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03 光波 Waves(第2页)

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波的特点是什么?波是与介质有关的一种波动形式,例如池塘表面的水波,这些波是由水分子在水与空气界面处的上下运动形成的。

这种运动的最高点和最低点即为水波的波峰和波谷,而水波本身沿着池水表面运动,也就是说水波的运动方向与水分子的运动方向垂直。

因此,它被称为横波。

它的波速取决于水的深度等因素。

图16 水面上的圆形波:a.等高线,也称为波前;b.在某特定时刻,波的高度与距中心位置距离间的关系图;c.在水面某特定位置,波的高度和时间之间的关系图

如图16a所示,一块石头被抛入水中,圆形的表面波从石头入水处产生,并往外扩散,这是一种很常见的现象。

相邻波峰之间的距离称为波长(见图16b)。

波峰到达岸边的速率称为波的频率(见图16c)。

波长和频率的乘积称为波速。

很多个世纪以来,人们一直有个疑问,光究竟是由哪种波组成的?一些人认为波的存在需要某种介质。

由于光的速度很大,所以这个介质必须非常坚硬,但是这样又会导致其他物体很难穿过它。

比方说,我们之所以能够看到遥远的恒星,肯定是存在某种介质使得光得以在恒星和地球之间传播。

地球在围绕太阳运转的过程中必然会不断地穿入并穿出这种介质。

这种神秘的介质被称为“以太”

,直到19世纪末,它才不再被视为一个有用的概念而被抛弃。

所以,光是什么样的波呢?这个问题最终由詹姆斯·克拉克·麦克斯韦(JamesClerkMaxwell)在19世纪提供了答案。

他指出这是一种新的实体的振动:电磁场。

电磁场是作用在电荷和磁性材料上的力。

例如,一块带有静电的布会吸附灰尘颗粒,一块磁铁会被吸附到冰箱门上。

在第二个例子中,当你手拿着磁铁靠近冰箱门时,你的手就能感受到这种力:磁铁会加速靠近冰箱门,除非你给磁铁施加一个反向的作用力。

在上面两个例子中,都存在一种力将一个物体拉向另一个物体。

在第一个例子中,布上的电荷产生电场,因而在离布一定距离之内的灰尘将受到源自该电场的力。

同样,冰箱门受到的作用力源自磁铁产生的磁场。

19世纪早期,迈克尔·法拉第(MichaelFaraday)就已经证明了电场和磁场之间存在紧密的联系。

麦克斯韦把电场和磁场合在一起,称为电磁场。

在波动模型中,光可以看做是电磁场的高频振**。

基于这个观点,移动的电荷可以产生光波。

我将在第5章中讨论这种方法以及其他产生光的方法。

干涉

如果将两块石头扔到水里相距较近的位置,那么从这两个位置就会产生两组圆形波向外扩散并最终相遇。

在波与波叠加的地方,波峰会变得更高。

在水面上也有另外一些可以连接成线的地方,尽管两个波都经过,却没有丝毫高低起伏。

这些线的位置如图17所示,一般都是沿着波前(波源发出的振动经相同时间所到达的各个波峰点组成的面,见图17a中灰色的同心圆线,圆心则为波源位置)。

图17 a.水面上两个圆形波相互干涉。

灰色的线是等相位线。

b.两个波的波程相同,彼此之间发生相长干涉。

c.两个波的波程相差半个波长,彼此之间发生相消干涉

这种现象被称为干涉,它是由两个波相遇时的振幅相加而产生的。

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