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第七章 宏观物体的物质波(2)-1  

2012-06-15 13:24:11|  分类: 博客书《牛爱力学 |  标签: |举报 |字号 订阅

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第七章 宏观物体的物质波(2)-1

 

弹钢镚儿发生的奇妙越来越多,现在需要从物体波和物质波的不同层次来解释。为了系统地说明运动、振动、波动、物质波的联系和区别,更好地理解观察到的现象,并进一步发现更多的实验事实,有必要对物理基础知识进行一下回顾,下面的这些知识大体上从教科书搬抄,必要的情况下,改变个别字句的描述。

7.9 初高中物理教科书(温故知新)

(初中物理教科书))

19831月第一版的初中物理课本,提到电影、视觉暂留和高速摄影。电影片上有一连串的照片。这些照片是对活动的景物每隔1/24秒拍一张拍摄下来的。也就是说,一秒钟内要依次拍摄24张照片。放映时,用电动机带动电影片,使它上面的照片依次从镜头后面通过,每秒钟通过24张。每张照片都要在镜头后面停顿大约0.04秒的时间。在更换照片的时候,电影放映机上有一个特殊的装置把镜头遮住,使银幕暂时黑暗。

人的视觉有一种叫做视觉暂留的特性,就是外界的景物消失以后,视神经对它的印象还会保留0.1秒的时间。放电影时,银幕上相继出现的像相隔的时间(也就是银幕黑暗的时间)不到0.01秒,并且它们上面的景物变化很小,由于视觉暂留的缘故,我们就觉得像是连续活动的了。

通常,我们看的电影,银幕上的景物活动的情况跟实际上的快慢程度是一致的。这是因为拍摄电影跟放映电影的速度相同,即拍摄时每秒拍24张,放映时也是每秒放24张。如果拍摄时加快拍摄速度,例如每秒拍3900张,而放映时仍每秒放24张,那么银幕上的动作就会比实际的慢一百六十多倍。实际的动作在电影里就是慢悠悠的了。这就是电影里的慢镜头。相反的效果是快镜头。

(高中物理课本)

1.牛顿运动三定律

动力学的奠基人是英国科学家牛顿。牛顿总结了17世纪以前人类关于力学的知识,创造性的提出了三条运动定律,这就是牛顿运动定律,是整个动力学的基础。

(从纷繁的各种力学现象中提纲挈领的分析主要因素,这样,以非常简单的三条力学定律,就可以对所有的运动现象进行分析讨论。)

2.机械振动和机械波,简谐振动

机械振动  物体(或物体的一部分)在某一中心位置两侧所做的往复运动,就叫做机械振动。机械振动常常简称为振动。

振动现象在自然界中是广泛存在的。钟摆的摆动、水上浮标的浮动、蒸汽机活塞的往复运动、担物行走时扁担的颤动、在微风中树梢的摇摆,这些都是振动现象。一切发声的物体,如音叉、锣、鼓、琴弦等,也都是振动物体。我们脚下的大地也经常发生振动,只不过我们察觉不到罢了。大地的剧烈振动,就是破坏性的地震。

简谐振动  弹簧振子 回复力 胡克定律

像弹簧振子那样,物体在跟位移大小成正比,并且总是指向平衡位置的力作用下的振动,叫做简谐振动。简谐振动是最简单、最基本的机械振动。音叉和一端固定的簧片,它们的振动都是简谐振动。

3.振幅、周期和频率

研究不同的运动形式,需要用不同的物理量来描述。匀速和变速直线运动,要用位移、速度和加速度这些物理量来描述。圆周运动要用线速度、角速度这些物理量来描述。机械振动是和直线运动、圆周运动不同的运动形式,要描述它,除了速度和加速度外,还需要用一些新的物理量,这就是针对的振幅、周期和频率。

振动物体离开平衡位置的最大距离,叫做振动的振幅。它是表示振动强弱的物理量。

振动的物体完成一次全振动所需的时间总是一定的,这个时间就叫做振动的周期。

单位时间内完成的全振动的次数,叫做振动的频率。

物体的振动频率,是由振动物体本身的性质决定的,与振幅的大小无关,所以又叫做固有频率。振动的周期也叫做固有周期。

单摆  理论分析表明,通常情况下,单摆的振动不是简谐振动。当摆角很小时,单摆的振动可以看作是简谐振动。伽利略首先发现单摆的等时性。

4.简谐振动的图像

所有的简谐振动图像都是余弦(或正弦)曲线。利用振动图像,可以求出任一时刻振动质点的位移。

振动的能量  弹簧振子和单摆,在振动过程中动能和势能不断转化。在平衡位置动能最大,势能最小;在位移最大时势能最大,动能为零;在任意时刻势能和动能的和,就是振动物体的总机械能。这个能量跟振动的振幅有关,振幅越大,振动的能量越大。

阻尼振动  等幅振动也叫做无阻尼振动。

受迫振动  得到持续的无阻尼振动的最简单的方法,是用周期性的外力作用于振动物体。这种周期性的外力叫做策动力。物体在周期性外力作用下的振动叫做受迫振动。跳板在行人走过时发生的振动,机器底座在机器运转时发生的振动都是受迫振动的例子。物体做受迫振动的频率等于策动力的频率,而跟物体的固有频率无关。

5.共振

共振  策动力的频率与振动物体的固有频率相等时,受迫振动的振幅最大;策动力的频率跟固有频率相差越大,受迫振动的振幅越小。

在受迫振动中,策动力的频率跟物体的固有频率相等的时候,振幅最大,这种现象叫做共振。

共振在技术上的意义  装在同一支架上的许多不同长度的钢片,可以制成测量各种发动机转速的转速计。使转速计与开动着的机器紧密接触,发动机的转动就引起转速计轻微振动。这时,转速计中只有固有频率与发动机的转数一致的那个钢片,才有显著的振幅。从顺着钢片排列的刻度上读出这条钢片的固有频率,就可以知道机器每分钟转动的次数。

共振筛,共振时振幅较大,提高了筛除杂物的效率。在共振引起损坏的情况下,要尽可能远离共振频率,消除共振,避免共振带来的危害。

6.机械波

机械波  由于外来的扰动,在水、绳子和螺旋弹簧上某一点引起的机械振动,会沿着这些物体传播。水、绳子、螺旋弹簧就成为传播振动的媒介物。这种传播振动的媒介物叫做介质。机械振动在介质中的传播过程,叫做机械波。

波是传递能量的一种方式  本来是静止的质点,随着波的传来而开始振动,这表明它获得了能量。质点获得的这部分能量是波从波源传来的,所以波在传播振动的同时,也将波源的振动能量传递出去。波是传递能量的一种方式。

