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波的传播

指数 波的传播

波的传播是指波行进的任何方式。 通过比较振动方向与行进方向的关系,我们可以区分纵波和横波。 电磁波和引力波(又称“重力波”)可以在真空中传播,也可以在材料介质中传播,但其他大部分类型的波都不能在真空中传播,需要在传输介质中才能存在。 另一个解释波的传播的实用参数是波速,多由介质的某种密度决定。.

29 关系: 反射吸收 (光学)声波天线密度弧度光子纵波群速度真空电磁波相位相速度衍射角频率重力波重力波 (相對論)色散关系電極化速率折射梯度横波波速波數振动惠更斯-菲涅耳原理散射

反射

反射可以有以下含义:.

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吸收 (光学)

吸收,在物理學上是光子的能量由另一個物體,通常是原子的電子,擁有的過程,因此電磁能會轉換成為其它的形式,例如熱能。波傳導的過程中,光線的吸收通常稱為衰減。例如,一個原子的價電子在兩個不同能階之間轉換,在這個過程中光子將被摧毀,被吸收的能量會以輻射能或熱能的形式再釋放出來。雖然在某些情況下 (通常是光學中),介質會因為穿過的波強度和飽和吸收 (或非線性吸收)發生時會改變它透明度,但通常情況下,波的吸收與強度無關 (線性吸收)。.

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声波

声波是声音的传播形式。声波是一种高低波,由物体(声源)振动产生,声波传播的空间就称为声场。在气体和液体介质中传播时是一种纵波,但在固体介质中传播时可能混有横波。任何器官所接收的聲音頻率都有其範圍限制。人耳可以听到的声波的频率一般在20Hz至2×10^ Hz之间。其他動物的聽覺頻率範圍有所不同,像狗可以聽到超過20kHz的超声波,但無法聽到40 Hz以下的聲音。.

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天线

天线是一种用来发射或接收无线电波的設備,广泛而言為电磁波的电子元件。天线应用于广播和电视、点对点无线电通訊、雷达和太空探索等系统。天线通常在空气和外层空间中工作,也可以在水下运行,甚至在某些频率下工作于土壤和岩石之中。 从物理学上讲,天线是一个或多个导体的组合,由它可因施加的時变电压或時变电流而产生辐射的电磁场,或者可以将它放置在电磁场中,由于场的感应而在天线内部产生時变电流并在其终端产生時变电压。.

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密度

3 | symbols.

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弧度

弧度又稱弳度,是平面角的單位,也是國際單位制導出單位。單位弧度定義為圓弧長度等於半徑時的圓心角。角度以弧度給出時,通常不寫弧度單位,或有時記為rad(㎭)。平面角和立體角皆無因次。 一個完整的圓的弧度是2π,所以2π rad.

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光子

| mean_lifetime.

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纵波

纵波,又稱為疏密波,是指在传播介质中质点的振动方向与波的传播方向平行的一类波,形成的波是疏密相間的波形。.

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群速度

波的群速度(group velocity),或簡稱群速,是指波振幅外形上的變化(稱為波的「調變」或「波包」)在空間中所傳遞的速度。想象一下我们将一块石头投入一个平静的池塘中激起一个波浪,随即变成一个中心平静呈环形扩展的波环。这个正在扩展的波环为一组由不同传播速度的独立子波组成。波长较长的子波传播速度较快并消失在整组波的前缘。波长较短传播较慢的波随着整组波内缘的推进而消失。.

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真空

真空是一種不存在任何物質的空間狀態,是一種物理現象。在真空中,聲波因為沒有介質而無法傳遞,但電磁波的傳遞不受真空的影響。粗略地說,真空是指在一區域之內的氣壓遠遠小於大氣壓力。真空常用帕斯卡(Pascal)或托爾(Torr)做為壓力的單位。目前在自然環境裡,只有外太空堪稱最接近真空的空間。 真空下的氣壓為零,有些情形下,氣壓小於大氣壓力,但不為零,此時稱為局部真空,有些也簡稱為真空。 在局部真空的情形下,若其他條件不變,氣壓越低,表示越接近真空。例如一般的吸塵器的吸力可以使氣壓降低20%。也可以以產生更接近真空的條件,像化學、物理及工程常見的腔體,其氣壓可以到大氣壓力的10−12,粒子密度為100粒子/cm3,對應約100粒子/cm3。外太空更接近真空,相當於平均一立方公尺只有幾個氫原子,估計本星系群的密度為 for the Local Group,原子質量單位為,大約一立方公尺有40個原子。根據現代物理學的了解,即使空間中的所有物質都移除了,因為量子涨落、暗能量、經過的γ-射线和宇宙射线、微中子等現象,空間仍然不會是完全的真空。在近代的粒子物理中,將視為是物質的基態。 自古希臘起,真空就是常帶來爭議的哲學議題,但到了十七世紀西方才開始實驗上的研究。埃萬傑利斯塔·托里切利在1643年進行了第一個真空的實驗,而隨著他大氣壓力理論的出現,也開始產生其他的實驗技術。托里切利真空是將一端封閉的長玻璃容器(超過76公分)中裝滿水銀,倒置在裝滿水銀的容器中,長玻璃容器上方的真空即為托里切利真空。 20世紀在電燈泡及真空管問世後,真空變成一個有價值的工業工具,也出現了許多產生真空的技術。载人航天的進展也讓真空對人類及其他生物的影響開始感興趣。.

