图解 电波与光的基础和运用 pdf epub mobi txt 电子书 下载 2025

简体网页||繁体网页

☆☆☆☆☆

图书标签:

• 电波
• 光
• 通信
• 电磁波
• 物理
• 电子工程
• 无线电
• 光学
• 图解
• 基础知识

　　当今世界可说是由「电波」建构而成。我们的周遭随处可见电波的存在，如广播、电视、手机、Wi-fi、蓝牙等。与电波同属电磁波的「光」也一样。除了照明用的灯光之外，我们也会将光的各种特性应用在我们的日常生活中。

　　各种「电波与光」的尖端技术支持着现代社会，要了解这些技术的原理，就必须学会基础知识才行。

　　将高中物理的内容简化，
　　一本搞懂「电波与光」的诞生与应用！

　　本书会尽量摆脱复杂难解的数学公式，结合最新、最切身的具体实例，简单说明各种生活中的物理现象。

　　不同于一般教科书将各个理论拆开说明，让我们从起点「电波的发现」开始，随着简洁直白的文字，循序渐进认识这个世界吧！

　　第一章 生活中不可或缺的电波
　　第二章 电磁波的本质
　　第三章 电波和光是同样的东西
　　第四章 光的各种性质
　　第五章 接下来是光子学的时代
 

书籍简介：电磁波的奥秘与现代应用 书籍名称： 理论物理前沿：电磁学基础与现代技术应用 内容概述： 本书旨在为读者提供一个深入而全面的电磁学视角，聚焦于电磁波这一自然界基本现象的理论基石及其在当代科技发展中的关键作用。全书结构严谨，从麦克斯韦方程组的经典阐释出发，逐步过渡到电磁波在不同介质中的传播特性，并深入探讨了其在现代通信、能源传输、医疗影像以及基础科学研究中的复杂应用。 本书的侧重点在于构建清晰的理论框架与实际应用场景的紧密联系。我们相信，只有透彻理解电磁场和电磁波的基本规律，才能更好地掌握和创新支撑现代社会运转的各项技术。 第一部分：电磁学的经典基石 本部分奠定了全书的理论基础，详尽阐述了电磁现象的数学描述和物理内涵。 第一章：电荷、场与基本定律的重构 本章首先回顾了库仑定律和高斯定律在静电学中的核心地位，并扩展至静磁学中的比奥-萨伐尔定律和安培环路定律。核心内容在于系统性地介绍法拉第电磁感应定律，阐明了变化的磁场如何产生电场，这是理解电磁波产生的关键前提。章节末尾，将洛伦兹力纳入讨论，完整地构建了宏观电磁现象的描述框架。 第二章：麦克斯韦方程组的统一与精炼 本章是全书理论分析的重中之重。我们将详细剖析麦克斯韦四方程——包括电场的高斯定律、磁场的高斯定律、法拉第定律以及修正后的安培定律（引入位移电流）——如何将电、磁现象统一于一个自洽的体系之中。重点将放在位移电流的概念及其对电磁波存在的必然性所起的作用。本章会通过对不同坐标系下方程形式的讨论，为后续的波动方程推导做好铺垫。 第三章：电磁场的边界条件与规范理论简介 为了将理论应用于实际装置，本章着重讨论了电磁场在两种不同介质分界面上的边界条件，包括电场强度、磁场强度、电位移矢量和磁场强度的分量关系。此外，为拓展读者的视野，本章引入了电磁势（标量势 $phi$ 和矢量磁势 $mathbf{A}$）的概念，并简要讨论了洛伦兹规范和库仑规范的选择，展示了理论的灵活性。 第二部分：电磁波的传播与特性 本部分将麦克斯韦方程组应用于自由空间及特定介质中，推导出电磁波方程，并深入分析其传播特性。 第四章：平面电磁波的解析 本章从麦克斯韦方程组出发，推导出一维和三维空间中的波动方程。通过分析均匀、无损介质（如真空）中的平面电磁波解，读者将清晰地理解电场 $mathbf{E}$、磁场 $mathbf{B}$ 的相互垂直性、传播方向的关系，以及波速的确定。本章详细讨论了波阻抗的概念，以及坡印廷矢量（Poynting Vector）在描述电磁能流密度和方向上的重要性。 