光的电磁理论基础及光波的基本概念ok
电磁学光的电磁波性质知识点总结
电磁学光的电磁波性质知识点总结光是一种电磁波，具有波粒二象性，既可以被看作是一种波动现象，也可以被看作是一种由光子组成的微粒流动现象。
光的电磁波性质包括波长、频率、光速、偏振等方面。
下面将对这些知识点进行详细总结。
1. 波长波长是指光波传播一个完整周期所需的距离。
波长通常用λ来表示，单位是米。
不同颜色的光波有不同的波长范围，可见光的波长范围大约为400-700纳米。
2. 频率频率是指光波单位时间内的振动次数。
频率通常用ν来表示，单位是赫兹（Hz）。
光波的频率与波长之间存在倒数关系，即ν=c/λ，其中c是光速。
3. 光速光速是光在真空中传播的速度，约为3.00×10^8米/秒。
光速是自然界中最快的速度，能够以每秒300,000公里的速度传播。
4. 偏振偏振是指光波振动方向的特性。
一束自然光是由许多不同方向的光波叠加而成的，它的振动方向是无规律的。
而偏振光则是指光波在特定方向上振动的光。
偏振光在光的传播过程中有着重要的应用，如偏光镜可以用来过滤掉特定方向上的光。
5. 干涉和衍射干涉和衍射是光波的特性现象。
干涉是指两束或多束光波相遇时产生的互相加强或抵消的现象。
干涉实验可以用来验证光是波动性质的重要实验之一。
而衍射是指光通过一个小孔或通过一个物体的边缘时，光波会发生向四周扩散的现象。
6. 折射和反射折射和反射是光与界面相交时产生的现象。
折射是指光由一种介质传播到另一种介质时，由于介质密度的不同，光线发生偏离原来的方向。
反射是指光与界面相交并从原来的介质中返回的现象。
折射和反射在光学中有着重要的应用，如透镜和镜子等。
7. 光的色散色散是指光在穿过不同介质时，由于介质的折射率不同，不同波长的光产生不同程度的折射。
这导致了光的分离，形成七彩虹谱。
色散现象在光学仪器中是很常见的，如光谱仪和棱镜等。
总结：光的电磁波性质涉及了波长、频率、光速、偏振、干涉、衍射、折射、反射和色散等方面知识点。
了解这些性质有助于我们深入理解光的本质以及光在自然界和应用中的作用。
第一章 光波的基本性质
= （7.6 4.0）1014 HZ ．
760 630 600 570 500 450 430 400(nm)
红
橙
黄
绿
青
蓝
紫
第 一 章 光波的基本性质
电磁波谱
第 一 章 光波的基本性质
第二节 光波的波函数 描述光波动的物理量E和B随时间和空 间变化的函数称为波函数。 通常把光波中的电场矢量称为光矢量， 把电场的振动称为光振动，在讨论光的波 动持性时，只考虑电场矢量即可。
T
第 一 章 光波的基本性质
（3）空间参量与时间参量的关系 空间参量描述的是在某一个确定的时刻，即时间 不改变时，波的位相随空间坐标的变化； 当时间不变时，波在空间的形状完全由空间参量 来表示； 时间参量描述的是空间某考察点处波的位相随时 间的变化。 而对于空间某一个固定的点而言，随时间改变， 波形自然也会改变，这一改变就由时间参量来决 定。
c
1
0 0
2.99794 108 m / s
第 一 章 光波的基本性质 根据我国的国家标准 GB3102.6-82， 真空中的光速为 c=(2.997 934 58±0.000 000 012)×１０8m/s 为表征光在介质中传播的快慢， 引入光折射率：
n
因此， 折射率可表示为
c
r r
2 B E 2 t t
(1.15)
2
( A) ( A) A
E 2 E 2 0 t 2 B 2 B 2 0 t
2
将（1.11）（1.14） （1.15）代入可得 同理可得
的方程， 即是物质方程： D=εE
B=μH
第11节光的电磁理论-PPT精品
Imin
I m iI 1 n I 2 2I 1 I 2
-4
-2
煤o师院物理系2 从守民4
6
II1I22I1I2cos 4
----I1、I2为两相干光单 2
I
独在P点处的光强
0
若 I1 I2 ，则
2
明纹光强 Imax4I1
4 6
暗纹光强 Imin 0
l1 l2
lm
光程有可加性 L = ( ni li )
(2) 光程差
(nrnr)
22
11
光程差与 位相差（同频率光源）：
r1 n 1
r2 n 2