横波和纵波  质点振动方向与波的传播方向垂直,这种波叫做横波。在横波中,凸起部分通常叫做波峰,凹下部分通常叫做波谷。

质点的振动方向与波的传播方向在同一直线上,这种波叫做纵波。在纵波中,质点分布较密的部分叫密部,质点分布较稀的部分叫疏部。

7.波长、频率和波速

两个相邻的、在振动过程中对平衡位置的位移总是相等的质点间的距离,叫做波长。

在横波中,两个相邻的波峰中央间的距离或两个相邻的波谷中央间的距离,都等于波长。

在纵波中,两个相邻的密部中央间的距离或两个相邻的疏部中央间的距离,都等于波长。

振动在一个周期里在介质中传播的距离等于一个波长。

波速等于波长和频率的乘积。

8.波的衍射

最常见的就是水波。水波的许多性质是各种波所共有的。

在水波槽里,水波碰到挡板就会被反射。如果把挡板换成一个大小比波长还小的障碍物,水波就能绕过障碍物而继续传播。在水塘里,微风激起的水波,遇到突出水面的小石、芦苇,也会绕过它们继续传播,好像它们并不存在,这种波绕过障碍物的现象,叫做波的衍射。

除了利用小障碍物外,在波的前进方向上放一个有孔的屏,也可以观察波的衍射现象。

水波的波长相同,孔的宽度不同。在孔的宽度跟波长差不多的情况下,孔后的整个区域里传播着以孔为中心的圆形波,即发生了明显的衍射现象。在孔的宽度比波长大好多倍的情况下,在孔的后面,水波是在连接波源和孔边的两条直线所限制的区域里传播的,只是在离孔比较远的地方,波才稍微绕到“影子”区域里。

如果保持孔的宽度不变,而改变水波的波长。那么,波长跟孔的宽度差不多时,衍射现象明显;波长比孔的宽度小得越多,衍射越不明显。可以设想,波长跟孔的宽度相比非常小时,水波几乎不发生衍射,而沿直线传播。

能够发生明显的衍射现象的条件是,障碍物或孔的尺寸比波长小,或者跟波长差不多。

不只是水波,一切波都能发生衍射,通过衍射,把能量传到“阴影”区域,这是波所特有的现象。

9.波的干涉

波的叠加  两列或几列波相遇,会不会像两个球或几个球相碰那样改变了它们原来的运动状态呢?

假设两个波源在同一个绳的两端发出两个脉冲波,相向传播,两个波在彼此相遇以后,仍像相遇以前一样,各自保持原有的波形,继续向前传播;只是在两波重叠时,绳上质点的位移等于两个波单独传播时引起的位移的矢量和。

在两列波重叠的区域里,任何一个质点的总位移,都等于两列波分别引起的位移的矢量和。

波的干涉  两个频率相同的波源发出的波叠加,将出现稳定的互相间隔的振动最强的区域和振动最弱的区域(如果两列波的振幅相等,这一点的振幅就等于零)。

频率相同的两列波叠加,使某些区域的振动加强,某些区域的振动减弱,并且振动加强和振动减弱的区域互相间隔,这种现象叫做波的干涉。形成的图样叫做波的干涉图样。

如果两个波源的频率不同,那么它们发出的两列波互相叠加时,水面上各点的合振动的振幅,有时是两个振动的振幅的和,有时是两个振动的振幅的差,没有振动总是得到加强或总是受到减弱的区域。这样的两个波源不能产生稳定的干涉现象,不能形成干涉图样。

叠加规律适用于一切波。所以干涉也跟衍射一样是波特有的现象。

10.声波

声源  声音是怎样产生的呢?仔细观察各种发生的物体就会看到,它们只有在振动时才能发声,振动停止了,声音也消失了。

不但音叉、鼓膜、琴弦等固体能振动发声,气体和液体也能振动发声。各种管乐器就是靠气柱的振动而发声的。各种振动着的发声物体,都是声源。

声波  声源的振动,使周围的空气产生疏密变化,形成疏密相间的纵波,这就是声波。不仅空气能够传播声波,别种其气体,固体和液体也能传播声波。真空不能够传播声音,因为没有了传声介质。

声波的反射  反射回来的声波传到耳朵里,就是回声。回声到达人耳比原来的声音滞后0.1秒以上,我们就能够把回声跟原来的声音区分开。声波的反射是很普遍的现象,夏日的雷声,有时轰鸣不绝,是声波在云层界面多次反射造成的。

声波的衍射  一切波,水波、声波、光波都能发生衍射,只是由于波长不同,在同样的条件下,有的会发生明显的衍射,有的表现为直线传播。声波的波长约在1.7cm17m之间,是可以跟一般障碍物的尺寸相比的,所以能绕过一般障碍物,使我们听到障碍物另一侧的声音。而光波的波长,约在0.40.8微米的范围内,跟一般障碍物的尺寸相比,非常非常小,所以在一般情况下几乎不发生衍射。这就是“闻其声而不见其人”的原因。

声波的干涉  声波也能发生干涉。当我们敲响音叉的时候,音叉的两个叉股是频率相同的两个波源,它们产生的两列波会发生干涉。我们围绕正在发声的音叉走一圈,就会听到声音忽强忽弱,这是由于声波的干涉。在空间中不同区域,空气振动的振幅不同,加强区和减弱区交替出现。

11.乐音

乐音和噪音  乐器发出的声音悦耳动听,称为乐音;电锯、卡车发出的声音嘈杂刺耳,称为噪声。

周期性振动的声源附近,我们听到的是有固有频率的声音,听起来虽然有些单调,但却悦耳,是乐音。音叉发出的也是单一频率的乐音。乐音是由周期性振动的声源发出的。它的波的图像也是周期性的曲线。而噪声的声源,做的是无规则的非周期性振动,它的声源的图像也是不规则的曲线。

音调  同是乐音,音调也有高低之分。音调的高低决定于声源的频率,频率越大,音调越高,频率越小,音调越低。

声强与响度  我们听到的声音,有强有弱。这种强弱的差别,归根结底是由声波在一定时间内通过一定面积传播的振动能量多少决定的,我们把每秒通过垂直于声波传播方向的单位面积上的能量叫做声强。这是一个表示声音客观强度的物理量。

响度  是人们主观上感觉到的声音强弱,它跟客观上的声强有密切关系。但是,人耳能听到的最低声强随频率而异。所以,不同频率的声音,即使声强相同,响度也是不一致的。

音品  不同的乐器,即使按照相同的曲谱进行演奏,我们仍然能够区别出每种乐器的声音来:钢琴不同于小提琴,小提琴不同于大提琴。原来各种乐器发出的并不是单一频率的纯音,而是由频率和振幅各不相同的许多纯音组成的。频率最低的叫基音,其余的频率分别是基音频率的整数倍,叫做泛音。音调、响度都相同的钢琴声、黑管声……,各有特色,是由于它们的泛音的多少,泛音的频率和振幅不同。正是泛音的多少、泛音的频率和振幅的大小,决定了各种乐器具有不同的音品。

声音的共鸣  共振现象,在发声振动中也可以看到。发声体之间的共振现象,叫做声音的共鸣。宋代的沈括记载有一种行军宿营的时候用的便于携带的侦听器,就是用牛皮剑套做卧枕,几里远传来的敌军人马声可以被发觉。

