Физика для поступающих в вузы - Бутиков Е.И.
Скачать (прямая ссылка):
Рис. 14.6. Направления секторов Е и В в волне, излучаемой осциллирующим вдоль оси г зарядом.
414
волны
вихревого электрического поля, которое перпендикулярно породившему его магнитному полю. Таким образом, при распространении волны электрическое и магнитное поля поддерживают друг друга, оставаясь все время взаимно перпендикулярными. Так как в бегущей волне изменение электрического и магнитного полей происходит в фазе друг с другом, то мгновенный «портрет» волны (векторы
Рис. 14.7. Электрическое и магнитное поля в бегущей линейно поляризованной волне.
Е и В в разных точках линии вдоль направления распространения) имеет вид, показанный на рис. 14.7. Такая волна называется линейно поляризованной. Совершающий гармоническое колебание заряд излучает по всем направлениям линейно поляризованные волны. В бегущей по любому направлению линейно поляризованной волне вектор Е все время находится в одной плоскости.
Возможны и другие виды поляризации поперечных электромагнитных волн. Если, например, вектор Е в некоторой точке при прохождении волны равномерно вращается вокруг направления распространения, оставаясь неизменным по величине, то волна называется циркулярно поляризованной или поляризованной по кругу. Мгновенный «портрет» электрического поля такой волны показан на рис. 14.8. Волну круговой поляризации можно получить при сложении двух распространяющихся в одном направлении линейно поляризованных волн одинаковой частоты и амплитуды, векторы электрического поля в которых взаимно перпендикулярны. В каждой волне вектор электрического поля в каждой точке совершает гармоническое колебание. Чтобы при сложении таких взаимно перпендикулярных колебаний получилось вращение результирующего вектора, необходим сдвиг фаз на п/2. Другими ело-
§ 14. ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ ВОЛНЫ
415
рами, складываемые линейно поляризованные волны должны быть сдвинуты на четверть длины волны друг относительно друга.
Наряду с энергией электромагнитная волна обладает и импульсом. Если волна поглощается, то ее импульс
Рис. 14.8. Электрическое поле в бегущей циркулярно поляризованной
волне.
передается тому объекту, который ее поглощает. Отсюда следует, что при поглощении электромагнитная волна оказывает давление на преграду. Объяснить происхождение давления волны и найти величину этого давления можно следующим образом.
Падающая волна взаимодействует с электрическими зарядами, входящими в состав любого тела.
Сила, с которой электрическое и магнитное поля волны действуют на заряд д, равна
F= qE + qvxB, (14.11)
где v — скорость движения этого заряда. В бегущей электромагнитной волне в любой момент времени В=Е!с\ поэтому при v<g.c второе слагаемое в (14.11) — сила Лоренца — всегда много меньше первого. Но именно с силой Лоренца связано давление, оказываемое волной, в то время как первое слагаемое, qE, определяет энергию, поглощаемую преградой. На рис. 14.9 показано падение линейно поля-
Рис. 14.9. Падение линейно поляризованной волны на поглощающую преграду.
416
ВОЛНЫ
ризованной волны на преграду: ось г выбрана по направлению распространения волны, ось х — вдоль направления колебаний вектора Е. Будем считать, что движение заряда в поглощающей волну преграде вызвано электрическим полем волны и поэтому векторы Е и v направлены по одной прямой. Тогда поглощаемая зарядом мощность Р равна
Действующая на заряд сила Лоренца перпендикулярна векторам v и В и направлена по оси г:
Сравнивая это выражение с выражением для поглощаемой мощности (14.12), находим
Так как взаимодействие волны с зарядом q в среднем приводит к поглощению энергии волны, то среднее за период значение поглощаемой мощности положительно. Поэтому и действующая на заряд средняя сила направлена в ту же сторону, что и волна.
Будем считать, что вся энергия падающей волны поглощается преградой. Так как иа единицу площади поверхности преграды в единицу времени волна приносит энергию j~cw, то оказываемое волной при нормальном падении давление р равно плотности энергии волны w: p=w. Сила давления поглощаемой электромагнитной волны сообщает преграде в единицу времени импульс, равный, согласно формуле (14,14), поглощенной энергии, деленной на скорость света с. А это означает, что поглощенная электромагнитная волна обладала импульсом, величина которого равна энергии, деленной на скорость света.
Впервые давление электромагнитных волн экспериментально было обнаружено П. Н. Лебедевым в 1900 году в исключительно тонких опытах.
р р. 1) = цЕ- v — (jExvx.
(14.12)
FqvxBг
Так как Ву (i)—Ex(i)/c, то
к _ ЯЕХ1’Х 1 2
(14.13)
(14.14)
5. ОПТИКА. ТЕОРИЯ ОТНОСИТЕЛЬНОСТИ
ВОЛНОВАЯ ОПТИКА
§ 1. Свет как электромагнитные волны.
Интерференция
Оптика — это учение о физических явлениях, связанных с распространением коротких электромагнитных волн, длина которых составляет приблизительно 10“б—10-7 м. Значение именно этой области спектра электромагнитных волн связано с тем, что внутри нее в узком интервале длин волн от 0,40 до 0,76 мкм лежит участок видимого света, непосредственно воспринимаемого человеческим глазом. С точки зрения физики происходящих процессов выделение столь узкой области видимого света не имеет особого смысла, поэтому в понятие «оптический диапазон» включают обычно еще и инфракрасное и ультрафиолетовое излучение. Но и для них принятые границы спектра достаточно условны. По существу, эти границы определяются используемыми способами получения и регистрации электромагнитных волн.