2 r2 2r1 1 2 n 2r2n 1 r1 2 煤师院物理系/从守民
I
n
2
c
A2
0
为描述方便，取相对光强
nr
I A2 煤师院物理系 从守民
复习：谐振动的旋转矢量表示法
OM A 逆时针旋转
t =0： x0 Acos
t 时刻
M
A
M1
A t A M 0
xAcots()振幅矢量 O
x x0
x
参考圆
煤师院物理系 从守民
波源振动
E10A1co st01 E20A2co st02
煤师院物理系 从守民
第1.1节 光的电磁理论
一、光是某一波段的电磁波
1.在真空中电磁波的传播速度:
c
1
00
Y
E
O
X
H Z
煤师院物理系 从守民
2.折射率
nc v
rr
连接光学和电磁学的桥梁。
物理光学-第一章-光的电磁理论-1
电磁波在长波端表现出显著的波动性，而在短波 端则表现出极强的粒子性。 对于光波来说，其波粒二象性的特征表现得更为 突出。(h=6.626×10-34JS）
E h , p
h
h 0, 0 几何光学 h 0, 0 波动光学 h 0, 0 量子光学
S EH
E 、H和S之间满足右手螺旋关系
17
第4章 光的电磁理论
1.1.2 电磁场基本方程
光强
由于光的频率太高，只能用光敏探测器检测光辐射 的平均强度。 在实用中, 用能流密度的时间平均值表征光波的能量 传播，称为光强度，以 I 表示。设光探测器的响应 时间为，则
Ax Ay Az A x y z
ˆ x
ˆ y
ˆ z
A x y z Ax Ay Az
11
ˆ ˆ ˆ x y z x y z
第4章 光的电磁理论
1.1.2 电磁场基本方程
由麦克斯韦方程组可知： 不仅电荷和电流是产生电磁场的源，而且时变 电场和时变磁场互相激励，因此，时变电场和 时变磁场构成了不可分割的统一整体——时变 电磁场。 麦克斯韦方程组是电磁理论的核心。从麦克斯韦 方程组出发，结合具体的边界条件及初始条件， 可以定量地研究光的各种传输特性。
第4章 光的电磁理论
5
(4)低能性：THz光子的能量只有10-3eV，无损 检测，适合生物大分子与活性物质结构的研 究； (5)THz辐射具有很好的穿透性，它能以很小 的衰减穿透物质如烟尘、墙壁、布料及陶瓷 等，在环境控制与国家安全方面能有效发挥 作用．
第4章 光的电磁理论
6
1.1.1 电磁波谱
光的电磁理论基础
电磁场的波动性（波动方程） 电磁场的波动性（波动方程）
为简单，讨论在无限大各向同性均匀介质的情况，此时， 为简单，讨论在无限大各向同性均匀介质的情况，此时，介 电常数(电容率） 磁导率μ是常数，电导率σ=0 σ=0。 电常数(电容率）ε、磁导率μ是常数，电导率σ=0。若电 v 磁场远离辐射源， 封闭曲面内的电荷密度ρ=0， 磁场远离辐射源，则封闭曲面内的电荷密度ρ=0， j =0 因此麦克斯韦方程组可简化为： 因此麦克斯韦方程组可简化为：
第四节 光波的叠加
机械波的独立性和叠加性 在机械振动和机械波中我们已注意到从几个振源发出的 波相遇于同一区域时，只要振动不十分强烈， 波相遇于同一区域时，只要振动不十分强烈，就可以保 持自己的特性（频率、振幅和振动方向等），按照自己 持自己的特性（频率、振幅和振动方向等），按照自己 ）， 原来的传播方向继续前进，彼此不受影响。这就是波动 原来的传播方向继续前进，彼此不受影响。这就是波动 独立性的表现。 独立性的表现。 的表现 在相遇区域内， 在相遇区域内，介质中一点的合位移是各波单独传播时 在该点所引起的位移的矢量和，这就是波动的叠加性。 在该点所引起的位移的矢量和，这就是波动的叠加性。 波动的叠加性 这种叠加性是以独立性为条件的，是最简单的叠加。 这种叠加性是以独立性为条件的，是最简单的叠加。
17
二、两个频率相同、振动方向相同的单色光波的叠加 两个频率相同、振动方向相同的单色光波的叠加 单色光波 （一）三角函数的叠加 E1＝A1 cos(kr1 − ωt ) E2＝A2 cos(kr2 − ωt ) 令：kr1＝α1，kr2＝α 2 E＝E1＋E2＝A1 cos(α1 − ωt )＋A2 cos(α 2 − ωt )
第一章光的电磁理论基础详解
卷积的规则
g*h = h*g f *(g *h) = ( f * g)*h f *(g + h) = f * g + f *h
