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编号:XXXXXXXXXXXXXXXXX大学本科毕业论文题目：平面电磁波在金属面的反射与折射学院： ______________________________________专业：____________________________年级： ______________________________________姓名： ______________________________________指导教师：XXX ________________________________完成日期：XXX年XX月XX日目录摘要 (1)Abstract. (2)引言 (1)1 电磁波在金属面反射与折射的基本理论 (1)1.1 电磁波在金属界面上的边值关系 (1)1.1.1 场量的法向分量在介质面上的跃变 (2)1.1.2 场量的切向分量在介质面上的跃变 (3)1.2 电磁波在金属面的反射与折射 (6)1.2.1 电磁波在一般界面上的反射和折射定律 (6)1.2.2 振幅关系Fresnel 公式 (8)2 平面电磁波在良导体面的反射和折射 (10)2.1 良导体面上的折射与良导体内的折射波 (10)2.2 平面电磁波在良导体面的反射 (12)3 结语 (14)参考文献 (15)致谢 (16)个人简历 (17)摘要本文以Maxwell方程组为出发点，用简洁明了的理论推导，给出平面电磁波在两种介质表面上的反射与折射规律，并由此引出了一些重要结论，如趋肤效应，Fresnel公式等。
在对电磁波的传播、电磁波与介质的相互作用等基本规律的认识中，体现电磁学基本规律在信息技术、通信技术中的理论指导意义和其现实意义。
由此得出的结论也为深入理解光的反射与折射奠定了基础。
关键字：平面电磁波，边值关系，麦克斯韦方程，良导体AbstractBased on the Maxwell equati on, it particularly con siders reflect ion and refractio n of the pla nar electromag netic wave on the in terface betwee n two media by a succi net progress of reas oning. With the work above, some con clusi ons will be reached such as the skin effect and Fresnel formula. These basic laws of electromagnetic are fairly sig nifica nt to direct the developme nt of in formati on tech no logy and com muni cati on tech no logy .In additi on, the con clusi on con tributes to un dersta nd the reflecti on and refraction of light better.Key words：Planar electromagnetic wave; Boundary relation; Maxwell equation; Good con ductor .引言平面电磁波在良导体表面上的反射和透射问题，是电动力学研究的重要问题之一，由于它在光学、射电天文学、雷达工程学等方面有着广泛的应用，长1电磁波在金属面反射与折射的基本理论 1.1电磁波在金属界面上的边值关系Mexwell 方程组可以应用于任何连续介质内部.但是在两介质分界面上，由 于一般出现面电荷电流分布，使物理量发生跃变，微分形式的麦克斯韦方程组不 再适用•因此，在介质分界面上，我们要用另一种形式描述界面两侧的场强以及 界面上电荷电流的关系•在电场作用下，介质界面上一般出现面束缚电荷和电流分布•这些电荷电流 的存在又使得界面两侧场量发生跃变•(a)(b)图i 电场在介质面上的跃变Fig.1 Step cha nge of electric field on the object surface例如图1(a)所示的介质与真空分界的情形，在外电场E 0作用下，介质面上期以来受到人们的重视.