什麼時候用球面波物理光學

Ⅰ 平面波與球面波哪個更常見

球面波。根據查詢物理光學可知，球面波更常見，波陣面為同心圓的波稱為球面波。球面波向四面八方擴散，球面波各質點振幅與距離成反比，實際應用超聲波探頭的波源近似於活塞波振動，當距離波源的距離足夠大時，活塞波類似於球面波。

Ⅱ 幾何光學的使用條件是什麼什麼時候要用物理光學處理

可以這樣認為，幾何光學是光波長為0的極限情況
當障礙物線度與光波長可以相比，甚至比光波長小時、要考慮光的波動效應，用菲涅爾積分公式
障礙物線度遠遠大於光波長時、可以完全看做幾何光學
另外、幾何光學三定律可以由惠更斯的球面次波原理推得，衍射（或者干涉）條紋的主極大處就是光源的幾何像點

Ⅲ "波動理論"怎麼解釋反射現象（高中物理）

高中物理波動光學好像沒有什麼有意義的結論，干是這么定性的描述，是不可能推倒出嚴格的反射現象的。惠更斯原理可以用，但不嚴格，因為只適用於球面波。真正嚴格的推導是用復變函數加上麥克斯韋方程和邊界條件解出來。這樣可以嚴格的推導折射反射定律，及其偏振關系。

Ⅳ 球面波的反射、透射以及首波的形成

以上都是從平面波理論出發討論問題，實際上平面波既是一種近似又是一種數學概念的抽象，和實際球面波投射尚有差異，其不同點是：①平面波是以恆定的角度α投射至界面，因此沿界面x軸方向α角是不變的。球面波投射至界面時，沿x方向上的每一點α都是變化的。②平面波作為數學抽象可以不考慮其能量的擴散問題，而球面波則必須考慮這個問題。因而進一步討論球面波的投射問題就十分必要了。有了前面平面波研究的基礎，再討論球面波就比較容易了。下面僅就球面波入射時，沿界面入射角發生變化後會產生什麼現象作進一步分析。

首先研究v_P1 ＜v_P2的情況，當球面縱波入射至反射界面上，入射角α沿x軸可由0°變化到90°。從前一節理論分析已知，縱波反射系數是入射角α的函數，因此隨著入射角α的變化，反射界面上各點的反射系數亦發生變化，即反射波的相對強度隨入射角而變，其變化規律正如前面各族曲線所描述的那樣。此外，根據斯奈爾定律

地震波場與地震勘探

可得

地震波場與地震勘探

此處α是入射角，α₂ 是縱波透射角。α由0°變化到90°時，sinα是單調增大的。由於v_P1＜v_P2，sinα₂ 總是大於sinα，故存在一個α角達到i_PP時，使α₂＝90°或sinα₂＝1。於是（1-4-17）式變為

地震波場與地震勘探

角i_PP稱為臨界角。即當入射縱波以臨界角投射時，透射縱波在界面附近的波前已完全垂直於反射界面，見圖1-4-8。當α以大於臨界角的角度投射時，按（1-4-17）式可得

sinα₂＞1。因為在實數域中sinα₂ 值只能在0 到1 之間變化，只有在復數域中才可能滿足sinα₂＞1情況。因此，需要進行復數域中的討論。此時方程組（1-4-4）中的透射波位移可寫為

圖1-4-8 折射波 （首波） 形成示意圖

地震波場與地震勘探

式中，

。

當sinα₂＞1時，有

地震波場與地震勘探

此處

為虛數，m為實數，於是位移表達式就變為

地震波場與地震勘探

在利用佐普瑞茲方程求解T_PP時，因它與cosα₂ 有關，而cosα₂ 由（1-4-19）式可知是一個復數，故T_PP可用相角的形式表示為

地震波場與地震勘探

代入（1-4-20）式得：

地震波場與地震勘探

分析（1-4-22）式可以發現，當入射角大於臨界角時，透射縱波是沿x軸運行的諧和波，其振幅由T′_PP e^∓kzm決定。由於k和m都是實數，說明該振幅是沿著z軸迅速衰減（取負號）或增大（取正號）的，後者顯然不可能發生，否則會得出隨深度z的增加透射波振幅無限增大的錯誤結論。於是（1-4-22）式應寫為

地震波場與地震勘探

式中後面指數項中φ的存在表示該透射波相位比入射波和反射波相位超前一個φ值。這意味著在大於臨界角之後，透射波的波前面開始脫離入射波和反射波而超前運動。相位的超前可以用透射波此時沿x軸以下面介質波速