时间信号的傅立叶分析 一个一维时间函数的傅立叶变换定义为
∫ F(ν ) = F.T.{ f (t)} = ∞ f (t) exp(−i2πν t)dt −∞
逆变换
∫ f (t) = F.T.−1{F(ν )} = ∞ F(ν ) exp(i2πν t)dν −∞
平面波可以表示为
U (x, y, z) = Aexp(ik ir ) = Aexp[ik(x cosα + y cos β + z cosγ )]
= Aexp[i2π ( fx x + fy y + fz z)]
fx
=
cosα λ
fy
=
cos β λ
fz
=
cos γ λ
等相位面
k ir −ωt = constant
=
0
⎨
⎪⎪⎩∇2 B
−
1 c2
∂2B ∂t 2
=
0
无源波动方程
介质中波动方程
⎧ ⎪⎪∇2 E ⎨
− με
∂2E ∂t 2
=
0
⎪⎩⎪∇2 H
− με
∂2H ∂t 2
=0
或写成
⎧ ⎪⎪∇2 E ⎨
−
1 v2
∂2E ∂t 2
=
0
⎪⎪⎩∇2 H
−
1 v2
∂2H ∂t 2
=0
在无限大均匀介质中没有自由电荷和传导电流，场矢量的每一个 分量都满足齐次波动方程
dreeeerrrrrr5强场作用下的非线性介质边界条件在两种介质界面上电场强度矢量的切向分量连续21rtrtee210neer磁感应矢量的法向分量在界面上连续2r1nnbbr210nbbrg边界条件界面上磁场强度切向分量21ttshhjr21snhhjrr界面上电位移矢量的法向分量21nnrsdrgd21snddrsj自由电流线密度s自由电荷面密度边界条件21nnbdebde21nn21tt21tthh在无损介质的界面上0s0sj无源波动方程22002r2200200eertbbtrr介质中的麦克斯韦方程组0btedthrrjdbrrrrrgg真空中无自由电荷及传导电流00e00dbjehrrrrrr真空中波动方程2222r22221c01c0eertbbtrr或写成无源波动方程22222200eeththrrrr介质中波动方程或写成222222221v01v0eeththrrrr在无限大均匀介质中没有自由电荷和传导电流场矢量的每一个分量都满足齐次波动方程222222221v01v0iiiiethteixyzhixyz这个方程可以有多种形式的解其中最常见的是在直角坐标系中的平面波解在球坐标下的球面波解及在柱坐标系中的高斯光束解
物理光学教程 第一章 光波的基本性质
3.三维简谐平面波 3.三维简谐平面波
波函数取余弦或正弦形式的三维平面波称为三维简谐平面波,它的波函数可 波函数取余弦或正弦形式的三维平面波称为三维简谐平面波, 以表示为: 以表示为:
E(r, t) = E0 cos(k r kvt +0 )
三维简谐平面波的时间参量T,ν,ω和一维简谐波的意义完全相同,而对 三维简谐平面波的时间参量T 和一维简谐波的意义完全相同, 于空间参量,则有其特殊性,需作进一步说明. 于空间参量,则有其特殊性,需作进一步说明.
1.4.1电磁场的边界条件 1.4.1电磁场的边界条件 1.4.2折 1.4.2折,反射定律 1.4.3菲涅耳公式 1.4.3菲涅耳公式 1.4.4全反射的性质及其应用 1.4.4全反射的性质及其应用
§1.3平面电磁波的 1.3平面电磁波的 性质
1.3.1电磁波的横波性质 1.3.1电磁波的横波性质 1.3.2电磁波的矢量性质 1.3.2电磁波的矢量性质
3.物质方程 3.物质方程
D =ε E 1 H = B
式中ε0≈14π 式中ε0≈14π×9×10F/m,是真空的介电常数.P称为电极化强度矢量,它表 ε0≈14π× 10F/m,是真空的介电常数. 称为电极化强度矢量, 示在电场E作用下,单位体积媒质中分子电偶极矩的矢量和. 示在电场E作用下,单位体积媒质中分子电偶极矩的矢量和.
复振幅表示为E(r)=E rexp[j(kr+φ0 复振幅表示为E(r)=E0rexp[j(kr+φ0)](1-71) E(r)=E0 (1-
3.简谐球面波参量的特点 3.简谐球面波参量的特点
(1)振幅 (1)振幅 (2)位相 (2)位相 (3)球面波的空间周期和空间频率 (3)球面波的空间周期和空间频率 上一页 下一页 返回