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电磁波

#重定向 电磁辐射.

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相位

位(phase),是描述訊號波形變化的度量,通常以度(角度)作為單位,也稱作相角或相。當訊號波形以週期的方式變化,波形循環一周即為360º。常應用在科學領域,如數學、物理學、電學等。.

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相速度

波的相速度或相位速度(phase velocity),或簡稱相速,是指波的相位在空間中傳遞的速度,換句話說,波的任一頻率成分所具有的相位即以此速度傳遞。可以挑選波的任一特定相位來觀察(例如波峰),則此處會以相速度前行。相速度可藉由波的頻率f與波長λ,或者是角頻率ω與波數(wave number)k的關係式表示: 注意到波的相速度不必然與波的群速度相同,相速是波包中某一单频波的相位移动速度;群速度代表的是「振幅變化」(或說波包)的傳遞速度,表示一段波包的包络面上具有某特性(如幅值最大或最小)的点的传播速度。 群速和相速只有是混合波(非单频波)在频散介质中传播时才有差别。 電磁輻射的相速度可能在一些特定情況下(例如:出現異常色散的情形)超過真空中光速,但這不表示任何超光速的--或者是能量移轉。物理學家阿諾·索末菲與里昂·布里於因(Léon Brillouin)對此皆有理論性描述。 參閱色散以對波的各種速度有更完整的了解。.

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衍射

--(diffraction),又稱--,是指波遇到障碍物时偏离原来直线传播的物理现象。 在古典物理学中,波在穿过狭缝、小孔或圆盘之类的障碍物后會发生不同程度的弯散传播。假設將一个障碍物置放在光源和观察屏之间,則會有光亮区域與陰暗区域出現於观察屏,而且這些区域的边界並不銳利,是一种明暗相间的复杂图样。這现象称为衍射,當波在其传播路径上遇到障碍物时,都有可能發生这种现象。除此之外,当光波穿过折射率不均匀的介质时,或当声波穿过声阻抗不均匀的介质时,也会发生类似的效应。在一定条件下,不仅水波、光波能够产生肉眼可见的衍射现象,其他类型的电磁波(例如X射线和无线电波等)也能够发生衍射。由於原子尺度的實際物體具有類似波的性質,它們也會表现出衍射现象,可以通过量子力学进行研究其性质。 在適當情况下,任何波都具有衍射的固有性质。然而,不同情况中波发生衍射的程度有所不同。如果障碍物具有多个密集分布的孔隙,就会造成较为复杂的衍射强度分布图样。这是因為波的不同部分以不同的路径传播到观察者的位置,发生波叠加而形成的現象。 衍射的形式論还可以用來描述有限波(量度為有限尺寸的波)在自由空间的传播情况。例如,激光束的發散性質、雷达天线的波束形状以及超声波传感器的视野范围都可以利用衍射方程来加以分析。.

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角频率

在物理学(特别是力学和电子工程)中,角频率ω有时也叫做角速率、角速度标量,是对旋转快慢的度量,它是角速度向量\vec的模。角频率的国际单位是弧度每秒。由于弧度是无量纲的,所以角频率的量纲为T −1。 因为旋转一周的弧度是2π,所以.

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重力波

重力波可以指:.

