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[转] 相速度与群速度

(2013-04-10 02:34:23)
2.10 相速度与群速度
  振动状态在空间的传播速度称为波速,又称相速度。如沿x轴正方向传播的平面简谐波,其表达式为 
                http://jigou.xauat.edu.cn/ex/tsinghua/software/07/02/001/01/00001/fddy/4_zd/wt/image/wt_4-68.gif相速度与群速度" TITLE="[转] 相速度与群速度" />     
式中(wt-kx)称为波相,当(wt-kx)一定时,则x值一定。当t增大时,x必须增大,才能保持(wt-kx)不变。这意味着用(wt-kx)描述的振动状态随着时间的推移向x的正方向传播。相速度即波相传播的速度,等于xt的变化率,令 
                  wt-kx=常量
将上式两边微分,经整理可得
               http://jigou.xauat.edu.cn/ex/tsinghua/software/07/02/001/01/00001/fddy/4_zd/wt/image/wt_4-69.gif相速度与群速度" TITLE="[转] 相速度与群速度" />     (1)
u即所求相速度。这里w=2pvhttp://jigou.xauat.edu.cn/ex/tsinghua/software/07/02/001/01/00001/fddy/4_zd/wt/image/wt_4-70.gif相速度与群速度" TITLE="[转] 相速度与群速度" />,代入则得 
                  http://jigou.xauat.edu.cn/ex/tsinghua/software/07/02/001/01/00001/fddy/4_zd/wt/image/wt_4-71.gif相速度与群速度" TITLE="[转] 相速度与群速度" /> 
此即大家熟悉的相速度的公式。
  从根本上讲,相速度的大小取决于媒质的性质。弹性波由弹性媒质的力学性质决定,电磁波由媒质的折射率决定。 
  实验和理论证明,相速度的大小还与波的频率有关。光的色散现象就是波速与频率有关的明显例证。通常把相速度与频率无关的媒质称为无色散媒质;把相速度随频率而变的媒质称为色散媒质。
  在无色散媒质中,只要用相速度描述波的传播即可,但是在色散媒质中,要描述任意一种波(如图1所示的非简谐波)的传播只有相速度就不够了,需要引入群速度的概念。 
 
图1
  根据付里叶分析,任何一个复杂的波,都可以分解成许多不同频率成分的简谐波的叠加。在色散媒质中,不同频率的简谐波传播速度不同,那么这许多简谐波合成的波是以什么速度传播呢? 
  为了方便,以两个频率相近的等振幅简谐波的合成波的传播为例说明群速度的概念。 
设              http://jigou.xauat.edu.cn/ex/tsinghua/software/07/02/001/01/00001/fddy/4_zd/wt/image/wt_4-72.gif相速度与群速度" TITLE="[转] 相速度与群速度" />  
               http://jigou.xauat.edu.cn/ex/tsinghua/software/07/02/001/01/00001/fddy/4_zd/wt/image/wt_4-73.gif相速度与群速度" TITLE="[转] 相速度与群速度" /> 
合成波为   http://jigou.xauat.edu.cn/ex/tsinghua/software/07/02/001/01/00001/fddy/4_zd/wt/image/wt_4-74.gif相速度与群速度" TITLE="[转] 相速度与群速度" />
      http://jigou.xauat.edu.cn/ex/tsinghua/software/07/02/001/01/00001/fddy/4_zd/wt/image/wt_4-75.gif相速度与群速度" TITLE="[转] 相速度与群速度" />   (2)
t时刻的波形如图2所示。
 
图2

式(2)中http://jigou.xauat.edu.cn/ex/tsinghua/software/07/02/001/01/00001/fddy/4_zd/wt/image/wt_4-80.gif相速度与群速度" TITLE="[转] 相速度与群速度" />表示图中一个个小的波形。
http://jigou.xauat.edu.cn/ex/tsinghua/software/07/02/001/01/00001/fddy/4_zd/wt/image/wt_4-84.gif相速度与群速度" TITLE="[转] 相速度与群速度" />,则式(2)可改写为
           http://jigou.xauat.edu.cn/ex/tsinghua/software/07/02/001/01/00001/fddy/4_zd/wt/image/wt_4-85.gif相速度与群速度" TITLE="[转] 相速度与群速度" /> 
在波传播过程中,一个个小的波形在向前传播的同时,整个波形即包络也在向前移动,二者移动速度可如下求得:
令               http://jigou.xauat.edu.cn/ex/tsinghua/software/07/02/001/01/00001/fddy/4_zd/wt/image/wt_4-86.gif相速度与群速度" TITLE="[转] 相速度与群速度" />=常量 
等式两边微分,可求得小波形移动的速度为
               http://jigou.xauat.edu.cn/ex/tsinghua/software/07/02/001/01/00001/fddy/4_zd/wt/image/wt_4-87.gif相速度与群速度" TITLE="[转] 相速度与群速度" />      (3) 
同样可求得包络移动的速度或称波群移动的速度为
            http://jigou.xauat.edu.cn/ex/tsinghua/software/07/02/001/01/00001/fddy/4_zd/wt/image/wt_4-88.gif相速度与群速度" TITLE="[转] 相速度与群速度" />   
一般表示为:
              http://jigou.xauat.edu.cn/ex/tsinghua/software/07/02/001/01/00001/fddy/4_zd/wt/image/wt_4-89.gif相速度与群速度" TITLE="[转] 相速度与群速度" />      (4)
Ug即群速度。在无色散媒质中,相速度与频率无关,由w=uk可求得 
                  http://jigou.xauat.edu.cn/ex/tsinghua/software/07/02/001/01/00001/fddy/4_zd/wt/image/wt_4-89.gif相速度与群速度" TITLE="[转] 相速度与群速度" />=u
在这种情况下,不同频率的简谐波以相同的波速传播,整个波群也以相同的速度传播,并保持波形不变。 
  在色散媒质中,相速度与频率有关。在w=uku是频率的函数,这样 
              http://jigou.xauat.edu.cn/ex/tsinghua/software/07/02/001/01/00001/fddy/4_zd/wt/image/wt_4-90.gif相速度与群速度" TITLE="[转] 相速度与群速度" /> 
http://jigou.xauat.edu.cn/ex/tsinghua/software/07/02/001/01/00001/fddy/4_zd/wt/image/wt_4-92.gif相速度与群速度" TITLE="[转] 相速度与群速度" />,代入上式则有
                http://jigou.xauat.edu.cn/ex/tsinghua/software/07/02/001/01/00001/fddy/4_zd/wt/image/wt_4-94.gif相速度与群速度" TITLE="[转] 相速度与群速度" /> 
当已知ul 的关系时,即可求得Ug。 
  下面再用图形来说明群速度和相速度的区别。如图3所示,为了方便,图中只画出与说明问题有关的部分波形曲线。图的上半部表示t1时刻x1x2x的波形曲线。此时x1的一个波峰(用×标记)和x2的一个波峰(用○标记)恰好重合,重合处应是合成波的最大值即波形包迹(即包络)的最高点。

