平面波

在三維空間裏，平面波（plane wave）是一種波動，其波陣面（在任何時刻，波相位相等的每一點所形成的曲面）是相互平行的平面。平面波的傳播方向垂直於波前。假若平面波的振幅不是常數，例如，振幅是位置的函數，則稱此種平面波為「非均勻平面波」。^[1]:24-27

本條目中，向量與純量分別用粗體與斜體顯示。例如，位置向量通常用 ${\displaystyle \mathbf {r} \,\!}$ 表示；而其大小則用 ${\displaystyle r\,\!}$ 來表示。

一個平面波的波前行進於空間。

加以延伸，平面波這術語時常用來形容，在空間的一個局部區域裏，近似於平面波的波動。例如，一個局部區域波源，像發射無線電波的天線，所發射出的電磁波，在遠場區（英語：far-field region）可以近似為平面波。等價地說，對於在一個均勻介質內，波的傳播距離超長於波長的案例，在幾何光學的正確極限內，射線區域性地對應於近似平面波。

數學表述

在時間等於零時，正相移導致波向左移位。

隨着t增加，波向右移動，給定點x處的值振盪正弦波。

3D平面波的動畫。 每種顏色表示波的不同的相位。

用數學來表述，波動方程式為

${\displaystyle \nabla ^{2}f-{\frac {1}{v^{2}}}{\frac {\partial ^{2}f}{\partial t^{2}}}=0}$ ；

其中，${\displaystyle f(\mathbf {x} ,t)}$ 是描述波動的函數，${\displaystyle \nabla ^{2}}$ 是拉普拉斯算符，${\displaystyle v}$ 是波動傳播的速度，${\displaystyle \mathbf {x} }$ 是位置，${\displaystyle t}$ 是時間。

描述平面波的函數 ${\displaystyle {\tilde {\psi }}(\mathbf {x} ,t)}$ 是波動方程式的一種解答：

${\displaystyle \nabla ^{2}{\tilde {\psi }}-{\frac {1}{v^{2}}}{\frac {\partial ^{2}{\tilde {\psi }}}{\partial t^{2}}}=0}$ 。

平面波 ${\displaystyle {\tilde {\psi }}(\mathbf {x} ,t)}$ 的形式為：

${\displaystyle {\tilde {\psi }}(\mathbf {x} ,t)={\tilde {A}}e^{i(\mathbf {k} \cdot \mathbf {x} -\omega t)}}$ ；

其中，${\displaystyle i}$ 是虛數單位，${\displaystyle \mathbf {k} }$ 是波向量，${\displaystyle \omega =kv}$ 是角頻率，${\displaystyle {\tilde {A}}}$ 是複值的振幅純量。

取複函數的實部，則可以得到其物理意義。

${\displaystyle \operatorname {Re} \{{\tilde {\psi }}(\mathbf {x} ,t)\}=|{\tilde {A}}|\cos(\mathbf {k} \cdot \mathbf {x} -\omega t+\arg {\tilde {A}})}$ 。

注意到在任意時刻 ${\displaystyle t=t_{0}}$ ，波相位不變的曲面滿足方程式

${\displaystyle \mathbf {k} \cdot \mathbf {x} -\omega t_{0}+\arg {\tilde {A}}=c_{1}}$ ，

或者，

${\displaystyle \mathbf {k} \cdot \mathbf {x} =c_{2}}$ ；

其中，${\displaystyle c_{1}}$ 、${\displaystyle c_{2}}$ 是任意常數。

所有滿足這方程式的 ${\displaystyle \mathbf {x} }$ 形成一個與 ${\displaystyle \mathbf {k} }$ 相互垂直的平面，平行波的波前就是這種平面，所有的波前都與 ${\displaystyle \mathbf {k} }$ 相互垂直，都相互平行。

對於向量的波動方程式，像描述在彈性固體內的機械波或電磁波的波動方程式：

${\displaystyle \nabla ^{2}\mathbf {E} -{\frac {1}{v^{2}}}{\frac {\partial ^{2}\mathbf {E} }{\partial t^{2}}}=0}$ ，

${\displaystyle \nabla ^{2}\mathbf {B} -{\frac {1}{v^{2}}}{\frac {\partial ^{2}\mathbf {B} }{\partial t^{2}}}=0}$ ；

其中，${\displaystyle \mathbf {E} }$ 是電場，${\displaystyle \mathbf {B} }$ 是磁場;

解答也很類似：

${\displaystyle {\tilde {\boldsymbol {\psi }}}(\mathbf {x} ,\ t)={\tilde {\mathbf {A} }}e^{i(\mathbf {k} \cdot \mathbf {x} -\omega t)}}$ ；

其中，${\displaystyle {\tilde {\mathbf {A} }}}$ 是複值的振幅向量。

橫波的振幅向量垂直於波向量，像傳播於均向性介質的電磁波。縱波的振幅向量平行於波向量，像傳播於氣體或液體的聲波。

傳播於某介質內，角頻率與波向量之間的關係，可以以函數 ${\displaystyle \omega (\mathbf {k} )}$ 表達，稱為介質的色散關係。對於這介質，波的相速度是

${\displaystyle v_{p}=\omega /k}$ ，

群速度是

${\displaystyle v_{g}={\frac {\partial \omega }{\partial \mathbf {k} }}}$ 。

參閱

• 波動方程式

參考文獻

1. Hecht, Eugene, Optics 4th, United States of America: Addison Wesley, 2002, ISBN 0-8053-8566-5 （英語）

• J. D. Jackson, Classical Electrodynamics (Wiley: New York, 1998 )。