波的反射和折射

文摘   科技   2024-09-20 19:02   浙江  

波的反射和折射

说起反射,在我脑海中浮现的是一道物理题目:空气中一束光线射入水面,然后让我画出反射和折射的方向,以及求出反射和折射光线的强度。

我们再深入想一下:为什么一束光在不同介质面会发生反射/折射呢?

我们在高中时学过光的反射和折射是可以用惠更斯原理来解释:球形波面(振动状态相同的位置,例如所有的波峰或波谷)上的每一点都是一个刺激球面波的子波源(新的波),子波的波速与频率等于初级波的波速和频率,此后这些子波在波前进方向的包络面就是新的波面。

这也是光的波动性原理的解释,但惠更斯认为光是一种机械波,是机械振动形式的传递,所以我们还可以用水波来想象,其波面就是我们看到的一圈圈的水波,波传递的方向(波线)与波面垂直。

如果波遇到障碍物,会返回来继续传播,这种现象就是波的反射。而波的折射是由于波在不同介质中的速度不同造成的,在波的折射中,波的频率不变,波速和波长都会发生改变。

而从微观的角度来说,电磁波和物质相互作用的本质就是电磁波带动物质中电子运动,能量被其吸收,再由电子放出散射波的过程。由于波承载了电磁的全部物理意义(能量),那么最后形成的结果就应该是原入射波和散射波的叠加。

假定在一个均匀介质中有一朝z方向传播的电磁波(平面波),其与z垂直的平面代表同相位面,考虑一个波前a,它所经过的平面A上的原子,其所含电子都会因相互作用而发出新的散射波。

因为他们处在同相位面上,因此他们散射出来的波在源处也是同相位的,这些子波互相叠加只能产生一个向前传播的散射波(坡印廷矢量方向)。所以,电磁波在物质中的传播,其实是无数平面上的散射子波在除了某一个方向外,其他方向处处抵消的结果。而在不同介质面的交界处,散射子波在不同方向出现了叠加不为0的情况。

我们再来具体看看这个散射波和原入射波叠加之后,会有什么效果。假定介质由原子构成,原子中的电子在电场激励下做简谐振动,那么可想而知,电子会产生位移,而且位移的大小和外加电场成正比(介质极化);散射出的平面波正比于散射平面处的入射波,只是做了一个90度的相移,即我们可以认为入射波的强度没有发生变化,只是相位发生了延迟。相当于介质中的无限平面原子把入射光坚持不懈地拖拽,假设原来光在真空中传播z的距离,相位只落后kz,而拖拽后相位落后了nkz;即波动传播的速度降低了n倍。极化率(介电常数)决定折射率,折射率高,波动速度越慢,

传输线信号传输的本质是电磁波信号传播,其原理同电磁波的反射/折射有所不同,传输线信号的反射是由于传输线阻抗的变化所导致。我们知道电磁波的反射会导致其部分能量的损失,所以传输线信号的反射就不可避免的同信号质量联系在一起,我们要尽量避免传输线中间的阻抗不连续点。

如之前的传输线定义中说过,传输信号的目的是:让接收端能正确的接收到信号。很明显假如信号发生了反射,那么根据能量守恒原理,入射信号的能量必然会减小,信号幅度必将发生变化(可能减小/增加,看在什么阶段)。

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