12.超声波

频率低于20赫兹和高于20000赫兹的声波,都不能引起人的听觉。低于20赫兹的声波叫次声波,高于20000赫兹的声波叫超声波。

许多动物都有完善的发射和接收超声波的器官。例如蝙蝠即使在黑暗中飞翔也会绕过障碍物,不会发生碰撞。如果用腊封住蝙蝠的耳朵,即使在明亮的房间里,它也会像醉汉一样到处碰壁。把蝙蝠放在超声波探测器前,就会发现它不断发出超声波脉冲,每次脉冲的时间只有千分之一秒左右。水中生活的海豚,也有完善的声纳系统,使它能够在浑浊的水里,准确地确定远处的小鱼位置而猛冲过去吞食。

13.法拉第和场的概念

相隔一定距离的电荷或磁体间的相互作用是怎样发生的,这个问题在历史上有过长期的争论。十九世纪前期,大部分物理学家认为电荷或磁体间的相互作用是超距作用。所谓超距作用是指这种作用不需要任何媒质传递,就能够由一个物体立即作用到另一个物体。

然而法拉第通过实验发现,电作用或磁作用跟电荷之间或磁体之间的媒质有关。他在不同的媒质中进行同样的实验,其作用效果不同。这引起他对电磁作用本质的深思。法拉第认为,电磁力不可能是超越空间并与空间中媒质无关的超距作用。法拉第提出了关于电磁作用的新看法:电荷或磁铁在周围空间产生电场或磁场,正是通过场,才把电作用或磁作用传递到别的电荷或磁体。

经典力学是以超距作用为基础的,空间中除了粒子以外什么也没有,没有粒子的地方是一无所有的真空;粒子间的相互作用是超距作用,不需要通过媒质传递。法拉第提出的场的模型从基本概念上突破了经典力学的框架,为建立近代物理开创了新的起点。

法拉第凭着敏锐的直觉不仅提出了场的概念,而且描绘出一幅清晰的场的图像。他用电力线或磁力线形象地表示电场和磁场。力线密的地方场就强,力线疏的地方场就弱。力线上每一点的切线方向表示场强的方向。法拉第用这幅图像解释了用经典力学无法解释的现象。例如,1831年他发现了电磁感应现象,他借助于磁力线对这一现象很快作出了解释:只要通过闭合电路的磁力线数目发生变化,电路里就会产生电流。

法拉第提出的场的概念还处于萌芽状态。后来麦克斯韦用数学方程定量地描述了电磁场的定律,预言了电磁波的存在,并且把光现象和电磁现象联系起来,得出光波是一种电磁波的结论。场的概念取得了很大成功,并逐渐在物理学中取得了主要地位,是基本的物理概念之一。

14.雷达

雷达是利用无线电波来测定物体位置的无线电设备。

电磁波同声波一样,遇到障碍物要发生反射,雷达就是利用电磁波这个特性工作的。波长越短的电磁波,传播的直线性越好,反射性能越强,因此雷达用的是微波波段的无线电波。

雷达有一个特制的可以转动的天线,它能向一定的方向发射不连续的无线电波。每次发射的时间约为百万分之一秒,两次发射的时间间隔大约是万分之一秒(另一本教科书称:每次发射的时间约为百万分之一秒,两次发射的时间间隔大约是发射时间的一百倍)。这样,发射出去的无线电波遇到障碍物时,可以在这个时间间隔内反射回来被天线接收。

15.光的直线传播

在任何一种介质里,光总是沿着直线传播的。

在暗室的窗上开一个小孔,让一束阳光从小孔射入,由于室内的尘埃微粒对阳光的反射,可以清楚地看出这束阳光的传播路线是直的。这就是光沿直线传播的直接证据。由于光的直线传播,我们不能看到墙壁后面发生的事情,也不能从弯管中看到周围的情景。

  点光源发出的光,照到不透明的物体上时,物体向光的表面被照明,在背光面的后方形成了一个光线照不到的黑暗区域,这就是物体的影。如果把物体放在点光源和屏幕之间,物体就会在屏幕上留下轮廓清晰的投影。影是由发自光源并与投影物体的表面相切的光线围成的。

如果用一个发光面比较大的光源来代替点光源,影的情形就会不同。发光面上的每个发光点,都可以看作一个点光源,它们都在物体背后造成影区。这些影共有的范围完全不会受到光的照射,叫做本影。本影的周围还有一个能受到光源发出的一部分光照射的区域,叫做半影。本影区的大小与光源发光面的大小有关,光源的发光面越大,本影区越小。

16.光速.光速的测定方法

伽利略测定光速的实验方法是失败的。

1676年丹麦天文学家罗默用天文观察的方法,发现光是以有限的速度传播的。1926年美国美国物理学家迈克尔孙采用的旋转棱镜法。棱镜采用八面镜,电动机等速转动,这个测速方法是光速不变、棱镜转速均匀的原理。

17.光的反射  平面镜

反射定律  不论是透明物体还是不透明物体,都要反射一部分射到它表面上的光。实验证明,光在反射时遵守如下的规律:

反射光线跟入射光线和法线在同一平面上,反射光线和入射光线分别位于法线两侧,反射角等于入射角。在反射现象里,光路是可逆的。

平面镜  日常生活里用的镜子,表面是平的,叫做平面镜。平面镜形成的像,既不放大,也不缩小,总是正立的。

平面镜的应用:平面镜可以用作潜望镜中的反射镜面来改变光线的传播方向。

如果两个平面镜互相垂直,在跟这两个镜面垂直的平面内,有一条入射光线AB,经两个镜面反射后,沿CD方向射出。可以证明不论光线AB以多大的入射角射入,反射光线CD都平行于AB射出。根据这个现象,在六十年代,曾制作了由三块平面镜组成的反射器,由登月宇航员带到了月球上。这三块平面镜象房子里的墙角那样,彼此相交成直角,能把任何方向射到镜面上的光线逆着原方向反射回去。精确测出激光从地球射到这个反射器再返回地球的时间,再利用光速值就可以算出月球到地球的距离。

18.光的折射

折射定律  折射率  光路的可逆性

光在大气中的折射  覆盖着地球表面的大气,越接近地表越稠密,折射率也就越大。在这种密度分布不均匀的介质里,光并不是直线传播的。我们可以粗略地认为地球表面上的空气是由许许多多水平的气层组成的,每一层的密度都不相同。星光从一个气层进入下一个气层时就要折向法线方向。结果,我们看到的这颗星星的位置,总比它的实际位置要高一些。这种效应越是接近地平线就越明显。我们看到的靠近地平线的星星的位置,要比它的实际位置高37′。在天文观察中,这种效应是必须考虑的。