但因该问题的复杂性 人们仅讨论了某些特定的情况 如在一般文献与教材中，只讨论了正入射的情况 .本文将讨论平面电磁波以任意 角度入射到良导体界面上发生反射和透射的情况 导出反射波、透射波与入射波 的振幅、相移关系式以及反射系数的数学表达式 论.并在此基础上作进一步的讨产生面束缚电荷，这些电荷本身激发的电场在介质内与E0反向，在真空中与E o同向•束缚电荷激发的电场与外电场E o叠加后的总电场如图1(b)所示，由图可以看出两边的电场E l和E2在界面上发生跃变，边值关系就是描述两侧场量与界面上电荷电流的关系.由于场量跃变的原因是面电荷电流激发附加的电磁场，而积分形式的Mexwell方程组可以应用于任意不连续分布的电荷电流所激发的场，因此我们可以用积分形式的Mexwell方程组来研究边值关系1.1.1场量的法向分量在介质面上的跃变Mexwell方程组的积分形式为图2 Mexwell方程在介面上的应用Fig.2 Applicati on of Mexwell equati on on in terface如图2，我们将总电场的Mexwell方程■ = 应用到两介质边界上的一个扁平状柱体•上式左边的面积分遍及柱体的上下底和侧面，Q f和Q p分别为柱体内的总自由电荷和总束缚电荷，它们等于相应的电荷面密度二f和二p乘以底面积：S.当柱体的厚度趋向于零时，对侧面的积分也趋向于零，对于上下底积分得E2n -dL L H^I -I f s D_dS■」dtL S D l_d S = QfLs BdS =0(1)式中I f为通过曲面S的总自由电流，Q f为闭合曲面内的总自由电荷•把这组方程应用到界面上可以得到两侧场量的关系E in.由⑵式得；o E2n - E in - f * P （3）即P2n —■ Pin - - p （4）两式相加，利用D in = ；°E in P in, D2n 二-E2n - P2n ，得D2n ~' D in 二一；「f（5）由式（3）—（5）可以看出，极化矢量法向分量P n的跃变与束缚电荷面密度相关，D n的跃变与自由电荷面密度相关，E n的跃变与总电荷面密度相关•对于磁场B ,把（i）式第四式应用到边界上的扁平状区域上，重复以上推导可以得到B2n = B in（6）上式说明磁感应强度B在边界上没有发生跃变.i.i.2场量的切向分量在介质面上的跃变由于高频电流只分布在导体表面很薄的一层上，所以，根据研究问题性质的不同，对于这种电流分布可以有两种不同的描述方法.一种是对它作比较细致的描述，即把它作为体电流分布J而研究它如何在薄层内变化.另一种描述是对它作整体的描述，即不讨论它如何在薄层内分布，而是把薄层看作几何面，把薄层内流过的体电流看作集中在几何面上的面电流.由以上分析可见，面电流实际上是在靠近表面的相当多分子层内的平均宏观效应.设想薄层的厚度趋近于零，则通过电流的横截面变为横截线.定义电流线密度^，其大小等于垂直通过单位横截线的电流.图3理想薄层内的电流线密度Fig.3 Lin ear curre nt den sity in the图3表示界面的一部分，其上有面电流，其线密度为号,l为横截线.垂直流过厶I段的电流为J .1 （7）由于存在面电流，在界面两侧的磁场强度发生跃变.如图4，在界面两旁取一图4界面两侧的磁场跃变Fig.4 Step cha nge of magn etic field in the two sides of in terface狭长形回路，回路的一长边在介质1中，另一长边在介质2中.长边•许与面电流2正交.把Mexwell方程组⑴ 第二式应用到狭长形回路上.取回路上、下边深入到足够多分子层内部，使面电流完全通过回路内部.从宏观上来说回路短边的长度仍可看作趋向于零，因而有』Hjdf =（H2t-卄）纠（8）其中，et表示沿-l方向的单位矢量.通过回路内的总自由电流为(9) 由于回路所围面积趋向于零，而—为有限量，因而专心总0把这些式子代入（1）第二式中得(10)上式可以用矢量形式表示•设寸为界面上任一线元，瓷为界面的法线方向单位矢量.流过寸的自由电流为I f - e n (11)对狭长形回路用Mexwell方程组⑴第二式得QL H dT= H2 -才=I f = a e n （⑵由于孑为界面上任一矢量，因此(13)式中表示投射到界面上的矢量.上式再用e n矢乘，注意到e n x H2~H1 〃= e n H2-H1，而且e n a = 0，得(14)这就是磁场切向分量的边值关系.