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1、球面波和柱面波略第1页，共20页，编辑于2022年，星期日四、光波的辐射和辐射能四、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。分物体发光属于原子发光类型。第2页，共20页，编辑于2022年，星期日（一）电偶极子辐射模型（一）电偶极子辐射模型 经典电磁理论把经典电磁理论把原子发光原子发光看成是看成是原子内部过程形成的电偶极原子内部过程形成的电偶极子的辐射子的辐射。在外界能量
2、的激发下，原子中电子和原子核不停运动，以致原在外界能量的激发下，原子中电子和原子核不停运动，以致原子的子的正电中心正电中心（原子核）和（原子核）和负电中心负电中心（高速回转电子）往往不（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。间以一定的速度传播，伴随着能量的传递。第3页，共20页，编辑于2022年，星期日（二）实际光波的认识（二）实际光波的认识 实际光源发出的光波并不是在
3、时间和空间上无限延续的简谐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，而是一些波，而是一些有限长度的衰减振动。有限长度的衰减振动。是由被称为是由被称为波列波列的光波组成的。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。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，大约续时间很短，大约1010-8-81010-9-9秒。秒。第4页，共20页，编辑于2022年，星期日不相干不相干(不同原
4、子发的光不同原子发的光)不相干不相干(同一原子先后发的光同一原子先后发的光)原子发出的光波由一段段有限长的称为波列的光波组成；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。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。第5页，共20页，编辑于2022年，星期日实际光源辐射的光波无偏振性。实际光源辐射的光波无偏振性。v 实际光源由大量原子和分子组成，所发出的光振动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。方向杂乱
5、无章。v 在观察时间内，每个原子发生多次辐射，每次辐射的振动在观察时间内，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。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。实际光源辐射的光不是偏振光而是自然光。第6页，共20页，编辑于2022年，星期日光的光矢量在垂直于传播方向的平面内以极快的速光的光矢量在垂直于传播方向的平面内以极快的速度取度取0 0360360内的一切可能的方向，且没有哪一个方向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。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。偏振性：振动方向对于
6、传播方向的不对称性称为偏振性。第7页，共20页，编辑于2022年，星期日理想的单色光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。具有恒定单一波长的简谐波，它是无限伸展的。实际原子的发光实际原子的发光是一个有限长的波列是一个有限长的波列,所以不是严格的余弦函数所以不是严格的余弦函数,只能说是只能说是准单色光，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。（波长）范围的光。第8页，共20页，编辑于2022年，星期日例例:普通单色光普通单色光 :10-2 10 0A 激光激光 ：10-8 10-5 A 0 0II0I0/2谱线宽度谱
7、线宽度衡量单色性好坏的物理量是衡量单色性好坏的物理量是谱线宽度谱线宽度 第9页，共20页，编辑于2022年，星期日（三）辐射能（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中单位体积的辐射能可以用电磁场的能量密度w w表示。表示。电场能量密度和磁场能量密度电场能量密度和磁场能量密度第10页，共20页，编辑于2022年，星期日辐射强度矢量辐射强度矢量-坡印亭矢量坡印亭矢量 （描述电磁能量的传播）（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的方向表示能量流动的方
8、向，其大小等于单位时间垂直通过单位面积的能量。通过单位面积的能量。第11页，共20页，编辑于2022年，星期日平面简谐波：平面简谐波：能量的方向沿着波的传播方向。能量的方向沿着波的传播方向。第12页，共20页，编辑于2022年，星期日对于光波，电场、磁场变化迅速，变化频率在对于光波，电场、磁场变化迅速，变化频率在10101515赫兹左赫兹左右，右，的值也迅速变化，无法接收的值也迅速变化，无法接收 的瞬时值，只能接的瞬时值，只能接收其平均值。称辐射强度矢量的时间平均值为光强，记为收其平均值。称辐射强度矢量的时间平均值为光强，记为I I。对于平面波的情况，有。对于平面波的情况，有光强光强I I与平
9、面波振幅与平面波振幅A A的平方成正比。的平方成正比。第13页，共20页，编辑于2022年，星期日一个一个100100瓦的灯泡，在距离瓦的灯泡，在距离1010米处的强度（设灯泡在各个方向米处的强度（设灯泡在各个方向均匀发光）为均匀发光）为设设若已知光波强度，可计算光波电矢量的振幅若已知光波强度，可计算光波电矢量的振幅A A。第14页，共20页，编辑于2022年，星期日对于一束对于一束10105 5瓦的激光束，用透镜聚焦到瓦的激光束，用透镜聚焦到1010-6-6cmcm2 2的截面积上，的截面积上，因而在透镜焦面上激光束的强度为因而在透镜焦面上激光束的强度为这样强的电场可产生极高的温度，把任何目
10、标烧毁。这样强的电场可产生极高的温度，把任何目标烧毁。第15页，共20页，编辑于2022年，星期日（一）电磁场的连续条件（一）电磁场的连续条件 当电磁波由一种介质传播到另一种介质时，由于介质的物理当电磁波由一种介质传播到另一种介质时，由于介质的物理性质不同，电磁场在界面上将是不连续的。但分界面上的电磁场性质不同，电磁场在界面上将是不连续的。但分界面上的电磁场量具有一定的关系。量具有一定的关系。第二节第二节 光在电介质分界面上的反射和折射光在电介质分界面上的反射和折射 电磁场的电磁场的连续条件连续条件是：是：在没有传导电流和自由电荷的介质在没有传导电流和自由电荷的介质中，磁感强度和电感强度的法向
11、分量在界面上连续，而电场强中，磁感强度和电感强度的法向分量在界面上连续，而电场强度和磁场强度的切向分量在界面上连续。度和磁场强度的切向分量在界面上连续。第16页，共20页，编辑于2022年，星期日在通过分界面时，磁感强度的法向分量是连续的在通过分界面时，磁感强度的法向分量是连续的在通过分界面时若没有自由电荷，电感强度的法向分量也是在通过分界面时若没有自由电荷，电感强度的法向分量也是连续的连续的第17页，共20页，编辑于2022年，星期日在通过分界面时，电矢量的切向分量是连续的在通过分界面时，电矢量的切向分量是连续的在通过分界面时若没有面电流，磁矢量的切向分量也是连续在通过分界面时若没有面电流，
12、磁矢量的切向分量也是连续的的第18页，共20页，编辑于2022年，星期日（二）光在两电介质分界面上的反射和折射（二）光在两电介质分界面上的反射和折射 q光波的光波的振动面振动面是指电场矢量的方向与入射光线组成的平面。是指电场矢量的方向与入射光线组成的平面。q任一方位振动的光矢量任一方位振动的光矢量E都可以分解成互相垂直的两个分量。都可以分解成互相垂直的两个分量。q光波的光波的入射面入射面是指界面法线与入射光线组成的平面。是指界面法线与入射光线组成的平面。对任一光矢量，只要分别讨论两个分量的变化情况就可以了。对任一光矢量，只要分别讨论两个分量的变化情况就可以了。称称平行于入射面振动的分量平行于入射面振动的分量为光矢量的为光矢量的p分量，记为分量，记为EP。称称垂直于入射面振动的分量垂直于入射面振动的分量为光矢量的为光矢量的s分量，记为分量，记为ES。第19页，共20页，编辑于2022年，星期日反射定律和折射定律（电磁场连续条件）反射定律和折射定律（电磁场连续条件）（斯涅耳定律）（斯涅耳定律）第20页，共20页，编辑于2022年，星期日