19.全反射

全反射现象是自然界里常见的现象。例如,水中或玻璃中的气泡,看起来特别明亮,就是由于一部分射到气泡界面上的光发生了全反射的缘故。

全反射现象的一个非常重要的应用就是用光导纤维来传光、传像。

海市蜃楼——空气中的全反射现象

夏天,在海面平静的日子,站立海滨,极目远眺,有时可以看到远山、船舶、庙宇、楼阁等各种景色,出现在空中。这就是海市蜃楼现象。蜃景现象,不仅在海上能看到,在沙漠中,在柏油马路上,也可以看到。

20.棱镜

光学上常用一种横截面为三角形的三棱镜,简称棱镜,来改变光的传播方向。从从玻璃棱镜的一个侧面射入,从另一侧射出,射出的方向跟射入的方向相比,明显地向着棱镜的底面偏转。这是因为光在棱镜的两个面上发生折射,每次折射都使光线向底面偏折的缘故。如果隔着棱镜看一个物体,就可以看到物体的虚像,这个虚像的位置比物体的实际位置向顶角方向偏移。

折射与光的色散  一束白光通过三棱镜后会发生色散,形成由红、橙、黄、绿、蓝、靛、紫各色光组成的光带。这种按照一定次序排列的彩色光带叫做光谱。光谱的产生表明白光是由各种单色光组成的复色光,而各种单色光通过棱镜时偏转的角度是不同的。

21.光的微粒说和波动说

光在均匀介质中沿着直线传播,在两种介质的界面处会发生反射和折射;光在真空或空气中的传播速度约为3.00×108/秒;光具有能量。光的本质究竟是什么?

光的直线传播只是近似的规律。17世纪的意大利学者格里马第就曾观察到光偏离直线传播的现象。他让光通过小孔射到暗室的墙上,结果发现,墙上亮斑的尺寸要比按照光的直线传播学说计算出来的尺寸大些。

17世纪,荷兰物理学家惠更斯提出了光的波动学说,他认为光是某种振动以波的形式向外传播。但是著名的物理学家牛顿却支持微粒说。微粒说很容易解释光的直进现象,解释光的反射也很容易,因为弹性小球跟光滑平面发生碰撞时的反射规律跟光的反射定律相同。然而微粒说在解释一束光射到两种介质分界面处会同时发生反射和折射,以及几束光相遇后会彼此毫无妨碍地继续向前传播等现象时,却发生了很大的困难。波动说解释后面这些现象比较容易,因为人们知道这是波波经常发生的现象。用水波槽和一些简单仪器做实验就可以看到水波的反射和折射(当水波由深水区进入浅水区或者反过来由浅水区进入深水区时,都会发生折射),并且可以查明水波的反射和折射规律跟光非常相似。湖面上几列水波能够自由地相互穿过,通过一个窗口能同时听到窗外几个人讲话的声音,也是人们熟知的波的现象。然而,波动说在解释光的直进现象时却遇到了困难,因为人们知道的各种波都不会像光那样在物体的后面留下清晰的影子。

光的微粒说和波动说各有成功的一面,但都不能完满地解释当时知道的各种光现象。只是由于牛顿在学术界有很高的声望,致使微粒说在一百多年的长时期里一直占着主导地位,波动说发展得很慢。到了19世纪初,人们成功地在实验中观察到了光的干涉、衍射现象,这是波的特征,无法用微粒说来解释,因而证明了波动说是正确的。这以后,波动说得到了公认,光的波动理论也就迅速发展起来。

但是,19世纪末,又发现了用波动说不能解释的新现象,证实了光的确具有粒子性。人们终于认识到光既具有波动性,又具有粒子性。

22.双缝干涉

干涉现象是波的主要特征之一。光如果是一种波,就必然会观察到光波的干涉现象。1801年,英国物理学家托马斯·杨,在实验室里成功地观察到了光的干涉现象。

让一束单色光(例如红光)投射到一个有孔的屏上,这个小孔就成了一个“点光源”。光从小孔出来后,射到第二个屏的两个小孔上,这两个小孔离得很近(例如0.1毫米),而且与前一个小孔的距离相等。如果光是传播某种振动的波,那末,任何时刻从前一个小孔发出的光波都会同时传到这两个小孔,这两个小孔就成了两个振动情况总是相同的波源,他们发出的波在屏上叠加,就会出现干涉现象:在波峰跟波峰叠加的地方,光就互相加强;在波峰跟波谷叠加的地方,光就互相抵消或削弱。实验果然得到了预期的效果,在光屏上产生了明暗相间的干涉条纹。这就证明了光是一种波。

后来杨又发现,用狭缝来代替小孔,可以得到同样清晰但是明亮得多的干涉图样。这就是著名的双缝干涉实验。

波长和频率  在双缝干涉现象里,明条纹或暗条纹之间的距离,总是相等的。在狭缝间的距离和狭缝与屏的距离都不变的条件下,用不同颜色的光做实验,条纹间的间隔是不同的。红光的条纹间隔最大,紫光的条纹间隔最小。定量的研究告诉我们,光波的波长越长,干涉条纹之间的距离越大,条纹的间距跟光波的波长成正比。所以不同色光的波长也不同:红光的波长最长,紫光的波长最短。

如果我们换用白光来做双缝干涉实验,在屏上就会出现不同颜色的彩色条纹。这是因为白光是由不同颜色的单色光复合而成的,而不同色光的波长不同,产生的明暗条纹间距也不同,所以在屏上出现了彩色条纹。

波长跟频率的乘积等于波速,这个关系对于一切波都是适用的。不同色光在真空中的传播速度相同,而波长不同,因而它们的频率也不同,波长越长频率越小,波长越短频率越大。

23.薄膜干涉

薄膜干涉  燃起一盏酒精灯,在酒精灯火焰里洒上一些氯化钠,使火焰发出黄光。把酒精灯放在金属丝圈上的肥皂液薄膜前,就可以在薄膜上看到火焰的反射像,像上出现了明暗相间的条纹。

竖立的肥皂液薄膜,由于重力的作用,成了上薄下厚的楔形。酒精灯火焰的光照射到薄膜上时,从膜的前表面和后表面分别反射出来,形成两列波,这两列波的频率相同,所以能产生干涉。在薄膜的某些地方,两列波反射回来时恰是波峰和波峰叠加、波谷和波谷叠加,使光波的振动加强,形成黄色的亮条纹;在另外一些地方,两列波的波峰和波谷叠加,使光波的振动互相抵消,形成暗条纹。

如果用白光照射上述肥皂液薄膜,薄膜就出现各种不同颜色的条纹。在肥皂泡上和水面的油膜上常常看到的彩色花纹,也是光的干涉现象。

光的干涉在技术上的应用  例如,在磨制各种镜面或其他精密部件时,对加工表面的形状可以用干涉法检查。

现代光学装置,如摄影机和电影放映机的镜头、潜水镜的潜望镜等,都是由许多光学元件——透镜、棱镜等组成成的。进入这些装置的光,在每个元件的表面上都要受到反射,结果只有入射光的10~20%通过装置(另一本教科书:计算表明,如果一个装置中包含有六个透镜,那么将有50%左右的光被反射),所成的像既暗又不清晰。怎样消除表面反射造成的后果呢?可以在透镜和棱镜的表面涂上一层薄膜(一般用氟化镁)。当薄膜的厚度是入射光在薄膜中的波长的1/4时,在薄膜的两个面上反射的光,路程差恰好等于半个波长,因而互相抵消。这就大大减少了光的反射损失,增强了透射光的强度。这种膜叫增透膜。