光的电磁波理论.ppt
0r H 2
电磁波的能流密度－玻印亭矢量 单位时间内通过与波
的传播方向垂直的单位面积的能量。
光强I－玻印亭矢量的大小
S EH
光强I与光矢量E的平方成正比；
由于光的频率极高，对光信号的测量，一般探测器只能测 量到测量时间内的平均值。＜I＞－A2
波动光学中主要讨论光波的相对强度，常将光矢量振幅的 平方称为光强。I＝A2
1.1 光的电磁理论
1.1.1 麦克斯韦方程组 1.1.2 电磁波与光波 1.1.3 光波在各向同性介质中传播速度及 折
射率 1.1.4 电磁波的横波性 1.1.5 光波的能量分布－光强 1.1.6 光源 1.1.7 单色光波及其描述
12/8/2019 返回第1章
第1章 光的干涉
1.1.1 麦克斯韦方程组
空间各点的光波振幅不随时间变化，形成一个稳定的 振幅空间分布；
初始位相的空间分布与时间无关；
光波的波列在空间上无限延伸、光源发光时间无限长。
若波列是有限长的，则它在行进过程中，空间各点的振幅、位 相分布必定会随时间变化；
若光源发光时间是有限的，则所发波列经傅里叶变换后可发现， 这列光波可以看作是由不同频率的、无限长的平面单色光波的 线性组合而成的。
光谱 光强随波长的分布，不同光源有不同的光谱。 借助于光谱可对物质进行成分分析。
12/8/2019
返回
第1章 光的干涉
光的颜色与频率的对应关系
颜色 中心频率/Hz 中心波长/nm
红
4.5×1014
660
橙
4.9×1014
610
黄
5.3×1014
570
绿
5.5×1014
第1章 光的电磁理论基础
r 与 r 分别称 式中 和 分别称为介质的介电常数和磁导率， 为介质的相对介电常数和相对磁导率。
对于均匀各向同性的色散介质，介电常数和磁导率一般 是电磁场频率的函数。此时，上述物质方程只对单个频率成 立(场量仅对应单个频率成分)，即：
D( ) ( ) E ( ) 0 r ( ) E ( ) B( ) ( ) H ( ) 0 r ( ) H ( )
光的电磁理论基础波动方程光波在无界空间真空及无限大均匀各向同性介质中的传播光波在界面上介质及金属的反射和折射特性光波在有界空间波导中的传播光波在各向异性介质空间晶体中的传播光波场的叠加与相干性光子特性等
光学原理
光学原理是光学工程等专业研究生重要的 专业基础课程，是现代光学和光电子学的理 论基础。作为基础，本课程旨在解决这样一 个问题，即如何从光的电磁理论(麦克斯韦方 程组、物质方程及边值关系)出发，来分析和 理解光波场在各种不同环境中的传播特性。
(4)均匀各向异性介质中 均匀各向异性介质的特点是：电磁场的极化与作用位置无关， 但与方向有关。因而电位移矢量与电场强度矢量之间的关系较 为复杂，一般可表示为：
D [ ]E
(1.1.11)
式中 为二阶张量，称为介电张量。一般情况下，介电张量 由9个非0元素构成，即：
若选取适当的坐标方向，如以晶体的介电主轴为坐标轴(简称 主坐标系)，则介电张量可简化为一个只有3个非0元素的对角 张量，即：
注意: 由于在导出方程式(1．2．11)的过程中曾利用了条件
E 0 和 H 0 ，而亥姆霍兹方程本身的解并不能保 证 E 0 和 H 0 成立，故亥姆霍兹方程的解必须再加 上条件 E 0 和 H 0 ，才代表电磁波场的解。其次，求
光的电磁理论基础
▲实际光源辐射的光波并不具有偏振性，原因：★虽然单个原子在某一时刻辐射的光波具有偏振性，但由于原子的辐射是不连续的，同一原子不同时刻发出的波列之间其振动方向和相位是随机的；★实际光源由大量分子、原子组成，其发出的各个波列的振动方向和相位也是随机的。因此，在观测时间T(>>波列存在时间△t)内接收这类光的组合时，各个波列的振动方向和相位被完全平均，成为均等包含任何方位振动的光。这种光称为自然光。它可以看作是在一切可能方向上振动的光波的总和。
03
若电偶极子作直线简谐振荡，偶极矩p=p0e-iωt，ω是偶极子振荡角频率，p0为振幅矢量。计算表明，远离偶极子中心的某点M的场为:
分析式(9-40)可知：
（9-40）
r是偶极子中心到M点的矢径
v是是介质中电磁波的传播速度
（1）辐射电磁波的角频率与偶极子振荡角频率相同，等于ω.
