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[求助] 波動(dòng)疊加里的能量問(wèn)題

假設(shè)我們有兩列偏振方向一致的波。比如說(shuō)：
$E_1(z,t)=E_{10}\cos(\omega t - k z)$ ;
$E_2(z,t)=E_{20}\cos(\omega t - k z+\phi)$ .
他們的頻率是相等的。那么依照波的疊加原理：合成
后的振幅應(yīng)該是：
$E=\sqrt{E_{10}^2+E_{20}^2+2E_{10}E_{20}\cos{\phi}}$ ;
如果在考慮能量：
$I \propto E^2$ 。
你會(huì)發(fā)現(xiàn)，疊加后的能量是大于疊加前的能量的。

特殊情況，如果兩列波是一樣的，那么疊加前的能量是 $2I$ ;
其中 $I$ 是一列波的能量，那么疊加后的能量是 $4I$ ;

后來(lái)我又想，如果是兩個(gè)完全一樣的激光器。考慮能量守恒的話(huà)呢。那么
合成后的振幅，就不應(yīng)該是 $2E$ ，其中 $E$ 是一列波
的振幅。合成后的振幅應(yīng)該是 $\sqrt{2}E$ .

于是從此陷入了混亂。

----------------------------憋屈的分割線(xiàn)-------------------------------

我聽(tīng)到的解釋有：
1：兩個(gè)完全一致的波疊加，就成了一個(gè)波。反過(guò)來(lái)想，就是我們提出的問(wèn)題是
多余的，本來(lái)就是一個(gè)波。這個(gè)疊加是我們臆想出來(lái)的。
（這個(gè)說(shuō)法我不認(rèn)同。不一致的波可以疊加，一致的波當(dāng)然也可以）

2：疊加后的振幅增大了，波峰大，波谷卻更深了，公式里指的是波峰，不是波谷。
（這個(gè)回答有點(diǎn)荒誕）

3： $I \propto E^2$ 中的 $I$ 是能量密度。不是能量。能量
正比于： $\int_\tau\; I\; d\tau$ .
（積分和不積分不會(huì)有那么大的區(qū)別吧，不信服）

4：和繩波類(lèi)比，兩個(gè)繩子一起考慮，相當(dāng)于震動(dòng)著質(zhì)點(diǎn)的質(zhì)量翻倍，所以能量翻倍
是正確的。
（可是電磁震動(dòng)沒(méi)有質(zhì)點(diǎn)概念哦，另外如果三列波疊加呢？）

5：波動(dòng)理論處理的是疊加后的能量分布問(wèn)題，即干涉條紋和衍射條紋。整個(gè)過(guò)程的
的能量問(wèn)題需要另加修正，或從量子觀(guān)點(diǎn)描述。這是波動(dòng)理論的天然缺陷。
（說(shuō)得通哦）

6：沒(méi)有計(jì)入磁能，如果考慮了磁能，疊加前后的能量就一致了。
（沒(méi)有算。不過(guò)，電矢量可以疊加，磁矢量也是疊加的吧。）

坐等靠譜的說(shuō)法。

[ Last edited by ifelseend on 2014-1-14 at 10:27 ]

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1樓 2014-01-14 10:22:57

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十點(diǎn)鐘的咖啡

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【答案】應(yīng)助回帖

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ifelseend: 回帖置頂 2014-01-14 18:52:54
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sweety: 物理EPI+1 2014-01-15 11:52:32

波的疊加原理來(lái)自于麥克斯韋方程：
$\partial ^2 _t E(z,t) + c^2 \partical ^2 _z E(z,t) = 0$ ; （1）
由于這是一個(gè)先行方程，所以?xún)蓚€(gè)解的和仍然是這個(gè)方程的解。于是乎就有了
波的疊加原理。但是，麥克斯韋方程是描述是電場(chǎng)的方程，而非描述能量的方
程；確切的說(shuō)不是描述“能量密度”（energy density)的方程。對(duì)于所提到的問(wèn)
題，在不考慮能量橫向分布的情況下（電場(chǎng)不是x和y的函數(shù)，而只是z和t的函
數(shù)。那么這個(gè)問(wèn)題就等價(jià)為，將一個(gè)電場(chǎng) E(z,t)分解為兩個(gè)場(chǎng)E1(z,t)和E2(z,t)
這是完全可行的，因?yàn)椋绻鸈1和E2是麥克斯韋方程的解，那么E(z,t)一定是
方程的解；反之亦然。
$E(z,t)=E_1(z,t)+E_2(z,t)$
然后，按照你的描述，我們分別計(jì)算E_1(z,t)的能量密度和E_2(z,t)的能量密度
得到了I1和I2，把I1和I2加起來(lái)，你認(rèn)為是總的能量密度。這個(gè)分析實(shí)際上是在
偷偷的套用“能量密度的疊加原理”。問(wèn)題是能量密度是不是存在疊加原理？
我們已經(jīng)知道波動(dòng)的疊加原理，或者是電場(chǎng)的疊加是來(lái)自方程（1）。你卻不確
定能量密度也可以建立這樣的線(xiàn)性偏微分方程？。我們看：
$I(z,t)=\alpha E(z,t)^2$ ; （2）
E(z,t)滿(mǎn)足一個(gè)線(xiàn)性的方程。那么I(z,t)是不是滿(mǎn)足某個(gè)線(xiàn)性方程。不妨把（2）
代入帶（1）里面看看。其實(shí)電磁能量密度不是線(xiàn)性的。不滿(mǎn)足線(xiàn)性疊加原理。
I1+I2不是能量密度，他什么都不是。（E1+E2）*（E1+E2）才是能量密度。
從開(kāi)始到結(jié)束都要這么計(jì)算。

以上說(shuō)明的是兩束共線(xiàn)傳播的光，如果想你所說(shuō)的，兩個(gè)激光器的光。那么就
要清楚能量密度這個(gè)概念，兩束光交匯了，交匯處的能量密度必然翻倍，因?yàn)?br /> 那里的橫截面積變成一半了。

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2樓2014-01-14 13:29:41

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十點(diǎn)鐘的咖啡

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引用回帖:

2樓: Originally posted by 十點(diǎn)鐘的咖啡 at 2014-01-14 13:29:41
波的疊加原理來(lái)自于麥克斯韋方程：
\partial ^2 _t E(z,t) + c^2 \partical ^2 _z E(z,t) = 0; （1）
由于這是一個(gè)先行方程，所以?xún)蓚€(gè)解的和仍然是這個(gè)方程的解。于是乎就有了
波的疊加原理。但是，麥克斯韋方程 ...

敲錯(cuò)了很多字

1. 公式（1）不是22階導(dǎo)數(shù)，是2階導(dǎo)數(shù)。
2. 第三行改為 “由于這是一個(gè)線(xiàn)性方程”。
3. 方程2上一行改為“你確不確定能量密度也可以建立這樣的線(xiàn)性偏微分方程？

贊一下

回復(fù)此樓

3樓2014-01-14 13:36:24

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