电磁波的传播与辐射

迅变电磁场E、B相互激发,逐点变化,并由此及彼地传播开来,这就是电磁波。它是变化着的电磁场的运动方式。麦氏方程组和边值关系是描述电磁运动的基本动力学方程组,也是研究电磁波传播的依据。 我们知道,对于定态波,由麦氏方程组可得亥姆霍兹方程及有关方程     

平面电磁波极化场矢量的时空机理

均匀平面电磁波是无线通信、遥控遥测等无线信息工程中的传输媒介,是多种工程技术的核心环节。不同形式极化的电磁波场强矢量的时空关系,决定着平面电磁波的性质,在电磁波发射、接收、不同介质交界面处波的性质分析中,有着重要作用。对电磁波运动时,各种极化场量的时空机理这一根本关系,建立正确的概念,是充分发挥宏观电磁场(波)在工程技术中功能的前提。电磁波场矢量有其特定运动方式,线极化波场矢量并非随着时间上下起伏地运动,圆极化电磁波也不是随着时间滚动着前进。波动方程E_msin(ωt-βz)能够揭示电磁波运动的真实情况。通过对方程的数学分析,阐明了电磁波运动中极化场量的动、静分布,以及它们的时、空相互关系,为运动中极化场量的时空结构,在严格的数学基础上,展示了一个清晰的图像。     

电磁波场并矢格林函数的一种表达形式

提出了一种简化Maxwell方程组求解的新方法，应用这种新的方法可以方便地将无散矢势在M和N类矢量波函数空间中各分离成一个分量，每一个分量可以用一个标量函数来表示，然后再将无散矢势所满足的d’Alembert方程分解为两个标量的d’Alerobert方程，进而分析了无散矢势所满足的波动方程可以化为对一个标量d'Alerobert方程求解的方法，再分别用对应的标量格林函数来表示M和N类矢量波函数空间中的两个标量函数，并通过矢量微分运算求得电磁波场的并矢格林函数，这种方法无论对于电磁场的算子理论还是数值分析的方法，都有着非常重要的理论意义和应用价值。     

电动力学概要

为配合电动力学课程的教学而写本文。主要讨论电荷电流建立电场和磁场，变化的电场激发磁场，变化的磁场激发电场，麦克斯韦方程组，电磁场作用于电荷体系的洛伦兹力，介质中的电动力学，时谐电磁波，平面电磁波、电磁矢量势、标量势以及电磁波的辐射等。     

波科学理论的改进

波动是物质存在的一种形态,又是物质运动的独特形式.波科学研究经典波动和量子波动,而这二者不能截然分开.例如电磁波既是宏观的经典波,又是与微观世界相联系的波;这反映在光子身上,它是一种独特的微观粒子.1926年Schr(o)dinger创造了量子波动力学,Schr(o)dinger方程成为反映量子世界运动规律的基本方程.量子力学中波函数的复杂化来源于非经典波动的复杂性;通常认为光子是电磁场量子,但似不应把光子等同于电磁波.如光子也像电子那样(波动性有统计性质),它与经典电磁波确实不完全一样,讨论“光子的几率波方程问题”并不为错.故我们说光子至今没有自己专属的波函数和波方程,因而无法确切地代表和呈现光子奇怪的特性.改进波科学理论的一个重要内容是电磁波自洽的数学逻辑结构,为此要使用与经典力学(CM)中不同的数学方法,例如矢量算子理论和广义函数论.Newton的经典力学和Einstein的相对论力学主要针对实物(粒子或物体)而建立,但场与波并非实体物质.量子力学(QM)中的算子运算方法和波函数空间概念对波科学研究有重要意义,而现代电磁场理论非常适合波科学分析,能提供基本的电磁波矢量方程组,并突出地把旋量场、无旋场区分开来.波速研究是波科学探索的一个重点和突破口,尽管波科学研究不能脱离经典力学,但不能完全沿用CM的思维方式,波速的标量性就是证明.本文对波科学中群速公式的重新推导表明,2000年公布的WKD负群速实验并非“在计算公式上犯了错误”.……自1970年以来科学界开展的对“光脉冲负波速传播”的理论与实验研究,在今天仍深具启发性,因它关系到对“负时间”和“超前波”的理解.相关的研究以及对Bose双三棱镜中的消失态研究,丰富了波科学的内容,并改进了对它的认识.最后,关于2016年2月美国LIGO宣布的“发现了引力波”,已有多国(德国、巴西、中国等)的科学家认为其结果可疑.他们或在科学刊物上发表论文,或致函NOBEL物理学奖委员会主席Olle Ingan(a)s教授,对LIGO提出了尖锐的批评.然而本文指出,对“LIGO发现了引力波”一事有两个不同层面的问题存在——是LIGO的技术水平不够,还是其方法依据的理论有问题？本文认为在场论中有一个根本点是把场分为两大类——旋量场和无旋场,而Newton发现的万有引力和Coulomb静电场一样都是无旋场,因此缺乏存在引力波的基础.有人至今断言“引力以光速传播”,是与事实不符的错误说法.引力场以远大于光速的速度传播,但不是无限大速度的超距作用.不久前发现的“Coulomb静电场以超光速传播”是有益的启示.     

