ch91光的电磁性质.ppt

物理光学PhysicsOptics 物理光学是研究光的物质属性 光的产生机制 光的传播规律 光与物质 光与光相互作用规律的一门科学 教学要求掌握波动光学的基础知识 正确理解光的电磁基础理论 掌握光的干涉 衍射 偏振的基本概念和结论 能分析 解释和解决波动光学中的一些基本现象和问题 为今后设计光学仪器和进一步学习光电检测 信息光学及近代光学 激光技术及应用 光纤技术及应用等后续课程打下基础 主要参考书1梁铨廷编 物理光学 北京 电子工业出版社 2008 2刘晨主编 物理光学 合肥 合肥工业大学出版社 2007 3赵凯华 新概念物理教程光学卷 北京 高等教育出版社 2004 CH 9 目标要求 1 了解麦克斯韦方程组 物质方程 2 掌握光的电磁波表达形式和电磁场的复振幅描述 3 理解光强的概念 掌握相对光强的计算 4 掌握光在介质分界面的反射 折射和全反射 熟悉用菲涅耳公式计算反射或透射光波的振幅 光强和能流 理解半波损失 5 掌握布儒斯特定律 6 了解光的吸收 色散和散射现象及经典理论 7 掌握同频率同振动方向的光波的叠加 8 理解频率相同 振动方向相互垂直的两光波的叠加 9 掌握复杂光波的傅里叶分析 10 领会群速度 相速度的概念 了解光拍 光驻波 CH 9 重点难点 1 光强的概念及计算 2 全反射条件及布儒斯特定律 3 同频率同振动方向的光波的叠加 4 复杂光波的傅里叶分析 5 本章的难点是用菲涅耳公式计算反射或透射光波的振幅 光强和能流 19世纪60年代 Maxwell建立经典电磁理论 同时 他把光学现象和电磁现象联系起来 指出光也是一种电磁波 从而产生光的电磁理论 第九章光的电磁理论 第一节光的电磁性质 一 电磁场的波动性 一 麦克斯韦方程组 麦克斯韦方程组是麦克斯韦把稳定电磁场 静电场和稳恒电流的磁场 的基本规律推广到不稳定电磁场的普通情况而得到的 麦克斯韦方程组和物质方程一起组成完整的方程组 用于描写时变场情况下电磁场的普遍规律 物质方程 二 电磁场的波动性 1 任何随时间变化的磁场在周围空间产生电场 这种电场具有涡旋性 2 任何随时间变化的电场 位移电流 在周围空间产生磁场 磁场是涡旋的 电场和磁场紧密相联 其中一个起变化时 随即出现另一个 它们相互激发形成统一的场 电磁场 交变电磁场在空间以一定的速度由近及远的传播 就形成了电磁波 根据矢量分析基本公式 B和H 不考虑磁极化问题 两者方向相同 B是H与极化的合成 上述两式具有一般的波动微分方程的形式 表明E和H随时间和空间的变化是遵循波动的规律的 电磁场以波动形式在空间传播 电磁波的传播速度 与介质的电学和磁学性质有关 称为波动微分方程 表明电场和磁场以波动形式在空间传播 当电磁波在真空中传播时 其传播速度为 电磁波在真空中的传播速度为 这一数值与实验测定的光在真空中的传播速度一致电磁波具有与光波相同的反射 折射 相干 衍射和偏振特性 它的传播速度等于光速 称电磁波在真空中的速度与介质中速度的比值为介质对电磁波的折射率 对于非磁性介质 可见光波长约为380 760nm 光频为8 1014 4 1014Hz 400nm紫 760nm红 400 450 500 550 600 650 760nm紫蓝绿黄橙红 二 平面电磁波及其性质 一 平面简谐电磁波的波动公式 假设平面波沿直角坐标系xyz的z方向传播 平面简谐电磁波的波动公式为 对于光波来说 就是平面单色光波的波动公式 式中 分别是电场和磁场的振幅矢量 表示平面波的偏振方向和大小 是平面波在介质中的传播速度 