同理，由（1）第一式可得电场切向分量的边值关系:e n E2 -岂=0(15)I上式表明界面两侧E的切向分量连续.综上，我们得到的边值关系为e n E2-E1 =0e n H2 —H1 e n D2 D i = ；丁(16)e n B2 - B l = 0上式中的二和•分别代表自由电荷面密度和自由电流线密度是从介质1指向介质2的法向单位矢量.1.2电磁波在金属面的反射与折射1.2.1电磁波在一般界面上的反射和折射定律电磁波入射于介质界面时，发生反射和折射现象•关于反射和折射的规律包括两个方面：（1）入射角、反射角和折射角的关系；（2）入射波、反射波和折射波的振幅比和相对相位•任何波动在两种不同介质的界面上的反射和折射现象都属于边值问题，它是由波动的基本物理量在边界上的行为确定的，对于电磁波来说，是由电和叫的边值关系确定的•所以我们可以用边值关系来研究电磁波的反射和折射规律•前面我们已经推出一般情况下电磁场的边值关系.在一定频率情形下，边值关系（16）不是完全独立的，由第一、二式可以导出其他两式.因此，在研究时谐电磁波时，介质界面上的边值关系只需满足以下二式：e n E2-E1 =0 ；.. （17）e n H2 —H1虽然介质中B是基本物理量，但由于H直接和自由电流相关，而且边界条件也由H表出，因此，在研究电磁波传播问题时，往往用目表示磁场较为方便.设介质1和介质2的分界面为无穷大平面，且平面电磁波从介质1入射于界面上，在该处产生反射波和折射波.设反射波和平面波也是平面波（之后的结果会证明这个假设是正确的）.设入射波、反射波和折射波的频率是相同的，电场强度分别为E、E'和旨'，波矢量分别为k、k'和；'，如图5.他们的平面波表示式分别为E=E0eWZ)E 二Ee ik m (18)E'=Ee ik J易知，介质1中的总场强为入射波与反射波的场强的叠加，而介质2中只有折射波，因此,由(17)得e n E E 二e n E (19)把(18)代入得因此，反射波矢和折射波矢都在同一平面上•以二,J和二''分别代表入射角、反射角和折射角，有k x =ksi nd, k x=k Si n \' k；二k si nJ (23)设V1和V2为电磁波在两介质中的相速，由(14)式有e： E oe”E o e ikx=en E o e ik x(20)此式必须对整个界面成立.选界面为平面z = o和任意x,y成立.所以三个指数因子必须在此平面上完全相等，故有■*. 4 ■*, 4 -4 4k[_x=k_X=k_x z=0因为x和y是任意的，它们的系数应各自相等，有' " I nk x = k x = k x, k y = k y = k y(21)(22)如下图，取入射波矢在xz平面上，有ky=°，由式(22)知k y和k'y也为零.图5界面上的反射波与折射波Fig.5 Reflected wave and refracted wave on thek=k=— k= —V 1V 2再把(23)式和(24)式带入(22)式得V - Jsi nr v i ii --- sinB v2这就是我们熟知的反射和折射定律•对于电磁波来说，v =，因此sin 日 丁卩2名2 (26)------ ' ^ n 2i si nv *；in 2i 为介质2相对于介质1的折射率•由于除铁磁质外，一般介质都有•「…I 。
波的反射和折射波的反射和折射是我们日常生活中常见的现象，也是光学和声学等领域的重要基础知识。
无论是光波还是声波，当它们遇到介质边界时，就会发生反射和折射的现象，产生许多有趣的现象和应用。
### 波的反射反射是指波在碰到边界时，部分能量向原来的介质返回的现象。
比如，当我们在水面扔一块石头时，水波会从石头的位置开始扩散，并在水面的边界处发生反射。
同样，当光线照射到一个平面镜上时，部分光线会被反射回来，形成我们看到的镜面反射。
反射的角度遵循反射定律，即入射角等于反射角。
这一定律可以用数学公式表达为：$$\theta_i = \theta_r$$其中，$\theta_i$ 是入射角，$\theta_r$ 是反射角。
### 波的折射折射是指波在从一种介质传播到另一种介质时改变传播方向的现象。
当光线从空气中射入水中时，光线的传播方向会发生改变，这就是光的折射现象。
类似地，声波在不同介质之间传播时也会发生折射。