運行來解釋，該波速大於上面介質波速

。反射波和透射波之間波前面的脫離不能使它們之間的彈性介質質點運動脫節，於是，必定有一種新的擾動來填補這二個波前面的脫離。這個新擾動的波前面一定是一端與透射波的波前面相連，另一端與反射波的波前面相切，如圖1-4-8所示。這個新擾動稱為首波（P₁₂₁），也就是地震勘探中的折射波。由此可見，當

時，在以臨界角入射後，透射波的能量主要集中在界面附近，它的能量不斷地向上轉化給首波，形成折射波的能量，這同前一節描述的曲線族是相符的：在臨界角以後觀測不到透射波。另外，這一新擾動折射波只能在臨界角之外才能觀測到，在震源附近是觀測不到的。臨界角內觀測不到折射波的地段稱為折射波的盲區。由上述分析可知，折射波的形成條件要比反射波苛刻得多，不僅上下界面的速度要不相等，而且必須滿足下層介質的速度大於上層介質的速度這一條件，所以實際工作中地震反射界面要比地震折射界面多得多。如果說反射界面是波阻抗界面的話，則折射界面就是速度界面。

由圖1-4-8可以看到，折射波的波前面在二維空間是一條直線，在三維空間上是一個圓錐（台）。由於圓錐的側面積是πLr，故單位面積上的能通量密度（I）與其半徑成反比，亦即折射波振幅A與

成反比。由此可見，由於折射波的波前面是圓錐面，所以它的波前擴散要比反射波的球面擴散慢，亦即折射波的能量隨著遠離震源的衰減程度要比反射波慢。

同樣，當橫波速度滿足

時，在界面上亦會形成折射橫波，其物理機制與折射縱波一樣，這里就不多述。

最後，當

時，α角由0°變化到90°，總可以滿足斯奈爾定律在W₁介質中形成反射。即使α＝90°時，α₂ 角也不會超過90°。因此，這種情況下不可能形成折射波。它與圖1-4-6a所示的曲線結果是完全一致的。

Ⅳ 光的直線傳播條件

光的直線傳播條件是在同種均勻介質中。

光的直線傳播不僅是在均勻介質，而且必須是同種介質。光在兩種均勻介質的接觸面上是要發生折射的，此時光就不是直線行進了。 用波動學解釋光的傳播：傳播途中每一點都是一個次波點源，發射的是球面波。

光在同種均勻介質中沿直線傳播，通常簡稱光的直線傳播。它是幾何光學的重要基礎，利用它可以簡明地解決成像問題。人眼就是根據光的直線傳播來確定物體或像的位置的，這是物理光學里的一部分。