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重力波 (相對論)

在廣義相對論裡,重力波是時空的漣漪。當投擲石頭到池塘裡時,會在池塘表面產生漣漪,從石頭入水的位置向外傳播。當帶質量物體呈加速度運動時,會在時空產生漣漪,從帶質量物體位置向外傳播,這時空的漣漪就是重力波。由於廣義相對論限制了引力相互作用的傳播速度為光速,因此會產生重力波的現象。相反地說,牛頓重力理論中的交互作用是以無限的速度傳播,所以在這一理論下並不存在重力波。 由於重力波與物質彼此之間的相互作用非常微弱,重力波很不容易被傳播途中的物質所改變,因此重力波是優良的信息載子,能夠從宇宙遙遠的那一端真實地傳遞寶貴信息過來給人們觀測。重力波天文學是觀測天文學的一門新興分支。重力波天文學利用重力波來對於劇烈天文事件所製成的重力波波源進行數據收集,例如,像白矮星、中子星與黑洞一類的星體所組成的聯星,另外,超新星與大爆炸也是劇烈天文事件所製成的重力波波源。原則而言,天文學者可以利用重力波觀測到超新星的核心,或者大爆炸的最初幾分之一秒,利用電磁波無法觀測到這些重要天文事件。 阿爾伯特·愛因斯坦根據廣義相對論於1916年預言了重力波的存在。1974年,拉塞爾·赫爾斯和約瑟夫·泰勒發現赫爾斯-泰勒脈衝雙星。這雙星系統在互相公轉時,由於不斷發射重力波而失去能量,因此逐漸相互靠近,這現象為重力波的存在提供了首個間接證據。科學家也利用重力波探測器來觀測重力波現象,如簡稱LIGO的激光干涉重力波天文台。2016年2月11日,LIGO科學團隊與處女座干涉儀團隊共同宣布,人类於2015年9月14日首次直接探测到重力波,其源自於双黑洞合併。之後,又陸續多次探測到重力波事件,特別是於2017年8月17日首次探測到源自於雙中子星合併的重力波事件GW170817。除了LIGO以外,另外還有幾所重力波天文台正在建造。2017年,萊納·魏斯、巴里·巴利許與基普·索恩因成功探測到重力波,而獲得諾貝爾物理學獎。.

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色散关系

在物理科学和電機工程學中,色散关系描述波在介质中传播的色散现象的性质。色散关系将波的波长或波數与其頻率建立了联系。由这组关系,波的相速度和群速度有了方便的确定介质中折射率的表达式。克拉莫-克若尼關係式可以描述波的传播、的频率依赖性,這關係比與幾何相關和與材料相關的色散关系更具一般性。 色散的原因可能是几何边界条件(波导、浅水)或是波与传输介质间的相互作用。基本粒子(被认为是物質波)即使在没有集合约束和其他介质存在下也会有非平凡的色散关系。 在存在色散的情况下,波速不再唯一定义,从而产生了相速度和群速度的区别。.

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電極化

在经典电磁学裏,當給電介質施加一個電場時,由於電介質內部正負電荷的相對位移,會產生電偶極子,這現象稱為電極化(electric polarization)。施加的電場可能是外電場,也可能是嵌入電介質內部的自由電荷所產生的電場。因為電極化而產生的電偶極子稱為“感應電偶極子”,其電偶極矩稱為“感應電偶極矩”。 電極化強度又稱為「電極化矢量」,定義為電介質內的電偶極矩密度,也就是單位體積的電偶極矩。這定義所指的電偶極矩包括永久電偶極矩和感應電偶極矩。它的國際單位制度量單位是庫侖每平方米(coulomb/m2),表示为矢量 P。McGraw Hill Encyclopaedia of Physics (2nd Edition), C.B. Parker, 1994, ISBN 0-07-051400-3.

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速率

速率(Speed)是物理学中的一个基本概念,是指物体在一定时间内经过的路程,用来表示物体运动的快慢程度。 在日常生活中,速率常常和速度混用,但两者在物理学中对应着不同的概念。速率是一个标量,只有大小,没有方向。它的量纲是长度除以时间。速度的量纲和速率相同,但速度是有方向的向量。物体的瞬时速率等于瞬时速度的大小,而平均速率则不一定等于平均速度的大小。在日常生活中,也用“速度”这个词表示速率的意思。 国际单位制中,速率的單位為米每秒(m/s),但日常生活中較常用的單位是千米每小時(km/h)或是英制系統下的英里每小時(mph)。海上船只或物体的行進速率,一般會使用節作為單位。 依照狭义相对论,能量或信息所能傳遞的最快速率為真空中的光速c.

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折射

折射(法語,英語:Refraction,德語: Refraktion, 西班牙語: Refracción),一種常見的物理現象,指當物體或波動由一種媒介斜射入另一種媒介造成速度改變而引起角度上的偏移。「折射」一定等同於「光的折射」,所以雖然光線(一種橫波)會因為「折射」的不同令光的運行方向改變,但「折射」現象並不能用以證明光線是一種波動。最普遍的例子就是用手槍瞄準,當子彈穿過水时,其角度就會因為折射而偏移。 而所謂的「屈折」,也就是「光的折射」,專指光從一種介質進入另一種具有不同折射率之介質,或者在同一種介質中折射率不同的部分運行時,由於波速的差異,使光的運行方向改變的現象。例如當一條木棒插在水裡面時,單用肉眼看會以為木棒進入水中時折曲了,這是光進入水裡面時,產生折射,才帶來這種效果。.