第五章：物质中的电磁波传播与损耗 本章将分析电磁波在具有特定电导率、介电常数和磁导率的材料中的行为。我们将区分良导体、不良导体和低损耗介质（如电介质）。重点解析趋肤深度（Skin Depth）的概念及其对高频信号传输的影响。此外，本章还将涵盖波在线极性（线偏振、圆偏振、椭圆偏振）的数学描述及其在空间中的演化。 第六章：反射、折射与散射现象 当电磁波遇到界面时会发生反射和折射，本章将基于边界条件，运用菲涅耳公式来精确计算不同极化（平行光和垂直光）的反射系数和透射系数。我们还会涉及全内反射的条件，并对瑞利散射和米氏散射的基本物理图像进行概述，为理解大气中光的现象打下基础。 第三部分：电磁波的应用：从微波到光子 本部分着眼于电磁波在工程技术和现代科学研究中的实际应用，涵盖了电磁波谱的各个重要频段。 第七章：射频与微波技术的基础 本章聚焦于波长在毫米到米范围内的应用。详细分析了传输线理论（如史密斯圆图的原理）在阻抗匹配中的作用。此外，本章将介绍波导管（矩形和圆柱形）作为高功率、低损耗传输介质的工作原理，并讨论腔谐振器的设计概念。 第八章：射频识别（RFID）与无线通信 本章探讨了电磁波在信息传输中的核心地位。内容涵盖天线的基本理论（如辐射方向图、增益和效率），以及电磁波在自由空间传播中的路径损耗计算。我们将分析近场耦合（如近场通信）和远场辐射（如蜂窝通信）的工作机制差异。 第九章：光学：电磁波的高频端 本章将光视为电磁波的特例，着重于波动光学。内容包括干涉理论（如杨氏双缝实验的定量分析）、衍射理论（如单缝和圆孔衍射的几何描述），以及光的偏振态与物质相互作用。本章还会简要介绍基于光的成像系统中的像差问题。 第十章：电磁波在探测与成像中的应用 本章探讨了利用电磁波反作用来获取物质信息的前沿技术。我们将讨论雷达系统的基本原理，包括多普勒效应在测速中的应用。在医学领域，将解析核磁共振（NMR）成像中原子核自旋与射频脉冲相互作用的基本物理过程，以及微波辐射在非接触式温度测量中的应用原理。 结论与展望 本书的最后部分将总结电磁波理论的普适性，并展望未来，例如超材料（Metamaterials）对电磁波控制的革命性潜力，以及极端高频（太赫兹）波段在未来高带宽通信中的可能角色。本书旨在激励读者在电磁学这片广阔的领域中，继续探索理论与实践的结合点。

作者简介

井上伸雄（Inoue Nobuo）

　　1936年出生于福冈市。1959年毕业于名古屋大学工学部电气工学科，进入日本电信电话公社（现在的NTT）工作。于该公司的电气通讯研究所研究开发数位传输、数位网路等技术。1989年成为多摩大学的教授，现为该大学的名誉教授。工学博士。

　　○在电气通讯研究所工作时，致力于日本数位传输的实用化，之后亦参与了高速数位传输方式与数位网路的研究开发。从日本开始发展数位通讯产业起，二十五年来皆致力于数位通讯技术的研究。

　　○1989年离开NTT后，于日经Communication志（日经BP社）连载网路讲座专栏。以此为契机，开始执笔写书，希望能用简单易懂的方式说明通讯技术。至今写过的主要作品包括《情报通信早わかり讲座》（共着，日经BP社）、《通信＆ネットワークがわかる事典》、《通信のしくみ》、《通信の最新常识》、《図解 通信技术のすべて》（以上皆为日本实业出版社）、《基础からの通信ネットワーク》（OPTRONICS社）、《「通信」のキホン》、《「电波」のキホン》（以上皆为SOFTBANK Creative）、《全彩图解通信原理》（脸谱）、《図解 スマートフォンのしくみ》（PHP研究所）、《モバイル通信のしくみと技术がわかる本》（animo出版）、《通読できてよくわかる电気のしくみ》、《情报通信技术はどのように発达してきたのか》（BERET出版）等。