Ⅵ 急求！關於高二物理 振動波的相關概念問題！在線等！

機械振動在介質中的傳播稱為機械波。
機械波與電磁波既有相似之處又有不同之處，機械波的傳播需要特定的介質，在不同介質中的傳播速度也不同，在真空中根本不能傳播；而電磁波（例如光波）可以在真空中傳播。機械波與電磁波的許多物理性質，如：折射、反射等是一致的，描述他們的物理量也是相同的。
常見的機械波有：水波聲波、地震波。
形成與傳播
形成條件
波源
波源也稱振源，指能夠維持振動的傳播，不間斷的輸入能量，並能發出波的物體或物體所在的初始位置。波源即是機械波形成的必要條件，也是電磁波形成的必要條件。
波源可以認為是第一個開始振動的質點，波源開始振動後，介質中的其他質點就以波源的頻率做受迫振動，波源的頻率等於波的頻率。
介質
廣義的介質可以是包含一種物質的另一種物質。在機械波中，介質特指機械波藉以傳播的物質。僅有波源而沒有介質時，機械波不會產生，例如，真空中的鬧鍾無法發出聲音。機械波在介質中的傳播速率是由介質本身的固有性質決定的。在不同介質中，波速是不同的[1]。
下表給出了0℃時，聲波在不同介質的傳播速度，數據取自《普通高中課程標准實驗教科書-物理（選修3-4）》(2005年)。單位v/m·s^-1[1]。
介質 空氣 純水 鹽水 橡膠 軟木 銅 鐵
波速 332 1490 1531 30～50 480 3800 4900
傳播方式與特點
質點的運動
機械波在傳播過程中，每一個質點都只做上下（左右）的簡諧振動，即，質點本身並不隨著機械波的傳播而前進，例如：人的聲帶不會隨著聲波的傳播而離開口腔。
為了說明機械波在傳播時質點運動的特點，現已繩波（右下圖）為例進行介紹，其他形式的機械波同理。
繩波繩波是一種簡單的橫波，在日常生活中，我們拿起一根繩子的一端進行一次抖動，就可以看見一個波形在繩子上傳播，如果連續不斷地進行周期性上下抖動，就形成了繩波。
把繩分成許多小部分，每一小部分都看成一個質點，相鄰兩個質點間，有彈力的相互作用。第一個質點在外力作用下振動後，就會帶動第二個質點振動，只是質點二的振動比前者落後。這樣，前一個質點的振動帶動後一個質點的振動，依次帶動下去，振動也就發生區域向遠處的傳播，從而形成了繩波。如果在繩子上任取一點繫上紅布條，我們還可以發現，紅布條只是在上下振動，並沒有隨波前進。
由此，我們可以發現，介質中的每個質點，在波傳播時，都只做簡諧振動（可以是上下，也可以是左右），機械波可以看成是一種運動形式的傳播，質點本身不會沿著波的傳播方向移動。
機械波傳播的本質
在機械波傳播的過程中，介質里本來相對靜止的質點，隨著機械波的傳播而發生振動，這表明這些質點獲得了能量，這個能量是從波源通過前面的質點依次傳來的。所以，機械波傳播的實質是能量的傳播，這種能量可以很小，也可以很大，海洋的潮汐能甚至可以用來發電，這是維持機械波（水波）傳播的能量轉化成了電能。
惠更斯原理(Huygens principle)
惠更斯原理用於解釋球面波和平面波的傳播，此外還可以解釋波的反射、衍射的現象
在總結許多實驗的基礎上，荷蘭科學家惠更斯提出：介質中波陣面上每一個點（有無數個）都可以看成一個新的波源，這些新的波源發出的子波。經過一定時間後，這些子波的包絡面就構成下一時刻的波面[1][2]。
惠更斯原理根據惠更斯原理，我們可以解釋球面波的波面是怎樣形成的，右圖中，點波源O發出的波在t時刻的波面是一個球面S，該球面上每一個點都可以看成一個新的點波源，它們各自向前發出球面子波，下一時刻（t+△t）新的波面S'，就是這些子波波面相切的包絡面；平面波同理[1]。
惠更斯原理的局限
①沒有說明子波的強度分布問題；
②沒有說明波為什麼只能向前傳播，而不向後傳播的問題。
後來，菲涅耳對惠更斯原理作了重要的補充，形成惠更斯-菲涅耳原理，這些缺陷才被克服[2]。
基本分類
橫波與縱波
隨著機械波的傳播，介質中的質點振動起來。根據質點的振動方向和波傳播的傳播方向之間的關系，可以把機械波分為橫波和縱波兩類。
橫波(transverse wave)
物理學中把質點的振動方向與波的傳播方向垂直的波，稱作橫波。在橫波中，凸起的最高處稱為波峰，凹下的最低處稱為波谷[1]。
繩波是常見的橫波。
縱波(longitudinal wave)
物理學中把質點的振動方向與波的傳播方向在同一直線的波，稱作縱波。質點在縱波傳播時來回振動，其中質點分布最密集的地方稱為密部，質點分布最稀疏的地方稱為疏部。
聲波是常見的縱波
描述方式
圖像描述（波形曲線）
