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§6-4 光的相速度和群速度
折射率是光在真空中和介质中传播速度的比值,即,通常可以通过测定光线方向的改变并应用折射定律来求它,但原则上也可分别实测和来求它们的比值,用近代实验室方法,不难以任何介质中的光速进行精确的测定,,用这两种方法测得的结果是符合的,但对二硫化碳,,,其间差别很大,这绝不是由实验误差所造成的,瑞利找到了这种差别的原因,他对光速概念的复杂性进行了说明,从而引出了相速度和群速度的概念。
按照波动理论,这种通常的光速测定法相当于测定由下列方程所决定的波速的数值:
不难看出,这里所代表的是单色平面波的一定的位相向前移动的速度,因为位相不变的条件为
由此得到
或 (6-1)
所以这个速度称为位相速度(简称相速),这速度的量值可用波长和频率来计算。
波的表达式部是t 和r的函数,可以写成下列形式:
式中 和都是不随 t 和 r 而改变的量,故位相不变的条件为
=常量
由此得
或 (6-2)
(6-2)式表示的位相速度乃是严格的单色波地(有单一的确定值)所特有的一种速度,单色波以t和r的余弦函数表达,为常量,这种严格的单色波的空间延续和时间延续都是无穷无尽的余弦(或正弦)波,但是这种波仅是理想的极限情况,实际所到的永远是形式不同的脉动,这种脉动仅在空间某一有限范围内、在一定的时间间隔内发生,在时间和空间上都是有起点和终点的,任何形式的脉动都可看成是由无限多个不同频率、不同振幅的单色正弦波或余弦波叠加而成的,即可将任何脉动写成傅里叶级数或傅里叶积分的形式,在无色散介质中所有这些组成脉动的单色平面波都以同一相速度传播,那么该脉动在传播过程中将永远保持形状不变,整个脉动也永远以这一速度向前传播,但是除真空以外,任何介质通常都具有色散的特征,就是说,各个单色平面波各以不同的相速传播,其大小随频率而变,所以由它们叠加而成的脉动在传播过程中将不断改变其形状,在这种情况下,关于脉动的传播速度问题就变得比较复杂了,观察种脉动时,可以先认定它上面的某一特殊点,例如振幅最在大的一点,而把这一点在空间的传播速度看作是代表整个脉动的传播速度,但是由于脉动形状的改变,所选定的这一特殊点在脉动范围内也将不断改变其位置,因而该点的传播速度和任何一个作为组成部分的单针平面波的相速都将有所不同,按照瑞利的说法,这脉动称为波群,因而脉动的传播速度称为群速度,简称群速,现在仅就一个简化的例子来讨论两种速度的关系。
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假设脉动由两个频率相近且振幅相等的单色简谐波叠加而成,
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