称为相位 是时间和空间坐标的函数 表示平面波在不同时刻空间各点的振动状态 利用物理量之间的关系 引入波传播方向上的波矢量 其大小k 称为空间角频率或波数 为 所以 波动公式可写成 单色光波波动公式最显著的特点是它的时间周期性和空间周期性 它表示单色光波是一种时间无限延续 空间无限延伸的波动 而任何时间周期性和空间周期性的破坏 都意味着单色光波单色性的破坏 波长称为单色光波的空间周期 波长的倒数称为空间频率 波数成为空间角频率 单色光波的时间周期性和空间周期性通过传播速度由决定 对于光来说 它也包含了电矢量和磁矢量 从波的传播来看 电矢量和磁矢量处于同等的地位 但从光与物质的作用来看 两者不相同 通常把电矢量称为光矢量 把的振动称为光振动 在讨论光的振动性质时 只考虑电矢量即可 复数形式的平面简谐电磁波的波动公式 复振幅为 二 平面电磁波的性质 由麦克斯韦方程组讨论平面电磁波的性质 1 平面电磁波是横波 波的传播方向与电场方向垂直 波的传播方向与磁场方向垂直 2 波矢 电场 磁场相互垂直 3 电场 磁场同相位 三 球面波和柱面波 四 光波的辐射和辐射能 光是电磁波 光源发光是物体辐射电磁波的过程 物体微观上可认为由大量分子 原子 电子所组成 可看成电荷体系 大部分物体发光属于原子发光类型 一 电偶极子辐射模型经典电磁理论把原子发光看成是原子内部过程形成的电偶极子的辐射 在外界能量的激发下 原子中电子和原子核不停运动 以致原子的正电中心 原子核 和负电中心 高速回转电子 往往不重合 且两者的距离不断变化 使原子成为一个振荡的电偶极子 振荡电偶极子在周围空间产生交变的电磁场 并在空间以一定的速度传播 伴随着能量的传递 二 对实际光波的认识实际光源发出的光波并不是在时间和空间上无限延续的简谐波 而是一些有限长度的衰减振动 是由被称为波列的光波组成的 这是由于原子的剧烈运动 彼此间不断碰撞 辐射过程常常中断 因而原子发光是断断续续的 原子每次发光的持续时间是原子两次碰撞的时间间隔 持续时间很短 大约10 8 10 9秒 原子发出的光波由一段段有限长的称为波列的光波组成 每段波列 其振幅在持续时间内保持不变或缓慢变化 前后各段之间无固定的位相关系 甚至光矢量的振动方向也不同 实际光源辐射的光波无偏振性 实际光源由大量原子和分子组成 所发出的光振动方向杂乱无章 在观察时间内 每个原子发生多次辐射 每次辐射的振动方向和位相无规则 实际光源辐射的光不是偏振光而是自然光 光的光矢量在垂直于传播方向的平面内以极快的速度取0 360 内的一切可能的方向 且没有哪一个方向占有优势 具有上述特性的光 称为自然光 偏振性 振动方向对于传播方向的不对称性称为偏振性 例 普通单色光 10 2 100A 激光 10 8 10 5A 衡量单色性好坏的物理量是谱线宽度 理想的单色光具有恒定单一波长的简谐波 它是无限伸展的 实际原子的发光是一个有限长的波列 所以不是严格的余弦函数 只能说是准单色光 即在某个中心频率 波长 附近有一定频率 波长 范围的光 三 辐射能电磁波的传播过程伴随着能量在空间的传递 空间某一区域中单位体积的辐射能可以用电磁场的能量密度w表示 电场能量密度和磁场能量密度 辐射强度矢量 坡印亭矢量 描述电磁能量的传播 的方向表示能量流动的方向 其大小等于单位时间垂直通过单位面积的能量 能量的方向沿着波的传播方向 对于光波 电场 磁场变化迅速 变化频率在1015赫兹左右 的值也迅速变化 无法接收的瞬时值 只能接收其平均值 称辐射强度矢量的时间平均值为光强 记为I 对