛来说,各种不同波段的光的视觉灵敏度不同,其中以绿光的视觉灵敏度最 高.各种不同波长的光对眼睛引起的色觉如表8-2所示. 表8-2 不同色觉光的波长 颜色波长/..A颜色波长/..A 红6470~700 00 绿4912~5750 橙5850~6470蓝4240~4912 黄5750~5850紫40 00 0~4240 光在真空中的传播速度是真空光速c,c=299792458m/s. 1 6第八章 波动、通讯技术的物理基础 2 光在透光的介质中的传播速度v小于真空光速.n=c/v称为这种介质的折 射率,折射率总是大于1的数.在均匀的介质中光是直线传播的.光传播到两 种介质的界面时通常一部分光被吸收;一部分光按照反射定律被反射,反射光 按照反射角等于入射角的方向反射出去;一部分光穿透入另一种介质,按照折 射定律所规定的方向进行传播.反射定律和折射定律如图8-2所示. 图8-2 反射定律和折射定律 折射率小的介质称为光疏介质,折射率大的介质称为光密介质. nvsinθ fii nfi= n= v= sinθ. iff 从折射定律来看,如果光从光密介质射向光疏介质,折射角 θ将大于入射角 f θ.当入射角的正弦大于折射率n时,将不可能发生折射,这时发生的现象是 ifi “全反射”.全反射时,几乎全部光都按照反射定律进行反射,被吸收的损耗 很少. 全反射的物理过程是:当光以很大的入射角从光密介质斜射到介质界面 时,将越过界面斜向进入光疏介质,走过大约1~2个波长的距离,又按入射 角等于反射角的规律射回到光密介质中去,如图8-3(a)所示. 图 8-3 光的全反射现象有很多重要应用.长期以来在折射望远镜中经常采用直角 三棱镜作为正像系统的主要部件,如图8-3(b)所示.光导纤维是基于全反射 制成的光学通讯重要器材.光导纤维是直径几微米到几十微米的石英丝,由于 折射率约为1.5,以超过41.8°的入射角射向边界的光全部都全反射了,这样 光实际上沿纤维丝的方向传播,如图8-4所示.
§8. 6 4 光波 1 3 图8-4 光导纤维中光的传播图8-5 光的衍射 由于可见光的波长从宏观的尺度来看是非常小的,因此可见光传播碰到障 碍物时,影子效应非常明显,影子区界限非常清楚.当障碍物的尺度很小时,光的 传播偏离直线就显著起来.例如,让单色平面光照射到开了一条窄缝的板上,在 板后的壁上应看到和窄缝大小、形状相同的一个亮的影子.但如果把窄缝开得很 窄,壁上的亮影子就反而变宽了,如图8-5所示.这个现象称为光的衍射. 光的衍射的现象可以这样描述:光照射过宽的缝的时候,宽缝的影子大小 和形状不变,而光照射过窄的缝的时候,窄缝的影子变化很大.光的衍射的物 理原因是因为光是电磁波,电磁波的传播会有这种效应. 光波传播遇到障碍物时偏离直线的范围大体是光波波长的数量级. 可见光的这个性质决定了光学显微镜的分辨率受到光波波长的限制,不可 能分辨其线度小于所采用的光波波长的一半的物体.可见光的波长范围为 390~0A,光学显微镜难以分辨比200 00.. 0780..A更小的物体.可见光的光学显 微镜的放大倍数最大到600 00倍.
可见光是电磁波,电磁波是电场强度和磁感应强度振动的传播. 电磁波是横波,即电场强度和磁感应强度振动的方向总是垂直于电磁波的 传播方向的.电场强度振动的方向称为光的偏振方向,偏振方向确定的光称为 线偏振光.太阳或一般光源发射的是自然光,在垂直于传播方向的各方向上电 场强度的振动是均匀的,称为无偏振光.有些特殊的光源发出的光是线偏振 光.偏振片是只能允许某一方向振动的线偏振光通过的透镜片.可以用自然光 透过偏振片来获得线偏振光.自然光透过偏振片后,只剩下线偏振光,其强度 至少降低一半.可以利用偏振片来检测光是否是偏振光,是否是部分偏振光, 是否是线偏振光.如果是偏振光还可以确定偏振方向.最简单的获得线偏振光 的方法是按布儒斯特(Brewster)角镜面反射的方法.如果玻璃的折射率为n= 1.5,当光以57°的入射角射到玻璃表面时,反射光只有垂直于入射面的偏振 光.这个角称为布儒斯特角. 1 6第八章 波动、通讯技术的物理基础
比红光波长更长的电磁波是红外线,又称热线.红外线的波长范围大约在 70 000.. A到1mm的范围内.红外线看不见,但受到强的红外线照射时,有热的 感觉.把一块金属,例如铁烧到很高温度时,铁就被烧红了,这表明处于高温 度的铁已经不断发射出红光了.其实这时铁还同时不断发射出红外线来,只是 红外线不能直接被人的眼睛看到,但人们可以通过受到强的红外线照射时的热 的感觉来察觉射来了红外线.当铁的温度降低后,铁的颜色又变黑了.这时铁 虽然仍然处于高温但已经不在发射红光了,但仍然会辐射出大量的
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