（法/米）
物质方程给出了介质的电学和磁学性质，用介电常数和磁导率表示光与物质相互作用时介质中大量分子平均作用。 麦克斯韦方程组与物质方程一起构成一组完整的方程组，用于描述时变场情况下电磁场的普遍规律。在电磁场的边值条件下，用于处理具体的光学问题。
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。 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。
（9-18）
（9-19）
（9-20）
（9-21）
表示以速度v沿z轴正方向传播的平面波
▲传播的波动取决于源的振动形式。 取最简单的简谐振动作为波动方程的特解，这不仅是因为这种振动形式简单，更重要的是从傅里叶分析方法可知，任何形式的波动都可分解为许多不同频率的简谐振动之和。故有
+第九章 光的电磁理论基础
ρ——表示封闭曲面内的电荷密度； j——表示积分闭合回路上的传导电流密度； D t ——为位移电流密度；
梯度，gradient
divergnce 散度
rot 旋度
▲ 物质方程 电磁场是在介质中传播，介质性质对电磁场传播会带来影响. 描述物质在场作用下特性的关系式称为物质方程。静止的、 各向同性(每一点的物理性质不随方向改变)介质中的物质方程为
（9-30）
▲复振幅——表示某一时刻光波在空间的分布。当只关心光 波场振动的空间分布时（例如光的干涉和衍射等问题中），常 用复振幅表示一个简谐光波。 2、平面电磁波的性质 （1）平面电磁波是横波 ' 平面电磁波 B A exp[i (k r t )] 波动公式 E A exp[i (k r t )]
n c v r r
（9-17）
除了磁性物质，大多数物质的μr≈1，因而有n=(εr)0.5 的关 系，这一关系对于化学结构简单的气体，符合的很好，但对于 许多液体和固体，两者相差很大。这是由于(μr)0.5的值（因而折 射率）实际上与入射电磁波的频率有关，存在色散现象（参见 本章第三节）。
平 面 波 的 波 面 是 k· 常 r= 数 的 平 面
（9-27）
设k的方向余弦cosα、cosβ、cosγ， 任一点P的坐标为x、y、z， 图9-1 任一方向传播的平面波
E A cos[k ( x cos y cos z cos ) t ] E A exp[i (k r t )]
2、电磁场的波动性 ▲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。 ▲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。 从麦克斯韦方程组出发，可证明电磁场传播具有波动性。为 简单，讨论在无限大各向同性均匀介质的情况，此时，ε、μ是 常数，电导率ζ=0。若电磁场远离辐射源，则封闭曲面内的电 荷密度=0，积分闭合回路上的传导电流密度j=0，麦克斯韦 方程简化为：
工程光学 第10章 光的电磁理论基础
一、波的叠加原理
波的叠加原理：几个波在相遇点产生的合振动是各个波在
该点产生振动的矢量和。
叠加条件：媒介、光强
E( p) E1( p) E2 ( p)
注意几个概念：
1、叠加结果为光波振幅的矢量和，而不是光强的和。
2、光波传播的独立性：两个光波相遇后又分开，每个光波仍 然保持原有的特性（频率、波长、振动方向、传播方向等）。
E B t
H j D t
1. 高斯定律（有源电场，电力线由正电荷指向负电荷） 2. 磁通连续定律(无源磁场，磁力线闭合，磁通量0) 3. 法拉第电磁感应定律 4. 安培全电流定律
＝x 0
x
y 0
y
z0
z
t
空间位置的变化 时域的变化
二、物质方程
描述物质在场作用下的关系式
j E D E B H
3、叠加的合矢量仍然满足波动方程的通解，一个实际的光场 是许多个简谐波叠加的结果。
二、两个频率相同、振动方向相同的单色光波的叠加 （一）代数加法
E1＝a1 cos(kr1 t) E2＝a2 cos(kr2 t) 令：kr1＝1，kr2＝ 2 E＝E1＋E2＝a1 cos(1 t)＋a2 cos(2 t) 得到的合振动：E＝Acos( t)
P(x,y,z)
k
复振幅：
r
E＝Aexp(ik • r)
o
z
复振幅：只关心光波在 y
s=r k
空间的分布。
（三）平面电磁波的性质
1、横波特性：电矢量和磁矢量的方向均垂直波的传播
方向。
2、E、B、k互成右手螺旋系。
B
1 v
(k0
E)
(k0 E)
3、E和B同项
光波
简介
光波是横波，其中电场强度E和磁感应强度B（或磁场强度H）彼此相互垂直，并且都与传播方向垂直。 光波是一种特定频段的电磁波光波具有波粒二象性（是指某物质同时具备波的特质及粒子的特质）：也就是 说从微观来看，由光子组成，具有粒子性；从宏观来看又表现出波动性。根据量子场论（或者量子电动力学）， 光子是电磁场量子化之后的直接结果。光的粒子性揭示了电磁场作为一种物质，是与分子、原子等实物粒子一样， 有其内在的基本结构（组成粒子）的。而在经典的电动力学理论中，是没有“光子”这个概念的。 光波作为一种特定频段是电磁波，其颜色与频率有关。可见光中紫光频率最大，波长最短。红光则刚好相反。 红外线、紫外线、X射线等都属于不可见光。 红外线频率比红光低，波长更长。 紫外线、X射线等频率比紫光高，波长更短。
光学史
印度教和佛教的理论
早在公元前6至5世纪的古印度，数论派（Samkhya）和胜论派（Vaisheshika）的学者已形成了光的理论。 数论派认为光是组成世间万物的五微尘（tanmatra，即“五唯”——香、味、色、触、声）之一。这五种元素的 粒子性并没有被特别说明，并且似乎是被作为连续状态来理解的。
气体放电光源是利用电子在两电极间加速运行时，与气体原子碰撞，被撞的气体原子受激，把吸收的电子动 能又以辐射发光形式释放出来，这叫做电致发光。不同气体受激发光的频率不同，利用这点可制成各种颜色的霓 虹灯。
有的气体放电光源，玻璃管中充的气体受激发射的是不可见光。如水银蒸气在电场中受激发射的就是紫外线。 我们可在玻璃管内壁上涂荧光粉，紫外线射到荧光粉上，再激发出可见光来，日光灯就是采用这一原理制成的。 日光灯是电致发光和光致发光的综合，它的发光效率比白炽灯好，但显色性不好。现代新型的气体放电照明光源 有低压钠灯、高压钠灯等。
最新物理光学 第一章 光的电磁理论基础-Lu revised课件PPT
（一）电偶极子辐射模型（理想模型）
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。
一. 电磁场的连续条件
连续条件：由麦式方程组可知，在没有传导电 流和自由电荷的介质中，磁感应强度B和电位 移矢量D的法向分量在界面上连续，而电场强 度E 和磁场强度H的切向分量在界面上连续。
E B/ t H D/ t •D 0 •B 0
E 1t E 2t H 1t H 2t D 1n D 2n B 1n B 2n
E＝Ae xpi(k[ rt)] r
平面波、球面波、柱面波 振幅不一样的物理根据？
本节重点内容
1、电磁波的平面波解（平面波、简谐波解 的形式和意义，物理量的关系，电磁波的 性质）
2、球面波和柱面波（定义、数学表达式） 3、光波辐射能与振幅的关系
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光在介质分界面上的反射与折射
（1） Snell定律（传播方向） （2）菲涅耳公式（振幅、位相、能量和偏振等） （3）全反射和倏逝波
k 1 k '/1 和 k 2 /2 ,所 以 有 sin11sin22or
n1sin1n2sin2
三. 菲聂耳公式及其讨论
(一).