　　○兴趣是海外旅行（超过70次，曾到访40个以上的国家），与东京六大学棒球赛观战。从昭和20年秋的早庆战以来，几乎每季都会到神宫球场观战，是个老早稻田迷。
 

前言
第一章 生活中不可或缺的电波
1-1 电波的发现——赫兹的实验与马克士威的预言
1-2 电波的频率——1秒内有几个波峰呢
1-3 再复杂的波也可视为sin波的组合——了解电波的性质
1-4 电波的各种传播方式——直线前进、绕射、反射、折射
1-5 电波的干涉——同相会增强、反相会减弱
1-6 以频率为电波分类——分为通讯、电视广播、雷达等用途
1-7 天空中有一层可反射电波的电离层——业余无线电玩家的功劳
1-8 频率的宽度是什么——频宽越广品质越好
1-9 电视广播所使用的电波——NHK东京为FM 82.5 MHz的意思
1-10 手机所使用的电波——白金频段的争夺战
1-11 雷达所使用的电波——极度精密的气象雷达
1-12 放出电波、处理电波的天线——长度为波长的一半的效率最好
1-13 可自由改变电波方向的「相位阵列天线」——应用在神盾舰与5G手机上
1-14 利用电波传送电力的「微波无线供电」——应用在海上风力发电与太空中的太阳能发电
 
第二章 电磁波的本质
2-1 电场与磁场——开放的电力线、封闭的磁力线
2-2 电力与磁力的关系——电力产生磁力、磁力产生电力
2-3 马克士威的预言——光也是一种能在真空内前进的电磁波
2-4 电磁波是电波与磁波纠缠在一起所形成的波——360度往外扩张前进
2-5 电磁波的极化是什么——手机所使用的垂直极化波、电视所使用的是水平极化波
2-6 电子的振动会产生电磁波——温度提升时会产生电磁波
2-7 电磁波可让电子振动——电波如何将水加热
2-8 电磁波对人体的影响——对心律调节器的影响
物理之窗 弗莱明定则
 
第三章 电波和光是同样的东西
3-1 光也是电磁波——从红外线、可见光，到X射线、γ射线
3-2 物体温度上升时会产生电磁波——黑体辐射的光谱
3-3 太阳与恆星所放出的电磁波——由光谱测量星体的温度
3-4 红通通的太阳——夕阳为什么是红的？
3-5 X射线是波长较短的电磁波——如何产生X射线？
3-6 对人体来说危险性很高的γ射线——不过可以用来灭菌或消毒

3-7 以电波观测星星的电波天文学——甚至用到亚毫米波来观测
3-8 从电波可以了解到宇宙的什么呢？——黑洞与宇宙背景辐射
3-9 可见光窗、电波窗——之所以只能在大气层外捕捉到来自宇宙的X射线，也是肇因于此
3-10 极光的成因与颜色——极光与霓虹灯的原理相同
3-11 各种物质所发射出来的光谱——当激发态的电子回归基态时
3-12 用光谱研究宇宙中的物质——从天体的速度，到宇宙的膨胀
3-13 寻找「第二地球」——由吸收光谱分析大气成分
物理之窗 原子结构
 
第四章 光的各种性质
4-1 光拥有波的性质——杨格的光干涉实验
4-2 绕射光栅——可用来测量波长
4-3 光通过结晶时可观察到绕射——由布拉格定律了解结晶结构
4-4 光是波还是粒子——爱因斯坦的光量子假说
4-5 电子的波——同时是波也是粒子的波粒二相性模型
4-6 光学显微镜与电子显微镜——波长越短，解析度越高
4-7 光会产生压力吗？——借由太阳光的压力推进探查机
4-8 光速为秒速30万公里——罗默的观测与斐索的实验
4-9 光速一定，不会改变——迈克生与莫雷的实验
4-10 光为什么会折射呢——随着介质与波长的不同，光会有不同程度的折射
4-11 光的全反射——钻石的光彩夺目来自于它很高的折射率
4-12 借由光纤缆线来传送光讯号——前进20 km后仍有一半的强度
4-13 天空与大海为什么是蓝色的呢——波长较短的蓝光会在空气中漫射，在大海中则可持续前进
4-14 对人类肉眼有害的光：紫外线与蓝光——请避开短波长的光
 
第五章 接下来是光子学的时代
5-1 光子学是什么——以电子学控制光子的技术
5-2 雷射光——用于光通讯的同调光
5-3 半导体雷射——1秒内发出数百亿次光脉冲
5-4 LED是二十一世纪的照明工具——蓝光LED的发明拓展了LED的用途
5-5 CD、DVD、BD——蓝光雷射可记录五倍于DVD的资料密度
5-6 用光来通讯——容量越来越大、速度越来越快
5-7 会用到光的「量子电脑」——什么是「量子叠加态」？
物理之窗 爱因斯坦预言了「重力波」的存在
索引
 

前言

　　「电波」与「光」乍看之下是毫无关系的两种东西，但事实上它们都是「电磁波」的一种，只差在波长不同而已。电磁波除了电波与光之外，还包括了红外线、紫外线、X光摄影中会用到的X射线、令人闻之色变的辐射线中的γ射线等。电波与光（可见光）只是电磁波的其中一部分而已。

　　本书将会用浅显易懂的方式，介绍各种电磁波的性质、产生电磁波的原理，以及如何应用这些电磁波。

　　电波与光皆属于电磁波，如名所示，它们都是一种「波」，故两者都有着像波一样的行为。不过在二十世纪后，陆续有人提出光可能是「粒子」的理论。时至今日，人们已确立光同时拥有「波」和「粒子」的性质，如同拥有双重人格的角色。然而对一般人而言，这样的叙述应该很难理解吧。

　　打开高中的物理教科书，是可以看到书上写着「电波与光皆属于波」、「光同时拥有波和粒子这两种性质」、「除了光以外，还存在着如电子射线般，原本应以粒子状态存在的电子，却能展现出波的性质」之类的叙述，但只看教科书的话还是让人觉得一知半解。为了让学生理解这些叙述，高中的老师们会想尽办法用各种有趣、易懂的方式说明。不过要是说明方式太烂，学生们就会觉得物理很难懂、很无聊，进而排斥学习物理，让许多人逐渐远离理科的学问。

　　本书的目标是将高中物理教科书中所提到的知识，以尽可能简单、易懂的方式说明清楚。除了让高中生看懂以外，也能回答一般人对电磁波的疑问。即使一般人觉得这些问题很困难而敬而远之，也能在读过这本书后，在某种程度上理解这些问题的答案。

　　手机和电视都会用到电波，是我们日常生活中常接触到的应用，不过很少人知道它们分别是用那些频率的电波，本书将对此详细说明。

　　说到光，其实可以谈到不少一般人不太清楚的故事。本书会试着详细说明这些内幕，让大家看完后能有「啊，原来如此，是这个样子啊」的感觉。

　　最近在天文学的领域内也出现了许多大新闻。这些天文学上的发现并非只靠肉眼可见的光，还用到了无线电波、X射线等新型天文学研究方法。本书也花了一些篇幅介绍这些研究。

　　如果读者在看过本书之后，能够对原本觉得很困难而避之唯恐不及的电磁波开始有点兴趣，并进一步试着了解相关知识，对我而言就是最大的回报了。
 

1-1 电波的发现——赫兹的实验与马克士威的预言

我们的周围充斥着各式各样的电波。虽然我们在二十世纪之后才真正懂得如何利用这些电波，但电波这种东西早在人类诞生以前就已经存在于自然界中。雷声响起、闪电划过天空时，放出的电流会在空中产生电波。地球上也可接收到来自太空的各种电波。

