电动力学_郭芳侠_电磁波的传播 (1)

1、第四章 电磁波的传播1. 真空中的波动方程，均匀介质中的定态波动方程和亥姆霍兹方程所描述的物理过程是什么？从形式到内容上试述它们之间的区别和联系。解：真空中的波动方程：，。表明：在，的自由空间，电场与磁场相互激发形成电磁波, 电磁波可以脱离场源而存在。真空中一切电磁波都以光速c传播。适用于任何频率的电磁波,无色散.均匀介质中定态波动方程：，其中。当电磁场在介质内传播时，其与一般随变化，存在色散,在单色波情况下才有此波动方程。亥姆霍兹方程：表示以一定频率按正弦规律变化的单色电磁波的基本方程，其每个解都代表一种可能存在的波模。2. 什么是定态电磁波、平面电磁波、平面单色波？分别写出它们的电场表示式

2、。从形式到内容上试述它们之间的区别和联系。解：（1）定态电磁波：以一定频率作正弦振荡的波称为定态电磁波，即单色简谐波。（2）平面电磁波：等相位面与波传播方向垂直且沿波矢量传播的电磁波。（3）平面单色波：以一定频率作正弦振荡的平面波称为平面单色波。3. 在的定态电磁波情形麦氏方程组的形式如何？为什么说它不是独立的，怎样证明？不是独立的，是否等于说有的方程是多余的呢？试解释之。解：定态电磁波情形麦氏方程组的形式为： 对（1）和（2）取散度可得（3）(4)两式，所以它不独立。不独立不表示方程多余，定态电磁波只是一种特殊情形,在更普遍的情况下，麦氏方程组四个方程分别描述了场的不同方面。4. 设有一电磁

3、波其电场强度可以表示为 。试问它是否是平面时谐波（平面单色波）？为什么？答;不是。因为做傅立叶展开后，可以看成是无数个平面单色波的叠加。如令则是两个单色波的叠加。5试述平面单色波在均匀介质中具有哪些传播特性？并且一一加以证明。解：特性：是横波，且有右手螺旋关系证：，得证。6. 在自由空间中，求：(1)波数以及波的传播方向,(2) 解: 已知电场 (1)由电场表示式知:.电磁波沿z方向传播(2)自由空间中, =7. 研究反射、折射问题的基础是电磁场在两个不同介质分界面上的边值关系，但为什么只需用两式，可否用另两式呢？解：边值关系：对时谐电磁波，麦氏方程组不独立，由前两式可得后两式，相应的边值关系

4、也不独立，当成立时，法向分量的边界条件自然满足。8. 试述入射波、反射波、折射波的频率、相位、传播方向和振幅各有些什么关系？解：频率关系：， 振幅与相位关系：传播方向：反射波矢和折射波矢和入射波矢在同一平面上， 9. 全反射时有什么特点？若要使线偏振的入射波通过全反射波反射成为圆偏振波，则对介质有什么要求？解：特点：a.发生全反射时，折射波的波矢量垂直于界面的分量变为复数,折射波随进入深度所得增加而迅速衰减.b. 折射波的平均能流只有平行于界面的分量,能量主要集中在交界面附近厚度为的薄层内，反射波的平均能流密度等于入射波的平均能流密度，即对平均时间来说，入射波的能量全部被反射。要使线偏振的入射

5、波通过全反射波反射成为圆偏振波，则全反射波的两个分量振幅必须相等，相差等于反射波的菲涅尔公式： （1） （2）由折射定律，全反射发生时， （3） 将三式代入（1），（2）式，得： （4） (5)可以看出, .设,由（4）,(5)式得: (6) 当入射波的线偏振时, 相位相同.经反射后相位不相同,当 时,且相差时, (7)反射成为圆偏振波.于是由(6),(7)得: (8)结论: 当线偏振的入射波电矢量的两个分量的振幅相等,并且入射角和相对折射率满足(8)式时,反射波便成为圆偏振波.10. 当光以布儒斯特角入射时，反射光变为垂直于入射面的完全偏振光。但人们要想得到完全偏振光,不直接采用反射的完全偏

6、振光，往往通过一组平行玻璃板把垂直于入射面的偏振光滤掉，得到平行于入射面的完全偏振光，为什么？已知玻璃的布儒斯特角为56。答:反射光虽然是完全偏振光，但它的强度太小而按题中的做法，可得折射光（平行于入射面的完全偏振光） 11.有哪些理由足以说明光波是频率在一定范围内的电磁波？解：真空中电磁波的传播速度和光波在真空中的传播速度都是c,且不需要任何介质。光波的反射、折射、干涉、衍射规律与电磁波遵循相同的规律。 12. 试推出导体中定态电磁波波动方程的两种不同形式以及亥姆霍兹方程，并与介质中的相应方程进行比较，阐明它们之间有何异同之处？解：良导体中：，代入麦氏方程组得：，对前两式取旋度得波动方程：与

