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भौतिकी · शब्दावली

परिक्षेपण संबंध; कला वेग क्या है?

परिभाषा 8.1 विश्वविद्यालय भौतिकी — वर्ष 2 · अध्याय 8 — परिक्षेपण और तरंग-पुंज

कोई रैखिक, समांगी, समय-अपरिवर्ती माध्यम समतल एकवर्णी तरंगें s=Aei(ωtkx)\underline s = A\,\eu^{\iu(\omega t - kx)} स्वीकार करता है (सम्मिश्र संकेतन; भौतिक संकेत वास्तविक भाग है), बशर्ते ω\omega और kk माध्यम के परिक्षेपण संबंध D(ω,k)=0\mathcal D(\omega, k) = 0 का पालन करें, जिसे k(ω)k(\omega) या ω(k)\omega(k) के रूप में हल किया जाता है। वास्तविक kk के लिए तरंग बिना विरूपण के कला वेग से चलती है:

vφ=ωk.v_\varphi = \frac\omega k .

माध्यम अपरिक्षेपी तब कहलाता है जब vφv_\varphi ω\omega पर निर्भर न करे (तब ω=ck\omega = ck और हर संकेत बिना विरूपण संचरित होता है — यही दालांबेर समीकरण है), और अन्यथा परिक्षेपी

बाएँ: तीन परिक्षेपण संबंध — अपरिक्षेपी माध्यम के लिए सरल रेखा, अपने कटाव के साथ क्लाइन–गॉर्डन अतिपरवलय, और गहरे पानी की तरंगों का परवलय। दाएँ: क्लाइन–गॉर्डन संबंध के लिए कला वेग c से ऊपर रहता है और समूह वेग उससे नीचे, तथा v_ v_g = c2। बाएँ: तीन परिक्षेपण संबंध — अपरिक्षेपी माध्यम के लिए सरल रेखा, अपने कटाव के साथ क्लाइन–गॉर्डन अतिपरवलय, और गहरे पानी की तरंगों का परवलय। दाएँ: क्लाइन–गॉर्डन संबंध के लिए कला वेग c से ऊपर रहता है और समूह वेग उससे नीचे, तथा v_ v_g = c2।
बाएँ: तीन परिक्षेपण संबंध — अपरिक्षेपी माध्यम के लिए सरल रेखा, अपने कटाव के साथ क्लाइन–गॉर्डन अतिपरवलय, और गहरे पानी की तरंगों का परवलय। दाएँ: क्लाइन–गॉर्डन संबंध के लिए कला वेग cc से ऊपर रहता है और समूह वेग उससे नीचे, तथा vφvg=c2v_\varphi v_g = c^2

उदाहरण

उदाहरण 8.2 (परिक्षेपी और अपरिक्षेपी)

(क) प्रत्यास्थ शय्या पर रखा कोई तार (प्रति एकांक लंबाई प्रत्यानयन बल Ky-Ky, या लोलकों की कोई शृंखला), μt2y=Tx2yKy\mu\partial_t^2y = T\partial_x^2y - Ky: ω2=ωc2+c2k2\omega^2 = \omega_c^2 + c^2k^2, जहाँ ωc=K/μ\omega_c = \sqrt{K/\mu} — यही क्लाइन–गॉर्डन संबंध है, जो प्लाज़्मा और तरंग-नलिका का भी है (अध्याय 14 और 16): vφ=c/1ωc2/ω2>cv_\varphi = c/\sqrt{1 - \omega_c^2/\omega^2} > c, और कोई वास्तविक kk कटाव ωc\omega_c से नीचे नहीं। (ख) गहरे पानी की गुरुत्व-तरंगें: ω2=gk\omega^2 = gk (स्वीकृत), vφ=g/k=gλ/2πv_\varphi = \sqrt{g/k} = \sqrt{g\lambda/2\pi}: अर्थात् लंबी तरंगें तेज़ — 100m100\,\mathrm{m} के लिए 12.5m/s12.5\,\mathrm{m}/\mathrm{s}, 1km1\,\mathrm{km} के लिए 40m/s40\,\mathrm{m}/\mathrm{s}। (ग) परमाणुओं की शृंखला, ω=2ω0sin(ka/2)\omega = 2\omega_0|\sin(ka/2)| (अध्याय 6)। (घ) काँच में प्रकाश, k=n(ω)ω/ck = n(\omega)\omega/c, और इसीलिए कोई प्रिज़्म वर्णक्रम फैला देता है।

उदाहरण 8.7 (क्लाइन–गॉर्डन: प्रकाश से तेज़, और फिर भी नहीं)

ω2=ωc2+c2k2\omega^2 = \omega_c^2 + c^2k^2 के लिए: vφ=ω/kv_\varphi = \omega/k और vg=c2k/ωv_g = c^2k/\omega, अतः vφvg=c2v_\varphi v_g = c^2: कला वेग cc से ऊपर रहता है (आयनमंडल में किसी 10MHz10\,\mathrm{MHz} तरंग के शिखर प्रकाश से तेज़ चलते हैं), पर समूह वेग, जो संकेत ढोता है, उससे नीचे रहता है। कला वेग न ऊर्जा ढोता है न सूचना — शिखर उस प्रकाश-स्तंभ की धब्बे जैसे हैं जो किसी दूर के बादल पर झाड़ू फेरती है।

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