但是，肉眼看不到电波，手也摸不到电波。直到1888年，德国物理学家赫兹才以实验首次确认到电波的存在。

有一次，赫兹用图1-1的装置进行实验。图的左侧有两根彼此靠得很近的金属棒，当通以高压电时，金属棒间会产生火花放电。赫兹发现，此时一个放在附近，有一个狭小缺口的金属环也会产生火花。当赫兹停止金属棒的通电后，金属环缺口的火花也会消失。这两根金属棒与金属环并没有直接接触，故只能想像可能是金属棒间隙的火花产生了某种东西，经过空气跑到金属环的缺口，并在那里产生了火花。而这所谓的某种东西，其实就是电波。
 

评分☆☆☆☆☆

最近我读了一本关于“人工智能伦理思考”的书，这本书的出现，恰恰回应了我内心深处对于科技发展与人文关怀之间关系的困惑。在当下，人工智能技术以惊人的速度渗透到我们生活的方方面面，从智能推荐到自动驾驶，再到更复杂的决策系统，无不展现出其强大的力量。然而，伴随而来的是一系列伦理上的挑战，例如数据隐私、算法偏见、失业问题以及人工智能的自主性等。这本书的作者并没有回避这些敏感话题，而是以一种非常审慎和深刻的态度，剖析了这些问题背后的复杂性。他/她引用的案例非常具有代表性，涵盖了医疗、金融、司法等多个领域，让我们得以窥见人工智能在不同场景下可能产生的伦理困境。我印象特别深刻的是关于“算法歧视”的讨论，作者通过详细的分析，揭示了隐藏在数据中的潜在偏见如何被算法放大，从而导致不公平的结果。这本书的价值在于，它不仅仅是陈述问题，更重要的是，它提供了一种思考框架，引导读者去审视人工智能在发展过程中所应遵循的伦理原则和道德底线。它提醒我们，在追求技术进步的同时，绝不能忽视对人性和社会价值的尊重。这本书让我意识到，科技的发展不应该仅仅是效率的提升，更应该是以人为本，服务于人类福祉。

评分☆☆☆☆☆

偶然的机会，我接触到了这本《宇宙的低语：天文学的奇妙旅程》。我一直对浩瀚的星空充满好奇，总觉得那里隐藏着无数的奥秘等待我们去探索。这本书的写作风格非常吸引人，作者用一种非常诗意且充满激情的笔触，为我们描绘了宇宙的宏伟画卷。书中没有充斥着枯燥的术语和晦涩的公式，而是将复杂的宇宙现象娓娓道来，仿佛一位经验丰富的向导，带着我们漫步在星辰大海之中。我特别喜欢作者对不同天体的描述，从燃烧的恒星到沉默的黑洞，再到孕育生命的行星，每一个都栩栩如生，让我仿佛亲眼所见。书中穿插的许多关于天文学史的小故事也十分有趣，让我了解到那些伟大的天文学家们是如何凭借着智慧和毅力，一步步揭开宇宙的面纱。例如，关于伽利略如何用望远镜观测月球的细节，就让我对这位科学巨匠肃然起敬。而且，书中配有大量精美的图片，这些图片不仅具有极高的艺术价值，更重要的是，它们能够直观地展示宇宙的壮丽与神秘，极大地增强了阅读的愉悦感。这本书让我深刻体会到，科学并非冷冰冰的教条，而是充满诗意与想象力的探索过程。它不仅拓展了我的知识边界，更点燃了我对宇宙更深层次的好奇心。