折射的角度遵循折射定律，也称为斯涅尔定律，其数学表达式为：$$\frac{\sin \theta_i}{\sin \theta_t} = \frac{v_i}{v_t} = \frac{n_t}{n_i} $$其中，$\theta_i$ 是入射角，$\theta_t$ 是折射角，$v_i$ 和 $v_t$ 分别是两种介质中的波速，$n_i$ 和 $n_t$ 是两种介质的折射率。
### 应用和意义波的反射和折射现象在日常生活和科学技术中有着广泛的应用。
比如，反射现象被用于制作镜子、光学望远镜等光学器件；折射现象则被应用于眼镜、棱镜、光纤通信等领域。
除此之外，波的反射和折射还可以解释许多自然现象，如彩虹的形成、水面的倒影等。
通过深入理解波的反射和折射，我们可以更好地探索自然规律，发展科学技术，促进社会进步。
在日常生活中，我们可以通过观察和实验来深入了解波的反射和折射现象，培养对科学的兴趣和理解，同时也能够应用这些知识解决生活和工作中的问题，提高我们的生活质量和工作效率。
波的反射和折射教案第一章：波的基本概念1.1 波的定义介绍波的定义和特点解释波的传播和振动1.2 波的类型区分机械波和电磁波介绍纵波和横波的区别1.3 波的参数解释波长、频率、振幅的概念介绍波速的计算和影响因素第二章：波的反射2.1 反射的定义和特点解释反射的定义和反射定律介绍反射波和入射波的关系2.2 反射现象的观察和实验进行简单的反射实验，观察反射波的行为分析反射现象的数学表达式2.3 特殊反射现象介绍全反射和临界角的概念解释全反射的条件和应用第三章：波的折射3.1 折射的定义和特点解释折射的定义和折射定律介绍折射波和入射波的关系3.2 折射现象的观察和实验进行简单的折射实验，观察折射波的行为分析折射现象的数学表达式3.3 特殊折射现象介绍超折射和负折射的概念解释超折射和负折射的产生和应用第四章：波的干涉4.1 干涉的定义和特点解释干涉的定义和干涉条件介绍相干波和干涉现象的关系4.2 干涉现象的观察和实验进行简单的干涉实验，观察干涉条纹的行为分析干涉现象的数学表达式4.3 特殊干涉现象介绍双缝干涉和单缝衍射的概念解释双缝干涉和单缝衍射的产生和应用第五章：波的衍射5.1 衍射的定义和特点解释衍射的定义和衍射条件介绍衍射波和衍射现象的关系5.2 衍射现象的观察和实验进行简单的衍射实验，观察衍射现象的行为分析衍射现象的数学表达式5.3 特殊衍射现象介绍夫琅禾夫衍射和瑞利衍射的概念解释夫琅禾夫衍射和瑞利衍射的产生和应用第六章：波的叠加原理6.1 叠加原理的定义和特点解释叠加原理的含义和适用范围介绍波的叠加和相干叠加的概念6.2 叠加原理在波的反射和折射中的应用分析波在界面上的反射和折射过程中叠加原理的应用举例说明叠加原理在实际问题中的应用6.3 叠加原理在波的干涉和衍射中的应用解释波的干涉和衍射过程中叠加原理的作用进行叠加原理在干涉和衍射现象中的应用示例第七章：波的传播和波动方程7.1 波的传播和波动方程的定义介绍波的传播过程和波动方程的概念解释波动方程的建立和适用条件7.2 一维波动方程的解法推导一维波动方程的通解分析不同初始条件和边界条件对波动方程解的影响7.3 二维和三维波动方程的解法介绍二维和三维波动方程的建立和求解方法举例说明波动方程在实际问题中的应用第八章：波的反射和折射的数值模拟8.1 数值模拟的基本原理和方法解释数值模拟的概念和原理介绍有限差分法和有限元法在波的反射和折射中的应用8.2 波的反射和折射数值模拟的步骤说明进行波的反射和折射数值模拟的整个流程给出具体的数值模拟示例和结果分析8.3 数值模拟在波的反射和折射中的应用案例介绍数值模拟在实际工程和科学研究中的应用案例分析数值模拟的优势和局限性第九章：波的反射和折射的实际应用9.1 波的反射和折射在通信技术中的应用解释波的反射和折射在信号传输中的作用介绍光纤通信和无线通信中波的反射和折射的应用9.2 波的反射和折射在声学和超声学中的应用说明波的反射和折射在声纳和超声波探测中的应用分析声学和超声学中波的反射和折射的原理和效果9.3 波的反射和折射在其他领域中的应用介绍波的反射和折射在其他科学技术和工程领域的应用讨论波的反射和折射在环境保护和能量传输等方面的意义回顾本教案的主要内容和教学目标强调波的反射和折射在物理学和工程学中的重要性10.2 波的反射和折射的教案拓展提出进一步研究和学习的方向和资源鼓励学生进行实验和实践活动，提高对波的反射和折射的理解和应用能力重点和难点解析一、波的基本概念：理解波的定义、类型和参数是学习后续章节的基础。
