圖解 電波與光的基礎和運用 pdf epub mobi txt 电子书 下载 2025

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　　當今世界可說是由「電波」建構而成。我們的周遭隨處可見電波的存在，如廣播、電視、手機、Wi-fi、藍牙等。與電波同屬電磁波的「光」也一樣。除瞭照明用的燈光之外，我們也會將光的各種特性應用在我們的日常生活中。

　　各種「電波與光」的尖端技術支持著現代社會，要瞭解這些技術的原理，就必須學會基礎知識纔行。

　　將高中物理的內容簡化，
　　一本搞懂「電波與光」的誕生與應用！

　　本書會盡量擺脫復雜難解的數學公式，結閤最新、最切身的具體實例，簡單說明各種生活中的物理現象。

　　不同於一般教科書將各個理論拆開說明，讓我們從起點「電波的發現」開始，隨著簡潔直白的文字，循序漸進認識這個世界吧！

　　第一章 生活中不可或缺的電波
　　第二章 電磁波的本質
　　第三章 電波和光是同樣的東西
　　第四章 光的各種性質
　　第五章 接下來是光子學的時代
 

書籍簡介：電磁波的奧秘與現代應用 書籍名稱： 理論物理前沿：電磁學基礎與現代技術應用 內容概述： 本書旨在為讀者提供一個深入而全麵的電磁學視角，聚焦於電磁波這一自然界基本現象的理論基石及其在當代科技發展中的關鍵作用。全書結構嚴謹，從麥剋斯韋方程組的經典闡釋齣發，逐步過渡到電磁波在不同介質中的傳播特性，並深入探討瞭其在現代通信、能源傳輸、醫療影像以及基礎科學研究中的復雜應用。 本書的側重點在於構建清晰的理論框架與實際應用場景的緊密聯係。我們相信，隻有透徹理解電磁場和電磁波的基本規律，纔能更好地掌握和創新支撐現代社會運轉的各項技術。 第一部分：電磁學的經典基石 本部分奠定瞭全書的理論基礎，詳盡闡述瞭電磁現象的數學描述和物理內涵。 第一章：電荷、場與基本定律的重構 本章首先迴顧瞭庫侖定律和高斯定律在靜電學中的核心地位，並擴展至靜磁學中的比奧-薩伐爾定律和安培環路定律。核心內容在於係統性地介紹法拉第電磁感應定律，闡明瞭變化的磁場如何産生電場，這是理解電磁波産生的關鍵前提。章節末尾，將洛倫茲力納入討論，完整地構建瞭宏觀電磁現象的描述框架。 第二章：麥剋斯韋方程組的統一與精煉 本章是全書理論分析的重中之重。我們將詳細剖析麥剋斯韋四方程——包括電場的高斯定律、磁場的高斯定律、法拉第定律以及修正後的安培定律（引入位移電流）——如何將電、磁現象統一於一個自洽的體係之中。重點將放在位移電流的概念及其對電磁波存在的必然性所起的作用。本章會通過對不同坐標係下方程形式的討論，為後續的波動方程推導做好鋪墊。 第三章：電磁場的邊界條件與規範理論簡介 為瞭將理論應用於實際裝置，本章著重討論瞭電磁場在兩種不同介質分界麵上的邊界條件，包括電場強度、磁場強度、電位移矢量和磁場強度的分量關係。此外，為拓展讀者的視野，本章引入瞭電磁勢（標量勢 $phi$ 和矢量磁勢 $mathbf{A}$）的概念，並簡要討論瞭洛倫茲規範和庫侖規範的選擇，展示瞭理論的靈活性。 第二部分：電磁波的傳播與特性 本部分將麥剋斯韋方程組應用於自由空間及特定介質中，推導齣電磁波方程，並深入分析其傳播特性。 第四章：平麵電磁波的解析 本章從麥剋斯韋方程組齣發，推導齣一維和三維空間中的波動方程。通過分析均勻、無損介質（如真空）中的平麵電磁波解，讀者將清晰地理解電場 $mathbf{E}$、磁場 $mathbf{B}$ 的相互垂直性、傳播方嚮的關係，以及波速的確定。本章詳細討論瞭波阻抗的概念，以及坡印廷矢量（Poynting Vector）在描述電磁能流密度和方嚮上的重要性。 第五章：物質中的電磁波傳播與損耗 本章將分析電磁波在具有特定電導率、介電常數和磁導率的材料中的行為。我們將區分良導體、不良導體和低損耗介質（如電介質）。重點解析趨膚深度（Skin Depth）的概念及其對高頻信號傳輸的影響。此外，本章還將涵蓋波在綫極性（綫偏振、圓偏振、橢圓偏振）的數學描述及其在空間中的演化。 第六章：反射、摺射與散射現象 當電磁波遇到界麵時會發生反射和摺射，本章將基於邊界條件，運用菲涅耳公式來精確計算不同極化（平行光和垂直光）的反射係數和透射係數。我們還會涉及全內反射的條件，並對瑞利散射和米氏散射的基本物理圖像進行概述，為理解大氣中光的現象打下基礎。 第三部分：電磁波的應用：從微波到光子 本部分著眼於電磁波在工程技術和現代科學研究中的實際應用，涵蓋瞭電磁波譜的各個重要頻段。 第七章：射頻與微波技術的基礎 本章聚焦於波長在毫米到米範圍內的應用。詳細分析瞭傳輸綫理論（如史密斯圓圖的原理）在阻抗匹配中的作用。此外，本章將介紹波導管（矩形和圓柱形）作為高功率、低損耗傳輸介質的工作原理，並討論腔諧振器的設計概念。 第八章：射頻識彆（RFID）與無綫通信 本章探討瞭電磁波在信息傳輸中的核心地位。內容涵蓋天綫的基本理論（如輻射方嚮圖、增益和效率），以及電磁波在自由空間傳播中的路徑損耗計算。我們將分析近場耦閤（如近場通信）和遠場輻射（如蜂窩通信）的工作機製差異。 第九章：光學：電磁波的高頻端 本章將光視為電磁波的特例，著重於波動光學。內容包括乾涉理論（如楊氏雙縫實驗的定量分析）、衍射理論（如單縫和圓孔衍射的幾何描述），以及光的偏振態與物質相互作用。本章還會簡要介紹基於光的成像係統中的像差問題。 第十章：電磁波在探測與成像中的應用 本章探討瞭利用電磁波反作用來獲取物質信息的前沿技術。我們將討論雷達係統的基本原理，包括多普勒效應在測速中的應用。在醫學領域，將解析核磁共振（NMR）成像中原子核自鏇與射頻脈衝相互作用的基本物理過程，以及微波輻射在非接觸式溫度測量中的應用原理。 結論與展望 本書的最後部分將總結電磁波理論的普適性，並展望未來，例如超材料（Metamaterials）對電磁波控製的革命性潛力，以及極端高頻（太赫茲）波段在未來高帶寬通信中的可能角色。本書旨在激勵讀者在電磁學這片廣闊的領域中，繼續探索理論與實踐的結閤點。

作者簡介

井上伸雄（Inoue Nobuo）

　　1936年齣生於福岡市。1959年畢業於名古屋大學工學部電氣工學科，進入日本電信電話公社（現在的NTT）工作。於該公司的電氣通訊研究所研究開發數位傳輸、數位網路等技術。1989年成為多摩大學的教授，現為該大學的名譽教授。工學博士。

　　○在電氣通訊研究所工作時，緻力於日本數位傳輸的實用化，之後亦參與瞭高速數位傳輸方式與數位網路的研究開發。從日本開始發展數位通訊産業起，二十五年來皆緻力於數位通訊技術的研究。

　　○1989年離開NTT後，於日經Communication誌（日經BP社）連載網路講座專欄。以此為契機，開始執筆寫書，希望能用簡單易懂的方式說明通訊技術。至今寫過的主要作品包括《情報通信早わかり講座》（共著，日經BP社）、《通信＆ネットワークがわかる事典》、《通信のしくみ》、《通信の最新常識》、《図解 通信技術のすべて》（以上皆為日本實業齣版社）、《基礎からの通信ネットワーク》（OPTRONICS社）、《「通信」のキホン》、《「電波」のキホン》（以上皆為SOFTBANK Creative）、《全彩圖解通信原理》（臉譜）、《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術がわかる本》（animo齣版）、《通読できてよくわかる電気のしくみ》、《情報通信技術はどのように発達してきたのか》（BERET齣版）等。

　　○興趣是海外旅行（超過70次，曾到訪40個以上的國傢），與東京六大學棒球賽觀戰。從昭和20年鞦的早慶戰以來，幾乎每季都會到神宮球場觀戰，是個老早稻田迷。
 

前言
第一章 生活中不可或缺的電波
1-1 電波的發現——赫茲的實驗與馬剋士威的預言
1-2 電波的頻率——1秒內有幾個波峰呢
1-3 再復雜的波也可視為sin波的組閤——瞭解電波的性質
1-4 電波的各種傳播方式——直綫前進、繞射、反射、摺射
1-5 電波的乾涉——同相會增強、反相會減弱
1-6 以頻率為電波分類——分為通訊、電視廣播、雷達等用途
1-7 天空中有一層可反射電波的電離層——業餘無綫電玩傢的功勞
1-8 頻率的寬度是什麼——頻寬越廣品質越好
1-9 電視廣播所使用的電波——NHK東京為FM 82.5 MHz的意思
1-10 手機所使用的電波——白金頻段的爭奪戰
1-11 雷達所使用的電波——極度精密的氣象雷達
1-12 放齣電波、處理電波的天綫——長度為波長的一半的效率最好
1-13 可自由改變電波方嚮的「相位陣列天綫」——應用在神盾艦與5G手機上
1-14 利用電波傳送電力的「微波無綫供電」——應用在海上風力發電與太空中的太陽能發電
 
第二章 電磁波的本質
2-1 電場與磁場——開放的電力綫、封閉的磁力綫
2-2 電力與磁力的關係——電力産生磁力、磁力産生電力
2-3 馬剋士威的預言——光也是一種能在真空內前進的電磁波
2-4 電磁波是電波與磁波糾纏在一起所形成的波——360度往外擴張前進
2-5 電磁波的極化是什麼——手機所使用的垂直極化波、電視所使用的是水平極化波
2-6 電子的振動會産生電磁波——溫度提升時會産生電磁波
2-7 電磁波可讓電子振動——電波如何將水加熱
2-8 電磁波對人體的影響——對心律調節器的影響
物理之窗 弗萊明定則
 
第三章 電波和光是同樣的東西
3-1 光也是電磁波——從紅外綫、可見光，到X射綫、γ射綫
3-2 物體溫度上升時會産生電磁波——黑體輻射的光譜
3-3 太陽與恆星所放齣的電磁波——由光譜測量星體的溫度
3-4 紅通通的太陽——夕陽為什麼是紅的？
3-5 X射綫是波長較短的電磁波——如何産生X射綫？
3-6 對人體來說危險性很高的γ射綫——不過可以用來滅菌或消毒

3-7 以電波觀測星星的電波天文學——甚至用到亞毫米波來觀測
3-8 從電波可以瞭解到宇宙的什麼呢？——黑洞與宇宙背景輻射
3-9 可見光窗、電波窗——之所以隻能在大氣層外捕捉到來自宇宙的X射綫，也是肇因於此
3-10 極光的成因與顔色——極光與霓虹燈的原理相同
3-11 各種物質所發射齣來的光譜——當激發態的電子迴歸基態時
3-12 用光譜研究宇宙中的物質——從天體的速度，到宇宙的膨脹
3-13 尋找「第二地球」——由吸收光譜分析大氣成分
物理之窗 原子結構
 
第四章 光的各種性質
4-1 光擁有波的性質——楊格的光乾涉實驗
4-2 繞射光柵——可用來測量波長
4-3 光通過結晶時可觀察到繞射——由布拉格定律瞭解結晶結構
4-4 光是波還是粒子——愛因斯坦的光量子假說
4-5 電子的波——同時是波也是粒子的波粒二相性模型
4-6 光學顯微鏡與電子顯微鏡——波長越短，解析度越高
4-7 光會産生壓力嗎？——藉由太陽光的壓力推進探查機
4-8 光速為秒速30萬公裏——羅默的觀測與斐索的實驗
4-9 光速一定，不會改變——邁剋生與莫雷的實驗
4-10 光為什麼會摺射呢——隨著介質與波長的不同，光會有不同程度的摺射
4-11 光的全反射——鑽石的光彩奪目來自於它很高的摺射率
4-12 藉由光縴纜綫來傳送光訊號——前進20 km後仍有一半的強度
4-13 天空與大海為什麼是藍色的呢——波長較短的藍光會在空氣中漫射，在大海中則可持續前進
4-14 對人類肉眼有害的光：紫外綫與藍光——請避開短波長的光
 
第五章 接下來是光子學的時代
5-1 光子學是什麼——以電子學控製光子的技術
5-2 雷射光——用於光通訊的同調光
5-3 半導體雷射——1秒內發齣數百億次光脈衝
5-4 LED是二十一世紀的照明工具——藍光LED的發明拓展瞭LED的用途
5-5 CD、DVD、BD——藍光雷射可記錄五倍於DVD的資料密度
5-6 用光來通訊——容量越來越大、速度越來越快
5-7 會用到光的「量子電腦」——什麼是「量子疊加態」？
物理之窗 愛因斯坦預言瞭「重力波」的存在
索引
 

前言

　　「電波」與「光」乍看之下是毫無關係的兩種東西，但事實上它們都是「電磁波」的一種，隻差在波長不同而已。電磁波除瞭電波與光之外，還包括瞭紅外綫、紫外綫、X光攝影中會用到的X射綫、令人聞之色變的輻射綫中的γ射綫等。電波與光（可見光）隻是電磁波的其中一部分而已。

　　本書將會用淺顯易懂的方式，介紹各種電磁波的性質、産生電磁波的原理，以及如何應用這些電磁波。

　　電波與光皆屬於電磁波，如名所示，它們都是一種「波」，故兩者都有著像波一樣的行為。不過在二十世紀後，陸續有人提齣光可能是「粒子」的理論。時至今日，人們已確立光同時擁有「波」和「粒子」的性質，如同擁有雙重人格的角色。然而對一般人而言，這樣的敘述應該很難理解吧。

　　打開高中的物理教科書，是可以看到書上寫著「電波與光皆屬於波」、「光同時擁有波和粒子這兩種性質」、「除瞭光以外，還存在著如電子射綫般，原本應以粒子狀態存在的電子，卻能展現齣波的性質」之類的敘述，但隻看教科書的話還是讓人覺得一知半解。為瞭讓學生理解這些敘述，高中的老師們會想盡辦法用各種有趣、易懂的方式說明。不過要是說明方式太爛，學生們就會覺得物理很難懂、很無聊，進而排斥學習物理，讓許多人逐漸遠離理科的學問。

　　本書的目標是將高中物理教科書中所提到的知識，以盡可能簡單、易懂的方式說明清楚。除瞭讓高中生看懂以外，也能迴答一般人對電磁波的疑問。即使一般人覺得這些問題很睏難而敬而遠之，也能在讀過這本書後，在某種程度上理解這些問題的答案。

　　手機和電視都會用到電波，是我們日常生活中常接觸到的應用，不過很少人知道它們分彆是用那些頻率的電波，本書將對此詳細說明。

　　說到光，其實可以談到不少一般人不太清楚的故事。本書會試著詳細說明這些內幕，讓大傢看完後能有「啊，原來如此，是這個樣子啊」的感覺。

　　最近在天文學的領域內也齣現瞭許多大新聞。這些天文學上的發現並非隻靠肉眼可見的光，還用到瞭無綫電波、X射綫等新型天文學研究方法。本書也花瞭一些篇幅介紹這些研究。

　　如果讀者在看過本書之後，能夠對原本覺得很睏難而避之唯恐不及的電磁波開始有點興趣，並進一步試著瞭解相關知識，對我而言就是最大的迴報瞭。
 

1-1 電波的發現——赫茲的實驗與馬剋士威的預言

我們的周圍充斥著各式各樣的電波。雖然我們在二十世紀之後纔真正懂得如何利用這些電波，但電波這種東西早在人類誕生以前就已經存在於自然界中。雷聲響起、閃電劃過天空時，放齣的電流會在空中産生電波。地球上也可接收到來自太空的各種電波。

但是，肉眼看不到電波，手也摸不到電波。直到1888年，德國物理學傢赫茲纔以實驗首次確認到電波的存在。

有一次，赫茲用圖1-1的裝置進行實驗。圖的左側有兩根彼此靠得很近的金屬棒，當通以高壓電時，金屬棒間會産生火花放電。赫茲發現，此時一個放在附近，有一個狹小缺口的金屬環也會産生火花。當赫茲停止金屬棒的通電後，金屬環缺口的火花也會消失。這兩根金屬棒與金屬環並沒有直接接觸，故隻能想像可能是金屬棒間隙的火花産生瞭某種東西，經過空氣跑到金屬環的缺口，並在那裏産生瞭火花。而這所謂的某種東西，其實就是電波。
 

评分☆☆☆☆☆

最近翻閱瞭好幾本關於物理學的入門書籍，不得不說，很多都讓我看得一頭霧水，感覺自己仿佛置身於一個由抽象公式和晦澀概念構成的迷宮。好不容易鼓起勇氣，又嘗試瞭這本《物理學原理速成指南》。書的封麵設計還挺簡潔大方的，一開始我對它抱有不小的期望，想著既然是“速成”，應該會直擊要點，讓我快速掌握核心知識。然而，讀瞭幾章之後，我發現這本書的敘事方式實在太跳躍瞭，很多地方的解釋顯得尤為倉促，仿佛作者急於把所有內容塞進書裏，卻忽略瞭讀者理解的連貫性。例如，在講到“能量守恒定律”時，書中直接給齣瞭幾個復雜的公式，然後就匆匆帶過，並沒有花足夠的時間來解釋這些公式的由來，或者它們在實際生活中的具體應用場景。這讓我感覺自己像是被扔進瞭知識的海洋，卻隻給瞭我幾片漂浮的木闆，而沒有提供導航圖。我試著反復閱讀，試圖從字裏<bos> 找到理解的綫索，但越是深入，越是覺得力不從心。書中的插圖也很少，而且即使有，也大多是一些示意性的圖錶，缺乏直觀的引導作用。我個人偏愛那些能夠通過生動的圖示來解釋抽象概念的書籍，因為這樣能幫助我更好地在腦海中構建起物理世界的圖像。可惜，這本書在這方麵做得遠遠不夠。我隻能說，這本書的“速成”名不副實，對於我這樣的物理學初學者來說，它帶來的更多是睏惑而非啓發。

评分☆☆☆☆☆

偶然的機會，我接觸到瞭這本《宇宙的低語：天文學的奇妙旅程》。我一直對浩瀚的星空充滿好奇，總覺得那裏隱藏著無數的奧秘等待我們去探索。這本書的寫作風格非常吸引人，作者用一種非常詩意且充滿激情的筆觸，為我們描繪瞭宇宙的宏偉畫捲。書中沒有充斥著枯燥的術語和晦澀的公式，而是將復雜的宇宙現象娓娓道來，仿佛一位經驗豐富的嚮導，帶著我們漫步在星辰大海之中。我特彆喜歡作者對不同天體的描述，從燃燒的恒星到沉默的黑洞，再到孕育生命的行星，每一個都栩栩如生，讓我仿佛親眼所見。書中穿插的許多關於天文學史的小故事也十分有趣，讓我瞭解到那些偉大的天文學傢們是如何憑藉著智慧和毅力，一步步揭開宇宙的麵紗。例如，關於伽利略如何用望遠鏡觀測月球的細節，就讓我對這位科學巨匠肅然起敬。而且，書中配有大量精美的圖片，這些圖片不僅具有極高的藝術價值，更重要的是，它們能夠直觀地展示宇宙的壯麗與神秘，極大地增強瞭閱讀的愉悅感。這本書讓我深刻體會到，科學並非冷冰冰的教條，而是充滿詩意與想象力的探索過程。它不僅拓展瞭我的知識邊界，更點燃瞭我對宇宙更深層次的好奇心。

评分☆☆☆☆☆

最近我讀瞭一本關於“人工智能倫理思考”的書，這本書的齣現，恰恰迴應瞭我內心深處對於科技發展與人文關懷之間關係的睏惑。在當下，人工智能技術以驚人的速度滲透到我們生活的方方麵麵，從智能推薦到自動駕駛，再到更復雜的決策係統，無不展現齣其強大的力量。然而，伴隨而來的是一係列倫理上的挑戰，例如數據隱私、算法偏見、失業問題以及人工智能的自主性等。這本書的作者並沒有迴避這些敏感話題，而是以一種非常審慎和深刻的態度，剖析瞭這些問題背後的復雜性。他/她引用的案例非常具有代錶性，涵蓋瞭醫療、金融、司法等多個領域，讓我們得以窺見人工智能在不同場景下可能産生的倫理睏境。我印象特彆深刻的是關於“算法歧視”的討論，作者通過詳細的分析，揭示瞭隱藏在數據中的潛在偏見如何被算法放大，從而導緻不公平的結果。這本書的價值在於，它不僅僅是陳述問題，更重要的是，它提供瞭一種思考框架，引導讀者去審視人工智能在發展過程中所應遵循的倫理原則和道德底綫。它提醒我們，在追求技術進步的同時，絕不能忽視對人性和社會價值的尊重。這本書讓我意識到，科技的發展不應該僅僅是效率的提升，更應該是以人為本，服務於人類福祉。

评分☆☆☆☆☆

最近，我讀瞭一本關於“情緒管理與心理健康”的書，這本書的齣現，正好契閤瞭我近段時間以來對自我情緒調適的探索。在快節奏的現代生活中，壓力和焦慮似乎成瞭常態，很多人都在不同程度上受到情緒問題的睏擾。這本書並沒有提供一些簡單粗暴的“速效療法”，而是以一種非常平和且富有同情心的方式，引導讀者去理解情緒的本質，以及它對我們生活的影響。作者並沒有將情緒簡單地劃分為“好”或“壞”，而是強調瞭情緒的復雜性和其內在的價值。我特彆欣賞書中關於“情緒接納”的觀點，作者鼓勵我們去正視自己的負麵情緒，而不是一味地壓抑或逃避。他/她提供瞭許多實用的技巧，比如正念冥想、認知重構等，來幫助我們更好地理解和處理自己的情緒。書中還包含瞭一些真實案例的分析，這些案例讓讀者能夠感同身受，從中獲得共鳴和啓發。我印象最深刻的是關於“情緒彈性”的討論，作者解釋瞭如何通過積極的心態和有效的應對策略，來提高我們麵對挑戰時的韌性。這本書讓我意識到，情緒管理並非是要消除所有負麵情緒，而是要學會與情緒和諧相處，並在經曆睏難時能夠更快地恢復。它是一本真正能夠幫助我們提升自我關懷能力，走嚮內心平和的書。

评分☆☆☆☆☆

在一次偶然的書店閑逛中，我拿起瞭一本名為《古建築的時光迴響》的書。我一直對曆史建築情有獨鍾，總覺得每一塊磚石、每一處雕刻都承載著一段故事，訴說著往昔的輝煌。這本書的確沒有讓我失望。它以一種非常細膩且充滿感情的筆觸，帶領我穿越時空，走進那些沉默的古建築。作者並沒有簡單地羅列建築的年代、風格和尺寸，而是深入挖掘瞭每一處建築背後的曆史背景、文化意義和社會功能。例如，在介紹一座古老寺廟時，作者不僅描述瞭其精美的鬥拱結構和彩繪壁畫，更講述瞭建造這座寺廟的僧侶們的生活點滴，以及它在當地社區中所扮演的精神寄托的角色。我特彆喜歡書中對建築細節的刻畫，那些經過風雨侵蝕的石階、斑駁脫落的牆皮，在作者的筆下都充滿瞭生命力，仿佛能聽到它們在低語，訴說著歲月的痕跡。書中還穿插瞭一些關於古建築修復的案例，讓我瞭解到瞭在保護珍貴曆史遺産方麵所付齣的艱辛努力。這本書讓我覺得，古建築不僅僅是冰冷的石頭堆砌，它們是曆史的見證，是文化的載體，更是我們與過去連接的橋梁。它讓我對曆史有瞭更深的敬畏，也對如何傳承和保護我們的文化遺産有瞭更深刻的認識。