, (10.11)
где
причем
и
.
Формулу (10.11) можно преобразовать к виду
.
Множитель
соответствует плоской монохроматической волне
со средними значениями частоты и волнового числа (в радиотехнике такая волна
называется несущей). Функция
описывает медленно
изменяющуюся в пространстве и во времени амплитуду этой волны (огибающую).
Частота изменения этой амплитуды
. В результате
суперпозиции двух волн близкой частоты возникает периодическое, медленное
изменение амплитуды
и быстрые осцилляции (биение)
(Рис. 10.2). Выясним закономерности перемещения фиксированного значения
амплитуды
или
. Так
как
и
малы,
то получаем
Это означает, что амплитуда биений (огибающая) перемещается со скоростью
,
которая
называется групповой скоростью. Она совпадает с фазовой скоростью только
при отсутствии дисперсии, когда имеется линейная зависимость от
(фазовая
скорость постоянна). Конечно, величине
можно
придать физический смысл скорости только в том случае, если эта производная
вещественная (допустимо приближенное понимание групповой скорости при слабой
комплексности). В случае комплексности этой производной, эволюция поля
происходит более сложно, имеет место
«деформация»
(не происходит перемещения фиксированного
вида профиля ) и это не позволяет ввести понятие огибающей и понятие скорости
перемещения огибающей – групповой скорости. Иногда, чисто формально в такой
ситуации групповой скоростью называют
,
однако эта величина не является скоростью перемещения чего - либо (возможны
ситуации
).
4). Рассмотрим более общий случай квазимонохроиатической волны (волновой пакет или цуг волн), когда в суперпозиции участвуют не две волны, а непрерывная совокупность плоских монохроматических волн с узким интервалом частот и волновых векторов:
,
.
Это позволяет использовать приближенное представление для (10.10)
.
Такая
ситуация соответствует том, что функция имеет
резкий максимум при
. Интегрирование в интервалах
и
дает
пренебрежимо малый вклад. Используем приближение
при
выполнении условия
. В результате, получим
,
(10.12)
где
,
где
- значение групповой скорости при
,
. Как и
в рассматриваемом в пункте. В случае
, экспоненциальный
множитель в (10.12) соответствует плоской монохроматической волне со средними
значениями частоты
и волнового числа
. Величина
описывает
огибающую, которая медленно изменяется в пространстве (на расстояниях порядка
) и во времени (с временным масштабом
порядка
). Огибающая – функция одного переменного
. Это означает, что огибающая переносится в
пространстве с постоянной скоростью, равной групповой скорости для значения
. Волновой пакет (квазимонохромат) движется
как единое целое, без изменения формы. Конечно, этот вывод приближенный, так
как в фурье – представлении использовались только два члена в разложении
.
Оценим
роль отброшенного (третьего) слагаемого, приняв во внимание то, что оно
умножается в показателе экспоненты на время . Условие
пренебрежения имеет вид
, (10.13)
за
время пакет проходит расстояние
и условие (10.13) можно представить в виде
- пространственный масштаб изменения волнового
пакета. На расстояниях больших
волновой пакет
претерпевает «искажение» за счет дисперсии, он «расплывается» и здесь понятие
групповой скорости теряет смысл. Выше отмечалось, что понятие групповой
скорости так же теряет смысл при комплексности
. Это
может быть при наличии диссипации и при распространении волны в «области
непрозрачности» (в этой области производная
является
мнимой величиной).
Под волновым пакетом понимаем суперпозицию волн с небольшим разбросом волновых векторов. Выясним, какую область в пространстве занимает такой волновой пакет. Рассмотрим простейший пример
,
Уважаемый посетитель!
Чтобы распечатать файл, скачайте его (в формате Word).
Ссылка на скачивание - внизу страницы.