电磁理论 边界条件
反射定律、折射定律 菲涅耳公式
菲涅耳公式反射、折射---振幅、强度、能流
E 1s
E1s
n1
H 1P
k 1 k 1 1 1
H 1 p
光的基本概念和光的传播
光的基本概念和光的传播光是一种电磁波，它在自然界中无处不在。
从我们日常生活中的阳光，到我们使用的电器中的光，光扮演着无可替代的角色。
在本文中，我们将探讨光的基本概念以及光的传播方式。
一、光的基本概念光是由电磁场和电磁波组成的。
光波是一种以电场和磁场交替变化的波动现象。
光波的频率决定了光的颜色，频率越高，光的能量越大，颜色越偏向蓝色；频率越低，光的能量越小，颜色越偏向红色。
另一个光的基本概念是波长。
波长是指光波的周期性重复的距离，以纳米为单位表示。
不同波长的光波对应不同的颜色，例如，可见光的波长范围从380纳米到750纳米。
光还具有速度，即光速，它在真空中的数值为每秒299,792,458米。
光速是宇宙中最快的速度，任何其他物体都无法超越它。
基于光速的快速传播特性，我们可以利用光进行通信和传输信息。
二、光的传播方式光的传播可以通过三种方式进行：直线传播、散射和折射。
1. 直线传播光的直线传播是指光以直线的方式传播。
当光通过一个均匀介质，如真空或空气时，它会以直线的形式传输。
这一特性使得我们可以在相对较短的距离内以一个点对点的方式传递光信号。
例如，激光器使用光的直线传播特性来进行精确的测量。
2. 散射散射是指光波在与物体交互时改变传播方向和传播路径的现象。
当光波遇到物体表面的微小不规则结构时，光会散射到各个方向。
这就是为什么我们能够看到周围环境中的物体。
散射也是太阳光穿过大气层时形成蓝天的原因之一，大气中的分子会将光波散射，使得蓝色光波更为明显。
3. 折射折射是指光波由于通过不同介质时，产生速度和方向的变化。
当光从一个介质进入另一个介质时，它会改变传播方向。
这种现象在我们日常生活中很常见，例如光经过水面时会发生折射，我们看到的鱼儿会有所偏移。
光的折射也是透镜等光学器件的工作原理之一。
总结：光作为一种电磁波，具有波长、频率和速度等特性。
光的基本概念是由电磁场和电磁波组成的，并且光波的颜色取决于它的频率和波长。
光的电磁理论基础
4. 波动方程
麦克斯韦方程组描述了电磁现象的变化规律，指出 任何随时间变化的电场，将在周围空间产生变化的 磁场，任何随时间变化的磁场，将在周围空间产生 变化的电场，变化的电场和磁场之间相互联系，相 互激发，并且以一定速度向周围空间传播。 因此，交变电磁场就是在空间以一定速度由近及远 传播的电磁波，应当满足描述这种波传播规律的波 动方程。
2. 麦克斯韦电磁方程 麦克斯韦电磁方程的微分形式为
D (1) B 0 (2) B E (3) t D H J (4) t
D、E、B、H 分别表示电感应强度、电场强度、磁 感应强度、磁场强度; 是自由电荷体密度；J 是传 导电流密度。
散度在笛卡儿坐标系中的表达形式：
Ax Ay Az A x y z
旋度在笛卡儿坐标系中的表达形式：
ex A x Ax
ey y Ay
ez z Az
上面四个方程可逐一说明物理意义如下：在电磁场中 任一点处 (1) 电位移的散度等于该点处自由电荷体的密度 ； (2) 磁感强度的散度处处等于零； (3) 电场强度的旋度等于该点处磁感强度变化率的 负值； (4) 磁场强度的旋度等于该点处传导电流密度与位移 电流密度的矢量和。
= （7.6 4.0）1014 HZ
这波段内电磁波叫可见光。在可见光范围内，不同 频率的光波引起人眼不同的颜色感觉。
760 630 600 570 500 450 430 400(nm)
红
橙
黄
绿
青
蓝
紫
通常所说的光学区域(或光学频谱)包括红外线、可见 光和紫外线。由于光的频率极高(1012～1016Hz)，数 值很大，使用起来很不方便，所以采用波长表征，光 谱区域的波长范围约从 1mm~10 nm。
光的电磁波理论
光的电磁波理论在日常的生活中，我们经常用到光线来描述光的传播方式。
然而，在物理学的研究中，人们发现光是由电磁波组成的。
这种理论被称为光的电磁波理论，它对于我们理解光的本质特征有着至关重要的意义。
光的电磁波理论的起源可以追溯到19世纪初叶。
当时，许多物理学家都在试图解释光在空气、水等介质中的传播规律。
最终，科学家们发现，光实际上是由电磁波组成的。
电磁波是一种由电场和磁场所组成的振动传播。
当电场和磁场相互作用时，就会产生电磁波。
光线就是一种电磁波，它既有电场的作用，也有磁场的作用。
在电磁波的传播中，电场和磁场相互垂直，并在空间中形成一种交替变化的模式。
光的波长和频率是光的电磁波理论中非常重要的概念。
波长是指电磁波的振动周期所在的空间距离，它与光的颜色有关。
频率则指电磁波每秒钟振动的次数，它与光的强度有关。
光的电磁波理论不仅有着广泛的应用，而且它也对于我们理解自然界中的许多现象有很大的帮助。
例如，在天文学研究中，科学家们可以通过观察光的颜色、频率、波长来判断宇宙中物质的性质和分布。
在地球物理学中，科学家们也可以通过对光的电磁波进行研究，来解释和预测地震、岩石构造等自然现象。
关于光的电磁波理论，还有一些值得探讨的话题。
例如，光的折射是如何发生的？为什么光被物体所反射后，我们可以看到物体的图像？这些问题都可以通过对光的电磁波理论的深入研究来解决。
总之，光的电磁波理论是物理学中的一个重要分支，它不仅可以帮助我们理解光的本质特征，还可以应用到许多其他领域中去，使我们更好地探究自然规律。
电磁波与光学基础
电磁波与光学基础电磁波是一种具有电场和磁场振荡的传播形式。
它是由电荷的加速产生的，能量以波动的形式传播。
光学则是研究光和光的传播、反射、折射、干涉和衍射等现象的科学。
本文将介绍电磁波和光学方面的基础知识。
一、电磁波的概念电磁波是电磁场以电磁能量的形式在空间中传播的波动现象。
它包括电场和磁场两个成分。
电场和磁场相互垂直且互相垂直传播，构成电磁波。
电磁波具有波长、频率、波速等特征。
二、电磁波的分类根据电磁波的频率范围，可以将其分为射线和波长尺度两大类。
射线一般指的是射线状的电磁波，如γ射线、X射线等。
波长尺度包括无线电波、微波、红外线、可见光、紫外线和X射线等，波长由长到短依次增加。
三、电磁波的特性1. 速度：电磁波在真空中的传播速度约为光速，为3×10^8 m/s。
2. 频率和波长：频率指的是单位时间内电磁波振动的次数，波长为表示相邻波峰或波谷之间距离的物理量。
频率和波长之间有固定的关系，即波速等于频率乘以波长。
3. 能量：电磁波能量与频率成正比，能量越高，频率越大。
不同频率的电磁波具有不同的特性和用途。
4. 衍射和干涉：电磁波遇到障碍物时会发生衍射现象，使波传播到障碍物的背后。
干涉是指电磁波在两个或多个波源之间叠加产生干涉现象，形成明暗相间的干涉条纹。
四、光学基础知识1. 光的特性：光是一种电磁波，也具有波动和粒子性质。
光的波动性体现在光的传播和干涉、折射等现象上，而光的粒子性则体现在光的能量和光子等粒子的数量上。
2. 光的传播：光的传播有直线传播和弯曲传播两种方式。
光在真空中直线传播，而在介质中会发生折射现象，使光线改变传播方向。
3. 光的反射：光在与界面接触时会发生反射现象，即光线从一种介质反射到另一种介质中。
4. 光的折射：光从一种介质传播到另一种介质时，由于介质的光密度不同，会引起光的传播方向改变，这种现象称为折射现象。
5. 光的干涉和衍射：光的干涉是指光在两个或多个波源之间叠加产生干涉现象，衍射是指光通过一个缝隙或绕过障碍物等产生衍射现象。
第九章 光的电磁理论
后两个公式反映了磁场和电场之间的相互作用。
以上4式的物理意义：
电场是有源的，电荷可以单独存在
磁场是无源的，磁荷不可以单独存在
变化的磁场产生环形电场 变化的磁场产生位移电流，它和传导电 流共同产生环形磁场
微分形式：
D B 0 B E t D H j t
可见光(760 nm~380 nm)
紫外线(400 nm~10 nm)
第一节 光的电磁性质
一、电磁波的波动性
（一）麦克斯韦方程组 （Maxwell’s equation） 1、静电场和稳恒电流磁场的基本规律
电场强度（E）：电场中某点在数量和方向上等于单 位正电荷在该点所受的电场力。单位N/c或V/m。 电感强度（D）：辅助物理量,D＝E +P 。单位c/m2。
1 2E 结果： E 2 0 2 t 1 2B 2B 2 0 2 t
2
(9-12)
(9-13)
结果： E
2
2E t
2
0 0
2 B
2B t
2
表明交变的电场和磁 场是以速度v传播的电 磁波
电磁波的传播速度： 1 v 光速：c 1 0 0 2.9979410 m / s
z E x 0, E y 2 cos[ 2 10 ( t ) ], E z 0, c 2
14