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梯度

在向量微积分中,标量场的梯度是一个向量场。标量场中某一点的梯度指向在這點标量场增长最快的方向(當然要比較的話必須固定方向的長度),梯度的絕對值是長度為1的方向中函數最大的增加率,也就是說 |\nabla f|.

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横波

橫波,又稱為高低波,是介質振動方向和波行進方向垂直的一種波。若此波沿著x軸移動,則介質的振動方向為与x轴垂直的方向上。舉例來說繩波就是一種橫波。水波在外表看起來具有橫波的樣子,但實際上水分子的振動並非單純的與波前進的方向垂直或平行,因此並不適合討論其為橫波或縱波,其形成是高低起伏的波形。 地震时产生的橫波的傳遞速率小於纵波(縱波包括聲波和某些地震引起的震波(P波),其特徵為介質粒子移動方向和行進方向平行)。.

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波或波动是扰动或物理信息在空间上传播的一种物理現象,扰动的形式任意,傳遞路徑上的其他介質也作同一形式振動。波的传播速度总是有限的。除了电磁波、引力波(又稱「重力波」)能够在真空中传播外,大部分波如机械波只能在介质中传播。波速與介質的彈性與慣性有關,但與波源的性質無關。.

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波速

波速指的是波在空間中傳遞的速度,依照波不同特徵所定義而有不同的意涵:.

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波數

在物理學裏,波數是波動的一種性質,定義為每  長度的波長數量(卽每單位長度的波長數量乘以 )。更明確地說,波數是每  長度內,波動重複的次數(一個波動取同樣相位的次數)。波數與波長成反比。用方程的語言說, 其中,\lambda\,\! 是波長。 角频率是單位時間內的角度變化,而波數為單位長度內的角度變化,因此波數即是空間上的角频率。波數對應向量爲波向量。 有時候,波數也會定義為每單位長度的波長的數目。但這樣定義比較不好使用。 從隨著時間而變的函數萃取出的一組數據,經過傅里葉變換,會得到一個頻率譜;而從隨著位置而變的函數萃取出的一組數據,經過傅里葉變換,會得到一個波數譜。 採用國際單位制,波數的單位是m^\,\!。.

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振动

振动(vibration),指一个物体相对于静止参照物或处于平衡状态的物体的往复运动。一般来说振动的基础是一个系统在两个能量形式间的能量转换,振动可以是周期性的(如单摆)或随机性的(如轮胎在碎石路上的运动)。.

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惠更斯-菲涅耳原理

惠更斯-菲涅耳原理(Huygens–Fresnel principle)是研究波传播问题的一种分析方法,因荷蘭物理學者克里斯蒂安·惠更斯和法国物理学者奥古斯丁·菲涅耳而命名。這个原理同时适用于远场极限和近场衍射。 惠更斯-菲涅耳原理能夠正確地解釋與計算波的傳播。基爾霍夫衍射公式給衍射提供了一個嚴格的數學基礎,這基礎是建立於波動方程式和格林第二恒等式。從基爾霍夫衍射公式,可以推導出惠更斯-菲涅耳原理。菲涅耳在惠更斯-菲涅耳原理裏憑空提出的假定,在這推導過程中,會自然地表現出來。 舉一個簡單例子來解釋這原理。假设有两个相邻房间A、B,这两个房间之間有一扇敞开的房门。当声音从房间A的角落裏发出时,则处於房间B的人所听到的这声音有如是位於门口的波源传播而来的。對於房间B的人而言,位於门口的空气振动是声音的波源。 光波对於狹縫或孔徑的衍射也可以用這方式處理,但直观上并不明显,因为可见光的波长很短,因此很难观测到这种效应。.

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散射

傳播中的輻射,像光波、音波、電磁波、或粒子,在通過局部性的位勢時,由於受到位勢的作用,必須改變其直線軌跡,這物理過程,稱為散射。這局部性位勢稱為散射體,或散射中心。局部性位勢各式各樣的種類,無法盡列;例如,粒子、氣泡、液珠、液體密度漲落、晶體缺陷、粗糙表面等等。在傳播的波動或移動的粒子的路徑中,這些特別的局部性位勢所造成的效應,都可以放在散射理論(scattering theory)的框架裏來描述。.

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波传播波傳播波的傳播

传出传入
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