图的下半部表示在另一时刻t2的波形曲线。与t1时刻比较,x1x2x都沿x正方向传播了一段距离。适当选择t2t1,使得带标记的波峰之后的一对波峰在t2时刻重合,这样包迹的最高点恰好移到新的重合处。由图可见,波群以群速度Ug移动,移过距离为Ug(t2t1) ,小波以相速度u移动,移过距离为u(t2t1)。显然,群速不同于相速。
  在色散很厉害的媒质中,由于不同频率的波的相速度差别很大,波群在传播过程中很快变形。此时群速度失去意义,关于Ug的公式也就失效了。因此,群速度的概念,仅适用于色散不很厉害的情形。
  波的强度http://jigou.xauat.edu.cn/ex/tsinghua/software/07/02/001/01/00001/fddy/4_zd/wt/image/wt_4-93.gif相速度与群速度" TITLE="[转] 相速度与群速度" />,所以在波群传播过程中,波的能量的绝大部分被振幅最大部分所携带,因而当包络的最大值传到时,观察者才接收到波,所以群速度也就是波的能量的传播速度。 
  对于光波,由式http://jigou.xauat.edu.cn/ex/tsinghua/software/07/02/001/01/00001/fddy/4_zd/wt/image/wt_4-96.gif相速度与群速度" TITLE="[转] 相速度与群速度" />算得的是相速度;实验测得的是群速度。

图3

  微观粒子也具有波动性,德布罗意把微观粒子的波粒二象性统一表示在由他提出的德布罗意公式中 微观粒子也具有波动性,德布罗意把微观粒子的波粒二象性统一表示在由他提出的德布罗意公式中 
                  http://jigou.xauat.edu.cn/ex/tsinghua/software/07/02/001/01/00001/fddy/4_zd/wt/image/wt_4-97.gif相速度与群速度" TITLE="[转] 相速度与群速度" />
式中p为粒子动量,h为普朗克常数,l 为表示粒子波动性的波长,是粒子运动速度。粒子具有能量,是能量的携带者,所以粒子运动速度是德布罗意波的群速度,而德布罗意波的相速度为http://jigou.xauat.edu.cn/ex/tsinghua/software/07/02/001/01/00001/fddy/4_zd/wt/image/wt_4-98.gif相速度与群速度" TITLE="[转] 相速度与群速度" /> 
不难证明, u不同。将德布罗意波长l 代入相速度公式,则 
                   http://jigou.xauat.edu.cn/ex/tsinghua/software/07/02/001/01/00001/fddy/4_zd/wt/image/wt_4-99.gif相速度与群速度" TITLE="[转] 相速度与群速度" /> 
又粒子能量http://jigou.xauat.edu.cn/ex/tsinghua/software/07/02/001/01/00001/fddy/4_zd/wt/image/wt_4-100.gif相速度与群速度" TITLE="[转] 相速度与群速度" />,代入上式则有 
                   http://jigou.xauat.edu.cn/ex/tsinghua/software/07/02/001/01/00001/fddy/4_zd/wt/image/wt_4-101.gif相速度与群速度" TITLE="[转] 相速度与群速度" /> 
式中c为真空中光速。光速是一切物质运动速度的极限,所以uu>c,即相速度大于光速。然而这与相对论并不矛盾。相对论是指物质运动速度或信号传播速度不能大于光速;而相速度既不表征信号速度,也不表征能量传播速度,而是如前所述的相位的传播速度。


LINK:http://jigou.xauat.edu.cn/ex/tsinghua/software/07/02/001/01/00001/fddy/4_zd/wt/wt_dc_2-10.htm

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