评分☆☆☆☆☆

最近，我读了一本关于“情绪管理与心理健康”的书，这本书的出现，正好契合了我近段时间以来对自我情绪调适的探索。在快节奏的现代生活中，压力和焦虑似乎成了常态，很多人都在不同程度上受到情绪问题的困扰。这本书并没有提供一些简单粗暴的“速效疗法”，而是以一种非常平和且富有同情心的方式，引导读者去理解情绪的本质，以及它对我们生活的影响。作者并没有将情绪简单地划分为“好”或“坏”，而是强调了情绪的复杂性和其内在的价值。我特别欣赏书中关于“情绪接纳”的观点，作者鼓励我们去正视自己的负面情绪，而不是一味地压抑或逃避。他/她提供了许多实用的技巧，比如正念冥想、认知重构等，来帮助我们更好地理解和处理自己的情绪。书中还包含了一些真实案例的分析，这些案例让读者能够感同身受，从中获得共鸣和启发。我印象最深刻的是关于“情绪弹性”的讨论，作者解释了如何通过积极的心态和有效的应对策略，来提高我们面对挑战时的韧性。这本书让我意识到，情绪管理并非是要消除所有负面情绪，而是要学会与情绪和谐相处，并在经历困难时能够更快地恢复。它是一本真正能够帮助我们提升自我关怀能力，走向内心平和的书。

评分☆☆☆☆☆

在一次偶然的书店闲逛中，我拿起了一本名为《古建筑的时光回响》的书。我一直对历史建筑情有独钟，总觉得每一块砖石、每一处雕刻都承载着一段故事，诉说着往昔的辉煌。这本书的确没有让我失望。它以一种非常细腻且充满感情的笔触，带领我穿越时空，走进那些沉默的古建筑。作者并没有简单地罗列建筑的年代、风格和尺寸，而是深入挖掘了每一处建筑背后的历史背景、文化意义和社会功能。例如，在介绍一座古老寺庙时，作者不仅描述了其精美的斗拱结构和彩绘壁画，更讲述了建造这座寺庙的僧侣们的生活点滴，以及它在当地社区中所扮演的精神寄托的角色。我特别喜欢书中对建筑细节的刻画，那些经过风雨侵蚀的石阶、斑驳脱落的墙皮，在作者的笔下都充满了生命力，仿佛能听到它们在低语，诉说着岁月的痕迹。书中还穿插了一些关于古建筑修复的案例，让我了解到了在保护珍贵历史遗产方面所付出的艰辛努力。这本书让我觉得，古建筑不仅仅是冰冷的石头堆砌，它们是历史的见证，是文化的载体，更是我们与过去连接的桥梁。它让我对历史有了更深的敬畏，也对如何传承和保护我们的文化遗产有了更深刻的认识。

评分☆☆☆☆☆

最近翻阅了好几本关于物理学的入门书籍，不得不说，很多都让我看得一头雾水，感觉自己仿佛置身于一个由抽象公式和晦涩概念构成的迷宫。好不容易鼓起勇气，又尝试了这本《物理学原理速成指南》。书的封面设计还挺简洁大方的，一开始我对它抱有不小的期望，想着既然是“速成”，应该会直击要点，让我快速掌握核心知识。然而，读了几章之后，我发现这本书的叙事方式实在太跳跃了，很多地方的解释显得尤为仓促，仿佛作者急于把所有内容塞进书里，却忽略了读者理解的连贯性。例如，在讲到“能量守恒定律”时，书中直接给出了几个复杂的公式，然后就匆匆带过，并没有花足够的时间来解释这些公式的由来，或者它们在实际生活中的具体应用场景。这让我感觉自己像是被扔进了知识的海洋，却只给了我几片漂浮的木板，而没有提供导航图。我试着反复阅读，试图从字里<bos> 找到理解的线索，但越是深入，越是觉得力不从心。书中的插图也很少，而且即使有，也大多是一些示意性的图表，缺乏直观的引导作用。我个人偏爱那些能够通过生动的图示来解释抽象概念的书籍，因为这样能帮助我更好地在脑海中构建起物理世界的图像。可惜，这本书在这方面做得远远不够。我只能说，这本书的“速成”名不副实，对于我这样的物理学初学者来说，它带来的更多是困惑而非启发。