7、介质中的方程相比多了与时间的一次导数项，表明传导电流使电磁波传播不断损耗为一个不可逆过程。定态电磁波：，代入麦氏方程组得：其中：，由第一式解出代入第二式可得：，即亥姆霍兹方程。与介质中的最大区别在于复数,如果是绝缘介质, ,都是实数,上述亥姆霍兹方程便过渡为绝缘介质中定态电磁波的方程.13. 波矢量k的物理意义是什么？如何理解导体中的波矢量？衰减常量的方向如何确定，相位常量的方向又如何？解：波矢量是描述电磁波传播方向的一个矢量，其量值称为波数，导体中波矢量为一复矢量。 波矢量的实部描述波的传播的相位关系，虚部描述波幅的衰减。将，代入比较实部和虚部得： 由边界条件可确定，的方向。再代入上式确定，

8、的大小.在良导体内，垂直于表面，也很接近法线方向。14. 电磁波在导体中和在介质中传播时存在哪些差别？答：导体与绝缘介质本质差异在于导体有自由电子，电磁波进入导体后必将引起传导电流，电场对传导电流做功使得电磁波能量转化为焦耳热，故在导体中传播电磁波是一个衰减波。绝缘介质中传播电磁波振幅不衰减绝缘介质平面电磁波电场与磁场相位相同, 导体平面电磁波电场与磁场相位不相同绝缘介质平面电磁波电场与磁场能量相等, 导体中磁场能量远大于电场能量.15. 设电子浓度为，电量为e，质量为m，在空气中电子在电磁波的作用下以速度运动，设电磁波的角频率为，电子的运动方程近似地为：式中为电子与气体分子碰撞频率，且设为常

9、数。已知：，试讨论电子对空气的和的影响如何。解：将,代入电子的运动方程:,得:,空气中的电流密度,于比较 ,空气电导率其中实部可见, 空气中电子的存在使得空气变成导体,电导率出现虚部,说明有欧姆能量损耗,另外空气的电容率由变为,当电子浓度为,当对空气的磁导率没有影响.16. 将一般的边值关系用到波导内表面处，因设波导为理想导体，n为由理想导体指向管内的法向单位矢量，故除外，还有哪几个关系式，它们的作用如何？对于亥姆霍兹方程的解必加的条件可如何应用？解：在导体表面有边界条件： 当前面两式满足时，后面两式自然满足。，说明方向平行于表面，说明只有n方向分量， 考虑，即得：17. 何谓TM波、TE波和

10、TEM波？比较一下TEM波与平面单色波之间的关系如何？答：在波导内传播的波，电场E和电磁场H不能同时为横波，设波沿Z方向传播，波模的波称为横电（TE）波，波模的波称为横磁（TM）波；TEM波则为的横波，平面单色波需满足，同相且相互垂直，沿波矢方向，故平面单色波是TEM波，而TEM波未必是平面单色波。18. 我们要用波导内的电场，沿z方向加速一个带电粒子，应在波导中建立什么波型电磁场？解：应建立TM波，从而在z方向上有电场可以加速电子。19. 有相距为L的两无穷大理想导体板，设轴垂直板面，在导体板间传播的波场与y无关。问在何种条件下，能得到TE型、TM型、TEM型波？写出其表示式。解：导体板间的

11、电磁波满足亥姆霍兹方程，设电场的通解为：，由边界条件和得：，其中，又由：。再由，可得，分析知当A10时得到TEM波：20. 为什么谐振腔最低频率是，而不是? 答: 中的m,n,p最多只能有两个为零，如果有2个或都为零，则由知谐振腔内场强。21.矩形波导中的电场强度和磁感应强度沿传播方向的分量不同时为零，这一结论似乎违背了电磁波是横波的论断，请解释这一现象。 答：实际上波导管的轴线方向并不是波的真正传播方向。在波导管中的电磁波是在被管壁多次反射曲折前进的。由于多次反射波叠加，在垂直于波导轴线方向成为驻波，而使合成波沿轴线方向前进。22.低频电磁波用双线传输，较高频用同轴线，更高频时用波导传输。试问高频电磁波用双线传输或低频电磁波用波导传输，可以