如何用麥克斯韋方程組證明光學中的費馬原理?

時間 2021-05-31 03:15:10

1樓:李卜外

就是光的傳播那一套,基本上是波動光學就夠了,Maxwell的東西不會多。

先看看單色波吧,單色波可以寫作,其中.

Maxwell方程告訴我們,場的波動方程為

對於單色波,頻率恆定,,那麼

所以對於波數而言,有,其中是傳播方向的單位向量。這個時候,可以發現

光的傳播用光線處理,可以看作波長趨向於0的情況。這就是說波數很大,這就是說如果我們把場的形式寫作,相位就很大。

我們在區域性用單色波代替,因此對足夠小的時空間隔(把乙個端點取做零點),把相位展開到一階:

對比單色波的相位,於是得到,對於電磁波的波數,,這就是程函方程。

這些材料就足夠我們模擬經典力學了,作用量S和動量的關係以及動量之間的聯絡,如果是零質量的粒子就有,這就是說,我們可以做出這樣的模擬以及。

回到程函方程,對固定頻率的波,程函寫作,此時的程函方程為

因為光線在每一點都垂直於相應的波面,所以光線的方向由確定,換言之,由k的空間分量完全確定。

對固定頻率的波,由於模擬,對應於能量守恆的體系,則我們有Maupertuis原理,

於是對於幾何光學,我們有

這就是Fermat原理。

全都是Landau第二卷的內容,抄過來了。

按照Arnold的說法,Hamilton力學的基本概念來自於波動光學和幾何光學,可以參考參考經典力學的數學方法,此處不談。

2樓:蘇昕

學弟/學妹你好,物理學的「證明」其實一般而言更重要的是尋找內在聯絡,費馬原理本質上和路徑積分是緊密相關的,即光學上的莫培督原理,因此,從麥克斯韋方程組逆推費馬原理,可行的一種思路或許是——在無源假設下,異種介質邊界使用斯托克斯定理,從積分形式的麥克斯韋方程組得知折射定律(電場切向分量不變,角度關係確定);

在介質面兩側各設一點(x1,y1)(x2,y2),若介質面通過點為(x,y),則全光程時間可得(v=c/n),求導dt/dx,引入剛得到的折射定律,可知滿足麥克斯韋方程的經行點導致導數為0,且二階導非負,因此時間最短,證畢。

或許有更簡單的證法,希望有幫助,還有,如果是孫老師的光學課,還是要好好聽,對科研能力是個很好的鍛鍊。

3樓:

看到大家這麼辛苦為了我這隨口一說的作業題奔波勞碌,我仁慈地決定取消這道題目,大家不用寫了,因為這道題太複雜了,我自己也不會,請看到這條訊息的同學們互相轉告。

(我不會告訴你們我就是是孫騫的)

4樓:

樓上的那些同學你們好,我的辦公室在213,你和問這個問題的同學和冒充我同學的ID都已經被我鎖定,請以上同學8號上午到213來找我,我也警告各位同學,如果我再發現這種在知乎上問作業題或者冒充我的行為,我以後會布置更多額外的任務。——孫老師

5樓:

同學你好,我們的作業題是禁止在網上搜尋答案的,你的ID已被鎖定,請於10.8上午到五教219來找我,屆時我會在那裡值班。孫老師留

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