入射光一般都是白光,是由各种不同波长的单色光复合而成的。增透膜不可能使所有波长的反射波都互相抵消。因此,在确定薄膜厚度时,应该使光谱中间部分的绿色光,即人的视觉最敏感的光,在垂直入射时完全抵消。这时,光谱边缘部分的红光和紫光并没有显著削弱,所以有增透膜的光学镜头呈淡紫色。

24.光的衍射

取一个不透光的屏,在它的中间装上一个宽度可以调节的狭缝,用平行的单色光照射,在缝后适当距离处放一个光屏。当缝比较宽时,光沿着直线方向通过缝,在光屏上产生一条跟缝的宽度相当的亮线。但是,当缝调到很窄时,光通过缝后就明显地偏离了直线传播方向,照到了屏上相当宽的地方,并且出现了明暗相间的条纹。

用点光源来照射有较大的圆孔的屏,在后一个屏上就得到一个光亮的圆。圆的大小跟按光沿直线传播计算出来的结果是一致的。缩小圆孔,亮圆也跟着缩小。但是,圆孔缩小到一定程度时,在屏上就得到一些明暗相间的圆环,这些圆环达到的范围远远超过了根据光的直线传播所应照明的面积。

上面讲的现象,都无法用光的直线传播来解释,我们看到了光离开直线路径绕到障碍物阴影里去的现象,这种现象叫光的衍射,衍射时产生的明暗条纹或光环,叫衍射图样。

不只是狭缝和圆孔,各种不同形状的障碍物都能使光发生衍射,以致影的轮廓模糊不清,出现明暗相间的条纹。特别有趣的是,在不透明圆板的阴影中心,有一个亮斑。这就是著名的泊松亮斑。1818年,当法国物理学家菲涅耳提出光的波动理论时,著名数学家泊松根据菲涅耳的理论推算出在圆板阴影的中心应该出现一个亮斑。由于从来没有人报道过这样的事情,而且在影子中央出现亮斑,似乎是十分荒谬的,所以泊松兴高采烈地宣传他驳倒了菲涅耳的波动理论。但是,当实验证明了圆板阴影中心确实有一个这样一个亮斑时,光的波动理论就确切无疑地被证实了。

衍射现象的研究表明,我们熟悉的光沿着直线传播只是一种近似的规律。只有在光的波长比障碍物小得多的情况下,光才可以看做是直进的。在障碍物的尺寸可以跟光的波长相比甚至比光的波长还要小的时候,衍射现象就十分明显了。

衍射光栅  光通过单狭缝产生的衍射条纹的位置跟光波的波长有关,因此,利用衍射条纹可以测定波长。但是单缝的衍射条纹比较宽,测量的结果很不精确。为了精确测出光波的波长,可以增加缝数。因为缝数增加以后,从各条单缝衍射出来的光波要相互干涉,结果使明条纹变窄了。

光学仪器中用的衍射光栅就是根据这个原理制成的。常用的透射光栅是在玻璃上可有许多等宽而又等间距的平行刻痕,其中刻痕是不透光的部分。实用的衍射光栅一般在每毫米内有几十条乃至上千条狭缝。光栅产生的衍射条纹又窄又亮,可有精确地测定光的波长。不同波长的光通过光栅后产生的衍射条纹的位置不同,因此,利用光栅可以把不同波长的色光分开,就是说,光栅跟棱镜一样具有分光作用,用它可以产生光谱,这也是光栅的一个用途。

光的偏振  光的干涉和衍射现象清楚地表明光是一种波。我们知道,波有纵波和横波,这两种波都能够产生干涉和衍射现象,那么,光波究竟是纵波还是横波呢?

先用机械波说明纵波和横波的主要区别。沿着绳子传播的横波,如果在它传播的方向上放上带有狭缝的木板,只要狭缝的方向跟绳的振动方向相同,绳上的横波就可以毫无阻碍地传过去;如果把狭缝的方向旋转90度,绳上的横波就不能通过了。这种现象叫做横波的偏振。纵波是沿着波的传播方向振动的,不论狭缝方向如何,纵波都可以传过去,不会发生偏振现象。

十九世纪法国科学家马吕发现光也有偏振现象。光通过偏振片时观察到的现象可以跟机械波的偏振现象相比较,表明光通过晶片时产生偏振现象。只有横波才产生偏振现象,所以光波是横波。

光需要通过起偏器和检偏器之后才能够观察到光是一种横波的偏振现象,可以如下解释:太阳、电灯等普通光源发出的光,包含着在垂直于传播方向上沿一切方向振动的光,并没有一个占优势的方向,也就是说,沿着各个方向振动的光波强度都相同,这种光叫做自然光。自然光通过第一个晶片(叫做起偏器)后,相当于被一个“狭缝”卡了一下,只有振动方向跟“狭缝”方向一致的光波才能通过,这种振动方向一定的光叫做偏振光。每个偏振片上都有一条标线,表示的就是偏振片允许通过的偏振光的振动方向,这个方向叫做偏振片的偏振化方向。自然光通过第一个晶片后虽然变成了偏振光,但由于自然光中沿各个方向振动的光波强度都相同,所以不论晶片转动什么方向,都会有相同强度的光透射过来。再通过第二个晶片(叫做检偏器)去观察,情形就不同了。不论旋转哪个晶片,两晶片的偏振化方向一致时,透射光最强,两晶片的偏振化方向相互垂直时,透射光最弱。

光的偏振现象并不是罕见的。我们通常看到的绝大部分光,除了从光源直接射来的,基本上都是偏振光,只是我们眼睛不能鉴别罢了。如果通过偏振片去观察从玻璃或水面反射的光,旋转偏振片,就会发现透射光的强度也发生周期性的变化,从而知道反射光是偏振光。

光的偏振现象在技术中有很多应用。例如,在拍摄水面下的景物或展览橱窗中的陈列品的照片时,由于从水面或窗玻璃会发出很强的反射光,使得水面下的景物和橱窗中的陈列品看不清楚,摄出的照片也模糊不清。如果在照相机镜头上加一个偏振片,使偏振片的偏振化方向与反射光的垂直,就可以把这些反射光滤掉,而摄得清晰的照片。

25.光的电磁说,电磁波谱

光的电磁说  光的干涉和衍射现象无可怀疑地证明了光是一种波。到19世纪中期,光的波动说已经得到公认。但是光波的本质问题仍然没有解决。人们总是习惯于按照机械波的模型把光波看出是在某种弹性介质里传播的振动。