论牛顿的引力近距作用场思想

以《自然哲学之数学原理》为基础,研究了牛顿的万有引力观及其在“引力近距作用场”发现过程中的作用.认为在《自然哲学之数学原理》中,“运动力”就是施力物体施加于受力物体上的万有引力;“加速力”与今天物理学上所说的“引力场强”十分相似;“绝对力”是分布于中心物体中的“加速力”,相当于今天物理学中的“引力场强”.因此,牛顿关于万有引力的论述中蕴含着物理学早期近距作用场的思想萌芽.     

一种平滑运动矢量场的扩散型矢量中值滤波器

提出了一种新的扩散型、自适应加权的矢量中值滤波器(PAWVM)，用于对三维递归搜索(3-D RS)块估计算法产生的矢量场进行调整。该滤波器将前一步估计中所采用的块分解为4个小块以精确地估计物体边界处的运动，并沿扫描方向扩散改进后的矢量；在考虑矢量场本身平滑性的同时，利用各候选矢量的匹配误差，通过一个无特征区域开关进一步控制各矢量权值的计算，提高了反映真实运动的矢量扩散的可能性。试验结果表明，该算法更好地平衡了运动矢量场的一致性和最终的预测误差，使矢量场更接近真实的物体运动。     

填充磁化等离子体波导的导波场分析

文章对填充磁化等离子体波导中的导波场进行了详细的分析,给出了有限磁场下波在填充磁化等离子体波导中的传播理论,推导出作为普遍严格的在磁化等离子体波导中电磁波的波动方程及场分量的表达式,并且对所得到的结果进行了验证,这对进一步研究磁化等离子体波导中的电磁波传播特性和微波等离子体激发的准分子激光器奠定了理论基础。     

光子晶体中光子的波动方程与光子能带

在矢量波的理论框架上,从麦克斯韦方程组出发推导了光子晶体中光子的波动方程,发现其在形式上与自然晶体中电子的薛定谔方程十分相似.因此,光子晶体中光子的运动将类似于周期性势场中电子的运动,会产生类似的电磁波或光波的"能带"结构,也可以借用固体能带理论的基本方法来研究光子晶体的带隙.     

为什么自然光在反射后会发生偏振? 自然界有哪些偏振现象?

正A:我们知道,光就是电磁波。根据电磁理论,在自由空间传播的电磁波是一种纯粹的横波,在前进方向横向振动着的物理量是电场矢量和磁场矢量。正是两者的相互激发,让电磁波无需介质,就能向前传播。在光和物质发生相互作用时,主要是电磁波中的电矢量在起作用。所以人们常以电矢量作为光波中振动矢量的代表,并称之为光振动。光是光源中大量原子或分子发出的,在普通光源如白炽灯中,各原子或分子发出的光波不仅初相位彼此无关联,振动方向也是杂乱无章的。因此,宏观来看,这种光包含了所有方向的     

Lense-Thirring场同电磁场耦合产生的干涉相移

以Lense－Thirring场为例，讨论其引力场同电磁场耦合的干涉相移，特别是在Lense-Thirring场同磁场矢势耦合情况下，得到了干涉相移同天体旋转角动量的直接显式。     

引力波应该是非线性波

基于非线性引力场方程的引力波一般应该是非线性波,具有某些不同于电磁波的特性,笔者对此定量讨论了方程的一些解,指出了引力波的非线性特性来源于引力场的非线性本质.     