求（1）该电磁波的频率、波长、振幅和 原点的初相位。 （2）波的传播方向和电矢量的振动方向。
（3）相应的磁场B的表达式。
三、菲涅耳公式及其讨论 （一）菲涅耳公式 以s波为例（y的正向为规定的正向），图：
此时，麦克斯韦方程组简化为
光的电磁理论基础及光波的基本概念ok
James Clerk Maxwell概括（电磁）光波的特性如下：1、光波是横波，E和B都与传播方向K垂直2、E和B相互垂直，E×B沿波矢K方向，构成右手螺旋系3、E和B同相（同时达到极大值和极小值），振幅比为V0=⋅E k v v 0=⋅B k v v E B k v v v −→×B E k v v v →×由上可见E 和B 都与传播方向K 垂直，光波是横波，具有偏振性质，偏振是横波所特有的一个属性4、光波的偏振态横波、纵波：依振动方向与波的传播方向是垂直还是平行光波的横波性，只规定了光矢量E位于与传播方向垂直的平面内，并没有限定E 在该平面内的具体振动方式，这种具体振动方式（振幅与相位随方向的分布）称为光的偏振态发光的微观机制及特点原子发光是一个复杂的量子过程．粗略的讲，原子（或分子）每次发射的光波的波列都是有限长的，波列的长度与它们所处的环境有关，受其他原子作用越强，发射波列越短．即使在稀薄的气体中，外界作用可忽略情况下．发射的波列持续时间，也不会大于10-8秒．其次，普通光源发光是随机过程，每个原子（或分子）先后发射的不同波列，以及不同原子发射的各个波列，彼此间在振动方向和相位上没有什么联系．因此普通光源发光，是不相干的．普通光源是非相干光源．Wavelengths and frequencies of visible lightThe eye’s response to light and colorThe UltravioletThe UV is usually broken up into three regions, UVA (320-400 nm), UVB (290-320 nm), and UVC (220-290 nm).UVC is almost completely absorbed by the atmosphere.You can get sun burned by all three ！。
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James Clerk Maxwell
概括（电磁）光波的特性如下：
1、光波是横波，E和B都与传播方向K垂直
2、E和B相互垂直，E×B沿波矢K方向，构成右手螺旋系
3、E和B同相（同时达到极大值和极小值），振幅比为V
0=⋅E k v v 0=⋅B k v v E B k v v v −→×B E k v v v →×由上可见E 和B 都与传播方向K 垂直，光波是横波，具有偏振性质，偏振是横波所特有的一个属性
4、光波的偏振态
横波、纵波：依振动方向与波的传播方向是垂直还是平行光波的横波性，只规定了光矢量E位于与传播方向垂直的平面内，并没有限定E 在该平面内的具体振动方式，这种具体振动方式（振幅与相位随方向的分布）称为光的偏振态
发光的微观机制及特点
原子发光是一个复杂的量子过程．粗略的讲，原子（或分子）每次发射的光波的波列都是有限长的，波列的长度与它们所处的环境有关，受其他原子作用越强，发射波列越短．即使在稀薄的气体中，外界作用可忽略情况下．发射的波列持续时间，也不会大于10-8秒．
其次，普通光源发光是随机过程，每个原子（或分子）先后发射的不同波列，以及不同原子发射的各个波列，彼此间在振动方向和相位上没有什么联系．因此普通光源发光，是不相干的．普通光源是非相干光源．
Wavelengths and frequencies of visible light
The eye’s response to light and color
The Ultraviolet
The UV is usually broken up into three regions, UVA (320-400 nm), UVB (290-320 nm), and UVC (220-290 nm).
UVC is almost completely absorbed by the atmosphere.
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