1846年,法拉第发现在磁场的作用下,偏振光的振动面会发生改变。这个发现很重要,它表明光和电磁现象间存在着联系,启示人们把光现象和电磁现象联系起来考虑。

到了19世纪60年代,英国物理学家麦克斯韦提出了电磁波的理论,认为变化的电场和变化的磁场联系在一起形成的统一的电磁场,能以波的形式从它产生的地方向四周传播,并且指出电磁波是横波,电磁波的传播速度跟实验测得的光速相同。在这个基础上,麦克斯韦提出光是一种电磁波。这就是光的电磁说。

1888年,赫兹用实验证实了电磁波的存在,并且证明了电磁波也跟光波一样具有反射、折射、干涉、衍射等性质。他还通过干涉实验测出了一定频率的电磁波的波长,算出了电磁波的波速,结果跟麦克斯韦关于电磁波的波速等于光速的预言符合得相当好。这就证明了麦克斯韦的光的电磁理论是正确的。

红外线是英国物理学家赫谢耳在1800年发现的。

紫外线是德国物理学家里特在1801年发现的。

伦琴射线是德国物理学家伦琴在1895年发现的。

电磁波谱  无线电波、红外线、可见光、紫外线、伦琴射线、γ射线合起来,构成了范围非常广阔的电磁波谱。其中最长的波长是最短的波长的1021倍以上。不同的电磁波产生的机理不同。无线电波是振荡电路中自由电子的周期性运动产生的,红外线、可见光、紫外线是原子的外层电子受到激发后产生的,伦琴射线是原子的内层电子受到激发后产生的,γ射线是原子核受到激发后产生的。长波的红外线和微波已经重叠,短波的紫外线已经进入伦琴射线的区域。所以,它们之间的区别并没有绝对意义。总的来说,从无线电波到γ射线,都是本质上相同的电磁波,它们的行为服从共同的规律,但另一方面,由于它们的频率或波长不同而又表现出不同的特性,例如,波长较长的无线电波,很容易表现出干涉、衍射等现象,但对波长越来越短的可见光、紫外线、伦琴射线、γ射线,要观察到它们的干涉、衍射现象,就越来越困难了。

26.光谱和光谱分析

可见光是由原子内部的电子受到激发后产生的。由于每一种元素的原子发出的光都具有自己的特征,因此,研究物体的发光情况,就可以了解它含有哪些元素,即了解它的化学组成。

发射光谱  由发光物体直接产生的光谱叫做发射光谱。

炽热的固体、液体及高压气体的光谱,是由连续分布的一切波长的光组成的,这种光谱叫做连续光谱。

稀薄气体发光,会产生另一种光谱,是由一些不连续的亮线组成的。这种光谱叫做明线光谱。

把固态或液态物质放到煤气灯的火焰或电弧中去烧,使它们气化后发光,就可以从分光镜中看到它们的明线光谱。

从实验知道,各种元素都有一定的明线光谱,元素不同,明线光谱也不同。所以,明线光谱又叫原子光谱。每种元素的原子只能发出某些具有特定波长的光谱线。这些谱线叫做那种元素的特征谱线。

吸收光谱  让炽热的固体发出的白光通过较冷的蒸气(在酒精灯心上放一些食盐,食盐受热分解就产生钠蒸气),再用分光镜来观察,在连续光谱的背景上就出现了两条挨得很近的暗线,这两条暗线的波长恰好跟钠蒸气的发射光谱中两条黄色亮线相同。进一步的实验表明,白光通过每一种气体时,光谱中都会产生一组暗线,每条暗线的波长,都跟那种气体原子的一条特征谱线相对应。这就表明,每种气体都能从通过它的白光中吸收跟它的特征谱线波长相同的那些光,使白光的连续光谱中出现暗线。因此,我们把连续光谱中某些波长的光被物质吸收后产生的光谱叫做吸收光谱。通常在吸收光谱中看到的特征谱线比明线光谱中的要少一些。

27.光电效应

在光(包括不可见光)的照射下从物体发射出电子的现象叫做光电效应,发射出来的电子叫做光电子。

光子说  1900年,德国物理学家普朗克在研究电磁辐射的能量分布时发现,只有认为电磁波的发射和吸收不是连续的,而是一份一份地进行的,每一份的能量等于hv,理论计算的结果才能跟实验事实完全符合。爱因斯坦1905年提出,在空间传播的光也不是连续的,而是一份一份的,每一份叫做一个光子,光子的能量跟它的频率成正比。光子说能够很好地解释光电效应。

光电管  光电效应把光信号转变为电信号,动作非常迅速灵敏,因此在科学技术中得到了广泛的应用。真空光电管体积大,使用起来不方便,在光纤通信中,用的是半导体光电管。这是利用半导体的光电效应制成的器件,它的作用跟真空光电管相似,能够把光信号转变为电信号。

28.光的波粒二象性

光的干涉、衍射和偏振现象无可争辩地表明光具有波动性,而光电效应又无可争辩地表明光具有粒子性。在,人们认识到,光既有波动性,又有粒子性,也就是说,光具有波粒二象性。

17世纪的微粒说和波动说是互相对立的两种学说,都企图用一种观点去说明光的本性,这是受了传统观念的影响。传统观念是我们在观察周围世界的宏观现象中形成的,波动性和粒子性在宏观现象中是互相对立的、矛盾的,没有任何宏观物体既有波动性,又有粒子性。

但是,对于光子这样的微观粒子,却只有从波粒二象性出发,才能说明它的各种行为。实际上,光子说并没有否定光的电磁说,光子的能量E=hv,其中的频率v表示的仍是波的特征。可见,对于宏观物体来说不可想象的波粒二象性,在微观世界却是不可避免的。不过,承认光的波粒二象性,要求我们既不可把光当成宏观观念中的波,也不可把光当成宏观观念中的粒子。

那么,在微观世界中,波和粒子的图像又是怎样统一起来的呢?物理学家的下述实验可以帮助我们理解这个问题。在光的双缝干涉实验中,在屏处放上照相底片,并设法减弱光流的强度,使光子只能一个一个地通过狭缝。实验结果表明,如果曝光时间不太长,底片上只出现一些无规则分布的点子,那些点子是光子打在底片上形成的,表现出光的粒子性。这些点子的分布是无规则的,可见光子的运动跟我们在研究宏观现象时假设的质点的运动不同,没有一定的轨道。如果曝光时间足够长,底片上就出现了规则的干涉条纹,就像用强光经短时间曝光后产生的一样。可见,光的波动性是大量光子表现出来的现象。在干涉条纹中,那些光波强度大的地方,也就是找到光子机会多的地方,或者说是光子到达的几率大的地方;光波强度小的地方,或者说是光子到达的机会少的地方,或者说光子到达的几率小的地方。所以,可以把光的波动性看做是表明大量光子运动规律的一种几率波。