煤岩冲击矿压过程电磁辐射传播规律的研究

从电磁辐射MAXWELL方程出发,对煤岩冲击矿压过程中产生的电磁辐射在煤岩中的传播规律进行了分析与研究,提出对破裂过程电磁辐射在煤岩中的传播进行数值模拟时可将电磁辐射产生源理想化为水平电偶极子和水平磁偶极子的叠加;并得出了电磁辐射源产生的场在煤岩中空间分布的解析计算式,为冲击矿压等动力灾害预测的电磁辐射监测仪的研制和定向定位监测提供了理论和计算依据。     

用积分平均方法求解压电圆柱壳内波的轴向传播

对压电圆柱壳体内波的轴向传播进行了研究。应用积分平均方法得到了一组位移和电势耦合的拟二维动力学方程,并且求解了这组方程。发现当波沿着圆柱壳体轴向传播时,物质的径向运动、轴向运动和电势的变化相互耦合,伴有频散现象;但是扭转运动可以独立表示,并且同电场无关,无频散现象。在得到频散关系的基础上,通过数值计算模拟出压电圆柱壳体在受到端部轴向应力脉冲激励后壳体内的轴向应力和电势分布图。还讨论了压电圆柱壳体半径比对波传播的影响。     

球对称引力场的引力效应

从测地线方程出发,推导出球对称引力场中的物体运动微分方程,得出考虑引力效应的角功量定律、毕耐公式、万有引力定律以及Kepler定律,论论了广义相对论经典运动速度及环绕速度的修正,为广义相对论的实验验证提供了4项新方法。     

波浪滑翔器编队避障方法

波浪滑翔器是一种可以长期工作的新型海洋机器人,主要应用于海洋环境的探测与数据采集。波浪滑翔器编队可以扩展单台设备的能力同时提高任务的效率。本文利用领航跟随者法结合人工势场法,提出了多波浪滑翔器编队的避障方法。通过领航跟随者形成波浪滑翔器编队的同时引入间距势能场,来实现编队队形的保持。人工势场作用下的波浪滑翔器编队被视为一个虚拟的多体系统,受到来自人工势场的虚拟力的约束。针对人工势场法的局部最小域问题,引入沿障碍物切线方向的引力,打破平衡状态,解决了局部最小域问题。最后通过仿真实验验证了所提方法的有效性。     

Low-frequency waves in magnetic reconnection

The characteristics of low-frequency waves in magnetic reconnection are studied using two-dimensional hybrid simulation code. In a coordinate system moving with fluid,the time series of a magnetic field perpendicular to the magnetic reconnection plane,By, is transformed into the power spectrum via fast Fourier transformation,while the wave propagation direction and polarization are determined by minimum variance analysis of the electric field.The results show that low-frequency Alfvén ion-cyclotron waves dominate the reconnection area.These waves have frequencies 0-1Ωp(where Ωp is the local proton gyro frequency)and all are left-handed circularly polarized.Among these waves,large-amplitude turbulence,with frequencies of 0-0.6Ωp and isotropic propagation,dominates the outflow regions.This can cause the reversal of By in the quadrupole structure.In the inflow regions, dominant waves,propagating mainly parallel to the ambient magnetic field,have higher frequencies and smaller amplitudes.The frequency of the main peak of wave energy is usually higher than 0.5Ωp.     

细微颗粒在行波和驻波声场中运动特性数值实验

采用数值实验方法对平面行波和驻波声场中悬浮细粒子的受力和运动特性进行了研究.通过对声场中细粒子(PM2.5)受力计算和跟踪声场中不同位置细粒子的运动轨迹,发现行波和驻波声场均能够使气体中的悬浮细微颗粒发生运动并产生汇聚.2种声场所引起的细粒子运动特性存在较大差别,行波声场可使气体中原来静止的悬浮细粒子发生顺声波而下、逆声波而上以及原处振动等运动方式,而驻波声场只能使波节点以外的细粒子发生振动.     

形变地球Euler引力位增量的理论研究

地球在各种力学机制的作用下产生了形变,形变又导致地球引力位的变化,即形变附加位或Euler引力位的增量.在球对称地球模型下,本文基于标量球函数和矢量球函数,对地球形变的体积膨胀、质量迁移和在边界表面的质量收缩引起的Euler引力位增量进行了展开,明确了重力场变化的若干概念,可为高精度地球重力场时空变化的理论研究提供参考和依据.     

用惠更斯作图法研究左手材料的负折射现象

针对理解电磁波在左手材料中的传播特性,在详细分析了该介质中电磁波波矢量k的方向、大小和坡印廷矢量s之间关系的基础之上,根据电磁场理论探讨了电磁波在右手、左手材料分界面上的反射和折射(各介质都是各向同性的)现象。并运用惠更斯作图法解释了电磁波由右手材料穿越左手材料时的负折射现象。指出发生负折射现象的根本原因是由于电磁波在左手材料中传播时其波矢量与坡印廷矢量的方向相反。