如果在繩子波動的某個時刻拍下照片，就能得到該時刻的波形。這個波形是由同一時刻具有不同位移的繩上各質點組成的。如果在波形上添加一個坐標系，就可以得到該時刻這個波的圖像。用橫坐標x表示沿波傳播方向上各個質點的平衡位置，用縱坐標y表示各個質點離開平衡位置的大小，規定位移方向向上為正值。在坐標平面上，以某一時刻各個質點的x、y值描出各對應點，在用光滑的曲線連接起來，就得到該時刻波的圖像，也稱波形曲線或波形。在波的圖像上，通常用箭頭表示出波的傳播方向。
波形曲線與振動圖像有差別，振動圖像是振動物體在不同時刻的位移，而波形曲線則是一個特定時刻所有質點的位移。
波形曲線上，我們可以讀出同一時刻所有質點的位移、方向，以及波長、周期等物理量。
簡諧波的波形曲線簡諧波(simple harmonic wave)
如果介質中各個質點做簡諧運動，它所形成的波就是一種最基本、最簡單的波，稱為簡諧波，它的波形是正弦（或餘弦）曲線。其他波可以看成是若干個簡諧波合成的。
物理量描述
描述機械波的物理量同樣適用於電磁波，因此，這里「機械波」簡稱「波」
波長(wave length)
沿著波的傳播方向，兩個相鄰的、相對平衡位置的位移和振動方向總是相同的質點間的距離稱作波長，常用λ表示。在橫波中，波長等於「波峰-波峰」的長度或「波谷-波谷」的長度；在縱波中，波長等於「密部-密部」或「疏部-疏部」的長度。
頻率與周期
波上任意一個質點完成一次全振動所需時間稱為周期，常用T表示；介質中的質點每秒完成全振動的次數叫做波的頻率，常用f表示。頻率是周期的倒數。
波速(wave speed)
波速為波長和頻率的乘積（v=λf），表示波在的傳播速度。機械波在特定介質中的傳播速度是固定的
物理性質
機械波的物理性質同樣適用於電磁波，因此，這里「機械波」簡稱「波」
波的折射(refraction of wave)
在物理學中，我們把波在傳播過程中，由一種介質進入另一種介質時，傳播方向發生改變的現象稱為折射。
在波的折射中入射波的波線與法線的夾角稱為入射角，用i表示；折射波的波線與法線的夾角叫做折射角，用r表示[1]。
折射定律
進一步研究表明，波在發生折射時，入射角與折射角存在如下關系
(sin1)/(sin2)＝v1/v2＝λ1/λ2
v為波速；λ為波長
這一定律在光學中被稱作斯涅耳定律。
波的反射(reflection of wave)
在物理學中，把波遇到障礙時反射回來繼續傳播的現象稱為波的反射。
反射定律
反射波線、入射波線和法線在同一平面內，反射波線與入射波線分別位於法線兩側，入射角等於反射角。
波的干涉(interference of wave)
球面波的干涉頻率相同的兩列波疊加，使某些區域的振動加強，某些區域的振動減弱，而且振動加強的區域和振動減弱的區域相互隔開。這種現象叫做波的干涉。
產生干涉的一個必要條件是，兩列波的頻率必須相同或者有固定的相位差。如果兩列波的頻率不同或者兩個波源沒有固定的相位差（相差），相互疊加時波上各個質點的振幅是隨時間而變化的，沒有振動總是加強或減弱的區域，因而不能產生穩定的干涉現象，不能形成干涉圖樣。
兩列波的相干條件是：
①頻率相同
②振動方向相同
③相位相同或相位差恆定
波的疊加原理
波的疊加原理包含了兩點：
①各波源所激發的波可以在同一介質中獨立地傳播，它們相遇後再分開，其傳播情況（頻率、波長、傳播方向、周相等）與未遇時相同，互不幹擾，就好像其他波不存在一樣；
②在相遇區域里各點的振動是各個波在該點所引起的振動的矢量和.
波的衍射(diffraction of wave)
波的衍射衍射是波的特有現象，一切波都能發生衍射.
①波可以繞過障礙物繼續傳播，這種現象叫做波的衍射.
②觀察到明顯衍射的條件：只有縫、孔的寬度或障礙物的尺寸跟波長相差不多或者比波長更小時，才能觀察到明顯的衍射現象.
③相對於波長而言，障礙物的線度越大衍射現象越不明顯，障礙物的線度越小衍射現象越明顯。
多普勒效應
水波的多普勒效應多普勒效應是為紀念奧地利物理學家及數學家克里斯琴·約翰·多普勒（Christian Johann Doppler）而命名的，他於1842年首先提出了這一理論。多普勒認為，物體輻射的波長因為光源和觀測者的相對運動而產生變化。在運動的波源前面，波被壓縮，波長變得較短，頻率變得較高 (藍移 (blue shift))。在運動的波源後面，產生相反的效應。波長變得較長，頻率變得較低 (紅移 (red shift))。波源的速度越高，所產生的效應越大。根據光波紅/藍移的程度，可以計算出波源循著觀測方向運動的速度。恆星光譜線的位移顯示恆星循著觀測方向運動的速度。除非波源的速度非常接近光速，否則多普勒位移的程度一般都很小。所有波動現象 (包括光波) 都存在多普勒效應。