29.物质波

法国物理学家德布罗意在1924年提出一个假设,认为波粒二象性不只是光子才有,一切微观粒子,包括电子和质子、中子、都有波粒二象性。

人们用电子束射到铝箔上进行实验,证明了电子的确具有波动性。后来又用原子射线和分子射线做类似的实验,同样得到了衍射图样。质子和中子的衍射实验也做成功了。这就证明了一切运动的微观粒子都具有波粒二象性,其波长与动量的关系都符合德布罗意公式。于是人们就把这种波叫做德布罗意波或物质波。

物质波是一种什么波呢?我们知道,机械波是周期性的振动在媒质内的传播,电磁波是周期变化的电磁场的传播。物质波既不是机械波,也不是电磁波。1926年,德国物理学家玻恩提出了符合实验事实的后来为大家公认的统计解释:物质波在某一地方的强度跟在该处找到它所代表的粒子的几率成正比。按照玻恩的解释,物质波乃是一种几率波。

30.玻尔的原子模型  能级

玻尔的原子模型  卢瑟福的原子核式结构学说很好地揭示了a粒子的散射实验,初步建立了原子结构的正确图景,但跟经典的电磁理论发生了矛盾。原来,电子没有被库仑力吸引到核上,它一定是以很大的速度绕核运动,就像行星绕着太阳运动那样。按照经典电磁理论,绕核运动的电子应该辐射出电磁波,因此它的能量要逐渐减少。随着能量的减少,电子绕核运行的轨道半径也要减小,于是电子将沿着螺旋线的轨道落入原子核,就像绕地球运动的人造卫星受到上层大气阻力不断损失能量后要落到地面上一样。这样看来,原子应当是不稳定的,然而实际上并不是这样。同时,按照经典电磁理论,电子绕核运行时辐射电磁波的频率应该等于电子绕核运行的频率,随着运行轨道半径的不断变化,电子绕核运动的频率要不断变化,因此原子辐射电磁波的频率也要不断变化。这样,大量原子发光的光谱就应该是包含一切频率的连续光谱,然而实际上原子光谱是由一些不连续的亮线组成的明线光谱。

这些矛盾表明,从宏观现象总结出来的经典电磁理论不适用于原子这样小的物体产生的微观现象。1913年玻尔在卢瑟福学说的基础上,把普朗克的量子理论运用到原子系统上,玻尔理论的主要内容是如下的假设:

一、原子只能处于一系列不连续的能量状态中,在这些状态中原子是稳定的,电子虽绕核运动,但并不向外辐射能量。这些状态叫做定态。

二、原子从一种定态跃迁到另一种定态时,它辐射(或吸收)一定频率的光子,光子的能量由这两种定态的能量差决定。

三、原子的不同能量状态跟电子沿不同的圆形轨道绕核运动相对应。原子的定态是不连续的,因此电子的可能轨道的分布也是不连续的。

能级  氢原子的各个定态的能量值,叫做它的能级。

在正常状态下,原子处于最低能级,这时电子在离核最近的轨道上运动,这种定态叫做基态。给物体加热或有光照射物体时,物体中的某些原子能够从相互碰撞或从入射光子中吸收一定的能量,从基态跃迁到较高能级,这时电子在离核较远的轨道上运动,这些定态叫做激发态。原子从基态向激发态跃迁的过程,是吸收能量的过程。原子从较高的激发态向较低的激发态或基态跃迁的过程,是辐射能量的过程,这个能量以光子的形式辐射出去,这就是原子发光现象。原子无论吸收能量或辐射能量,这个能量都不是任意的,而是等于原子发生跃迁的两个能级的能量差。

31.玻尔理论的局限性

玻尔理论在解释氢原子光谱上获得了成功,但用来解释比较复杂的原子,例如有两个外层电子的原子光谱时却碰到很大的困难,理论推导出来的结论跟实验事实出入很大。玻尔和其他物理学家研究了这些问题,终于明白这个理论成功之处在于它引入了量子观念,失败之处在于它保留了过多的经典物理理论。

到本世纪20年代,大约在玻尔理论建立十年之后,建立了量子力学。量子力学是一种彻底的量子理论。量子力学不但成功地解释了玻尔理论所能解释的现象,而且能够解释大量的玻尔理论所不能解释的现象。我们在前面提到的玻尔理论的基本假设,在量子力学里也变成了从理论上推导出来的必然结果,而不再是人为的假设了。建立在量子力学基础上的原子理论中,核外电子没有确定的轨道,它时而在这里出现,时而又在那里出现,即便是只有一个电子的氢原子也是这样。如果从电子少数几次的行为来看,是毫无规律的。但是如果对电子出现的情况进行大量的统计,就会发现,电子经常出现在核外空间的一个比较固定的区域里;在这个区域之外,电子出现的机会很少。根据量子力学的理论,能量不同的电子,在核外空间经常出现的区域也不同。氢原子处于最低能量状态时,它的电子经常出现的区域,是以原子核为中心的一个球壳,这个球壳的半径是0.53×10-10米,跟玻尔计算的氢原子处于最低能量状态时的半径相同。这样,量子力学就抛弃了从经典理论引用来的电子运动轨道的概念。玻尔理论中的电子轨道,只不过是电子出现机会最多的地方。为了表示电子运动的这种统计规律,可以用一种形象化的办法,就是在电子经常出现的区域内,用小黑点的稠密与稀疏来代表电子在核外各处出现机会的多少。这样,我们就看到原子核好像是被一层电子的云雾笼罩着,云雾浓度大的地方,电子出现的机会多,云雾浓度小的地方,电子出现的机会少。于是电子云的概念就代替了玻尔理论中的电子轨道的概念。

32.电磁振荡

机械振动能够产生机械波,电磁振荡能够产生电磁波。

电磁振荡  充满电的电容器,连接一个电流表,通过线圈放电。那么可以看到电流表的指针左右摆动,表明电路里产生了大小和方向作周期性变化的交变电流。通常把这样产生的交变电流叫做振荡电流,能够产生振荡电流的电路叫做振荡电路。电感线圈和电容器组成的电路就是一种简单的振荡电路,简称LC回路。

用示波器来观察振荡电流,可以看到,在LC回路里产生的振荡电流也是按正弦规律变化的。

LC电路中,当电容器从充满电的状态和电感线圈刚刚接通电路瞬间,电容器尚未放电,电路中没有电流,电路里的能量全部是电容器里储存的电场能。

电容器开始放电后,由于线圈的自感作用,电路里的电流不能立即达到最大值,而是由零逐渐增大。放电过程中,线圈周围产生磁场,并且随着电流的增大而增强;电容器极板上的电荷逐渐减少,电容器里的电场逐渐减弱。这样,电路里的电场能逐渐转化为磁场能。到放电完了时,电流达到最大值,电容器极板上已经没有电荷,电场能全部转化为磁场能。

