Уравнение плоской волны. Основные характеристики волн: частота, фазовая скорость, длина волны и волновой вектор

уpавнение плоской волны без диспеpсии имеет следующий вид:

или

Здесь v есть фазовая скоpость волны, а вид функции f может быть любым.

Частота Волны - ЧАСТОТА ВОЛНЫ, число полных колебаний или циклов волны, совершенных в единицу времени; если за 1 секунду, то измеряется в ГЕРЦАХ. Ее можно вычислить, разделив скорость распространения волны на длину волны. Согласно КВАНТОВОЙ ТЕОРИИ, частота любого ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ (включая свет, радиоволны, рентгеновское излучение) пропорциональна энергии составляющих его фотонов. Многие характеристики электромагнитного излучения зависят от частоты.

Фа́зовая ско́рость — скорость перемещения точки, обладающей постоянной фазой колебательного движения, в пространстве вдоль заданного направления. Обычно рассматривают направление, совпадающее с направлением волнового вектора, и фазовой называют скорость, измеренную именно в этом направлении, если противное не указано явно (то есть если явно не указано направление, отличное от направления волнового вектора). Фазовая скорость по направлению волнового вектора совпадает со скоростью движения фазового фронта (поверхности постоянной фазы). Ее можно рассматривать при желании как векторную величину.

Основная формула, определяющая фазовую скорость (монохроматической) волны в одномерном пространстве или фазовую скорость вдоль волнового вектора для волны в пространстве большей размерности:

которая является прямым следствием того факта, что фаза плоской волны в однородной среде есть

для одномерного случая

или для размерности, большей единицы.

Длина́ волны́ — расстояние между двумя ближайшими друг к другу точками, колеблющимися в одинаковых фазах, обычно длина волны обозначается греческой буквой . По аналогии с волнами, возникающими в воде от брошенного камня, длиной волны является расстояние между двумя соседними гребнями волны. Одна из основных характеристик колебаний. Измеряется в единицах расстояния (метры, сантиметры и т. п.). Величина , обратная длине волны, называется волновым числом и имеет смысл пространственной частоты.

Получить соотношение, связывающее длину волны с фазовой скоростью () и частотой () можно из определения. Длина волны соответствует пространственному периоду волны, то есть расстоянию, которое точка с постоянной фазой проходит за время, равное периоду колебаний , поэтому

Для определения длины волны электромагнитного излучения в какой-либо среде следует использовать формулу:

где — показатель преломления среды для излучения с данной частотой.

Волнам де Бройля также соответствует определенная длина волны. Частице с энергией Е и импульсом p, соответствуют:

• частота:
• длина волны:

где h — постоянная Планка.

Волновой вектор — вектор, направление которого перпендикулярно фазовому фронту бегущей волны, а абсолютное значение равно волновому числу.

Волновой вектор обычно обозначается латинской буквой и величина его измеряется в обратных метрах (СИ) или обратных сантиметрах (СГС) (т.е. радианах на метр или радианах на сантиметр). Следует быть внимательным, т.к. иногда может использоваться определение в оборотах, отличающееся множителем , но дающее ту же физическую размерность.

Волновое число связано с длиной волны λ соотношением:

.

Связь между волновым вектором и частотой задаётся законом дисперсии. Все возможные значения волновых векторов образуют обратное пространство или k-пространство.

Наиболее общим определением волнового вектора можно считать такое: волновой вектор есть градиент фазы волны: