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      折射率的微觀來源是什么?《張朝陽的物理課》介紹偶極子平面的輻射電場

      摘要

      光的折射定律是怎樣的?《張朝陽的物理課》分析折射率的微觀起源


      為什么日出時刻真實的太陽位置是處在地平線之下?為什么光進入水里會被折射?折射率的微觀起源是什么?10 月 14 日 12 時,《張朝陽的物理課》第九十二期開播,搜狐創始人、董事局主席兼 CEO 張朝陽坐鎮搜狐視頻直播間,根據光在不同透明介質里的傳播速度差異,通過分析光波波前得到了光的折射定律,然后借助由偶極子組成的整個平面為模型求出了偶極子平面在入射平面電磁波的影響下的輻射電場,并以此為基礎求出了折射率的表達式。

      首先,張朝陽介紹了不同透明介質里邊的光速差異以及通過 n=c/v 來定義的折射率,其中 v 是介質中的光速。在光速差異的基礎上,他分析了入射光與折射光各自的波前,并借助幾何關系成功得到折射定律。然后,在折射定律的基礎上,簡單分析了為什么水底的物體的目視位置是高于它的真實位置的,以及為什么日出時分太陽的實際位置是在地平線之下的。

      接著,張朝陽引入了無窮多個均勻分布的電偶極子組成的平面作為薄介質的模型,通過對整個平面的電子進行積分得到了介質后面的輻射電場的表達式。經過化簡之后,輻射電場的式子中包含一個發散積分與一個無法直接求積的積分。為此,他將積分寫成離散求和,然后通過矢量疊加與圖形結合的方式說明了怎么求出這兩個積分的近似值,最后成功得到輻射電場的不帶積分的近似表達式。

      最后,通過求出總的電場,并分析總電場的相位,張朝陽發現總電場可以等效地看成是以一個新波數在介質層中傳播并在穿過介質后以原來的波數傳播的電磁波的電場分量。借助這個新波數,求出了等效電磁波在介質中的傳播速度,然后借助折射率的定義成功得到了折射率的表達式,并使用這個表達式簡短分析了棱鏡能夠分解白色光的原因。

      截至目前,《張朝陽的物理課》已直播九十余期,內容豐富、覆蓋廣泛,理論公式由淺入深、繁簡交融。他先是從經典物理學開始,科普了牛頓運動定律等;而后從經典物理的「兩朵烏云」說起,向近現代物理過渡,探討了黑體輻射理論中的維恩公式、普朗克公式等知識。

      此后逐步進入量子力學領域,從基礎的薛定諤方程等理論內容,到氫原子波函數,再到氣體定容比熱的溫度階梯,并順勢講解了熱力學定律。接著回到了經典物理,推導出飛船運行軌跡,估算太陽的結構與性質以及中子星的自轉速度,隨后講解了陀螺的進動,還計算出月球的潮汐高度。緊接著開始介紹狹義相對論的四維語言,并逐步過渡到了電磁學。

      在搜狐視頻打造知識直播平臺的背景下,以演算物理為特色的《張朝陽的物理課》于 2021 年 11 月 5 日開播。每周周五、周日中午 12 時,張朝陽在搜狐視頻上直播開講物理。該課程注重從日?,F象引入,通過一步一步詳盡計算和硬核推導,理解自然界的基本規律。

      網友可以在搜狐視頻「關注流」中搜索「張朝陽」,觀看直播及往期完整視頻回放;關注「張朝陽的物理課」賬號,查看課程內容短視頻;此外,還可以在搜狐新聞 APP 的「搜狐科技」賬號上,閱覽每期物理課的詳細文章。

      除了《張朝陽的物理課》外,在直播方面,搜狐視頻正持續邀請各個科學領域的頭部播主入駐,進行科普知識直播。復旦大學教授、科技部重點研發項目負責人趙斌,高中數學名師、《十年高考》數學科主編鄭冬冬等帶來「奇思妙想開學季」系列科學公開課;知名知識播主、地理教育專家雷亞鳴,浙江大學化學系博士后、蛟龍號首位大洋深潛女科學家唐立梅等帶來「好奇一夏」系列直播,探索月球與大海;中國科學技術大學副教授李旭,中國科學院南京地質古生物研究所研究員馮偉民等開啟趣味科普,與古生物進行跨越億萬年的生命對話。未來還將有更多知識播主入駐搜狐視頻,一起互動玩轉科學。


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