电容器放电完了之后,由于线圈的自感作用,电路里的电流并不立即减小到零,而是保持原来的方向继续流动,使电容器在反方向上重新充电。在反方向充电的过程中,随着电流的减小,线圈周围的磁场逐渐减弱;电容器两极板带上相反的电荷,电容器里的电场随着极板上电荷的增多而增强。这样,电路里的磁场能又逐渐转化为电场能。充电完了时,电流减小为零。电容器极板上的电荷达到最大值,磁场能全部转化为电场能。

此后电容器再放电,再充电,这样不断地充电和放电,电路中就有了振荡电流,同时电场能和磁场能发生周期性的转化,这种现象叫做电磁振荡。

简易的LC振荡电路,电磁振荡跟机械振动中的自由振动类似,叫做自由振荡。最初给电容器充电,相当于使单摆的摆锤偏离平衡位置,给摆锤一定的重力势能。电路中电场能和磁场能的相互转化,相当于单摆中重力势能和动能的相互转化。

电磁振荡的周期和频率  电磁振荡完成一次周期性变化需要的时间叫做周期,一秒钟内完成的周期性变化的次数叫做频率。

振荡电路里发生无阻尼自由振荡的周期和频率,叫做振荡电路的固有周期和国有频率,简称振荡电路的周期和频率。

33.电磁场

电磁振荡能够产生电磁波。

麦克斯韦用场的观点分析了电磁感应现象,并作出结论:变化的磁场能够在周围的空间产生电场。这是电磁场理论的第一个要点。在变化的磁场中放一个闭合的电路,电路中就产生感生电流。这是我们学过的电磁感应现象。我们知道,要产生电流,必须有电荷做定向移动的电场存在。现在闭合电路里有了电流,说明有电场存在;这个闭合电路中没有其他电源,这个电场只能认为是由于磁场的变化而产生的。麦克斯韦进一步认为,这个电场的产生,跟是否存在着闭合电路没有关系,只要磁场发生变化,在周围空间里就要产生电场。

麦克斯韦还指出:变化的磁场所产生的电场,是由磁场的变化情况决定的。如果磁场的变化是均匀的,即在相等的时间内磁感应强度的变化相等,产生的电场就是稳定的,即电场强度不随时间而变化。如果磁场的变化是不均匀的,产生的电场就是变化的。

既然变化的磁场能够产生电场,相反地,变化的电场是否也能够产生磁场呢?麦克斯韦用场的观点分析了电磁现象,认为变化的电场能够在周围的空间产生磁场。这是电磁场理论的第二个要点。一个静止的电荷,它产生的是静电场,即空间各点的电场强度不随时间而变化。这个电荷一旦运动起来,电场就发生变化,即空间各点的电场强度将随着时间而变化。另一方面,运动电荷要产生磁场。用场的观点来分析这个问题,就可以说,这个磁场是由变化的电场产生的。在电容器充电时,两极板间的电场发生变化,这个变化的电场产生磁场,而且这个磁场跟假定两极板间存在电流时所产生的磁场是一样的。

变化的电场所产生的磁场,是由电场的变化情况决定的。如果电场的变化是均匀的,产生的磁场就是稳定的。如果电场的变化是不均匀的,产生的磁场就是变化的。

变化的磁场产生电场,变化的电场产生磁场,这是麦克斯韦理论的两大支柱。按照这个理论,变化的电场和磁场总是相互联系的,形成一个不可分离的统一的场,这就是电磁场。电场和磁场只是这个统一的电磁场的两种具体体现。

34.电磁波

从麦克斯韦电磁场理论可以知道:如果在空间某处发生了不均匀变化的电场,就会在邻近的空间引起变化的磁场,这个变化的磁场又会在较远的空间引起新的变化的电场,接着又在更远的空间引起新的变化的磁场。这样,变化的电场和变化的磁场并不局限于空间某个区域,而要由近及远向周围空间传播开去。电磁场这样由近及远地传播就形成电磁波。

简单的LC振荡电路中有振荡电流时,会产生周期性变化的电场和磁场,这种电场和磁场的变化是不均匀的,因而会激起电磁波向外传播。电磁波的周期和频率等于激起电磁波的振荡电流的周期和频率。振荡电路中有振荡电流时,电荷做快速振动,可见做快速振动的电荷会激起电磁波。

从场的观点来看,必须把场看作能量的储存场所,电磁储存电能,磁场储存磁能,电磁场储存电磁能。因此,电磁波的发射过程,也就是辐射能量的过程,电磁波在空间传播,电磁能就随同着一起传播。

电磁波虽然可以由做快速振动的电荷所激起,但它可以脱离电荷而独立存在。设想一个振动的电荷突然停止运动,它的场就变成了静电场。原先它所激起的电磁波并不随同消失,而是在空间继续传播着。这时电磁波独立地存在着,我们可以象研究任何其他事物的变化过程一样来研究电磁波的变化过程。

电磁波有一点跟机械波大不相同。机械波要靠媒质来传播。电磁波可以在真空中传播,它的传播并不需要靠别的物质来做媒质;由于变化的电场和变化的磁场具有密不可分的联系,电磁波本身就能够传播。

电磁波可以脱离电荷而独立存在,并且不需要别的物质来做媒质就能够在空间传播,电磁波也具有能量。这样看来,电磁场跟由原子、分子组成的物质(通常叫做实物)一样,都是不依赖于我们感觉的客观存在。电磁场是物质的一种特殊形态。

要利用电磁波,就必须有效地向外发生电磁波。普通的电容器和线圈组成的振荡电路,向外辐射能量的本领是很差的。这种振荡电路通常叫做闭合电路,电场和磁场几乎完全集中在电容器和线圈内,电场能和磁场能主要是在电路内互相转化,辐射出去的能量极少,实际上不能用来发射电磁波。为了有效地发射电磁波,必须尽可能是电场和磁场分开,构成开放电路。

实际应用的开放电路,线圈下部用导线接地,这条导线叫做地线;线圈上部接到比较高的导线上,这条导线叫做天线。天线和地线形成了一个敞开的电容器。

研究表明,振荡电路辐射能量的本领跟振荡频率有关。电磁振荡的频率越高,向外辐射能量的本领就越大。因此,在无线电技术中使用的振荡电流频率都很高,在几百千赫以上。

由无线电台发射出的是经过调制的载有信号的电磁波,在调谐电路中因电谐振而产生的也是经过调制的高频振荡电流。这种电流通过收音机的耳机或扬声器,并不能使它们振动而发声。为什么呢?假定某一个半周期电流的作用是使振动片向某个方向运动,下一个半周期电流就以几乎同样大的作用使振动片向反方向运动。高频电流的周期非常短,半周期更短,而振动片的惯性相当大,所以在振动片还没有来得及在电流的作用下向某个方向运动的时候,就立即有一个几乎同样大的作用要使它向反方向运动,结果振动片实际上不发生振动。因此,在电磁波的接收中还必须设法从进过调制的高频振荡电流中取出发射时加上去的调制信号。

 
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