矩形波导的研究论文

摘要 本文从宇宙学原理出发，用通俗易懂的数理模型建立起相对论新论，并用它回答相对论的若干基本问题。 关键词：宇宙学原理，相对论，相对论原理，相对论的时空变换及其方向特征 一前 言 什么是宇宙？物质、运动、时间、空间的总体集合，就是宇宙；什么是宇宙学原理？能量最低原理，动态平衡原理，自然选择法则，就是宇宙学原理；什么是物理定律？宇宙万物生存和演化的自然规律，就是物理定律；什么是相对论？研究相对运动系统内，物质运动变化规律的科学理论，就是相对论。 宇宙中的物理学定律，都是建立在宇宙学原理基础之上的理论。在宇宙学原理的支配下，产生了牛顿三大定律；开普勒三大定律；热力学和统计物理学；量子力学；狭义相对论；以及现代科学技术中的超导，纳米等新技术。没有动态平衡，就没有这些物理规律，也就没有和谐的宇宙。⑴ 中国的科学发展，进入了个大好时期，科技工作者应当珍惜这个良机。在科学研究中，必须遵守百花齐放，百家争鸣的方针。百花齐放，放出来的应当是香花，才能美化科学研究的环境。百家争鸣，拿出来的应当是有学术价值并符合学术规范的东西。肯定与否定相对论的学术争鸣，不是无味地争吵，干扰我国科学发展的大方向。 首届全国民间科学技术研讨会，在《发明与创新》杂志编辑部的努力下，广大科学研究者的支持下，在杂交水稻的故彡——湖南长沙胜利召开了。这是我国科学技术大步向前迈进的一个重要标志，我们广大民间科学技术工作者，为此感到高兴和鼓舞。我们将借民间科学大会的东风，向着振兴中华的大道奋勇前进，去夺取更大的胜利！ 人类社会发展的历史表明，科学发展的道路，从来都不是一帆风顺的，会碰到各式各样的困难和阻力。但是人类社会总要前进，我们从来都是在大风大浪中前进的，过去是这样，现在是这样，将来一定还是这样！ 二相对论在大风大浪中成长壮大 1 相对论新生时期的遭遇 爱因斯坦相对论诞生100周年了。当人们回顾上个世纪科学技术发展的历史时，不能不谈到爱因斯坦相对论的功绩。无论你是相对论的支持者，或是相对论的否定者，都应当承认相对论的出现，有力地推动了20世纪科学技术的蓬勃发展。相对论在人类科学发展史上，必将写下光辉的一 页。 20世纪初期，爱因斯坦发表《论运动物体的电动力学》时，当时就有一些知名的科学家，其中包括诺贝尔奖得主，向爱因斯坦及其相对论发起进攻。但是，这这些人没能推翻相对论，因为相对论是客观存在的科学理论，随着历史的前进相对论日渐发展了。 当时反对相对论的人，不外乎出于两种原因：一，理解不了相对论（传说当时只四个半人懂相对论），就盲目地跟着一些“权威”跑，去反对相对论；二，相对论动摇了当中一些人占领的那片科学领地，威胁着这些人的权威地位，他们就跳出来反对相对论。所以爱因斯坦说：无知的权威，是真理的最大敌人 ⑵。 1978年3月18日，第一届全国科学大会召开的前夕，我给国家科委方毅主任寄去了《矩形波导移式隔离器的研究》，作为大会交流论文，得到国家科委的回信和鼓励。全国科学大会之后，我加快了科学研究的步伐。我在贵州金沙一中；金沙县科技局礼堂，开展了电子技术，天体物理，相对论，激光技术等现代科学技术讲座。之后，我将科学研究成果写成专题论文，逐渐在期刊和大学学报上发表。1983年，我公开发表了相对论时空变换的新公式，也招来一些大学教授的讽刺和嘲笑。走自已的路，不管人家怎么指手划脚，我继续搞我的科学研究。至今我已发表专题论文30多篇，其中相对论专题论文就发表了十多篇，我就在“勤奋好学，善于探索”的治学原则下，走过了30多年的科研路程。⑶ 2 相对论基本原理概述⑷ 相对论是物质、运动、时间、空间构成的宇宙中，研究宇宙万物生存和演化的自然规律。在这里，我们以相对性原理为基础，光作为信息传递的使者，来建立匀速运动相对论。为便于读者理解，我们采用简单易懂的物理模型，来推导相对论的时空变换，并揭示出相对论时空的方向特征。如下列图一，图二，图三所示。 在上列三个图示中，设地面为静止的∑系统，车厢为运动的∑，系统，令车厢上用计时，地面上用计时。 在τ=t=О时，∑，和∑重合。当车厢以速度V相对于地面开始向右匀速直线运动的同时，从A点沿AB方向射出一光信号，车厢上观测到光从A到B，地面上观测到光从A到C。由于车厢的运动，地面上还将观测到光从A到B的这段落时间t内，车厢前进了一段距离BC（此时车厢上AB实际上移动到了虚线A`C的位置），则得： 由图一可得： -----⑴ 图二所示，改变光（物质）的运动方向，根据同样的道理，可得相对论新的时空变换 ： ----⑵ 图三所示：，，将两式平方后相加得： 移项整理得； -----⑶ ⑴式，是狭义相对论洛伦兹变换的基本关系式。⑵式，是狭义相对论时空变换新的关系式。⑶式，是相对论时空变换的一般表达式。事实表明，相对论的时空变换，是宇宙中客观存在的自然规律，并具有鲜明的方向特征。 图三中，改变光（物质）的运动方向，可得：---a，----b 将a和b两式平方相加得：移项整理得：---⑷ ⑶式和⑷式，都是相对论时空变换的一般表达式，它们都揭示出了相对论时空变换的方向特性 ⑸。 A 当时，； B 当时，， A、B 属纵向相对论的时空变换。 C 当时，； D 当时，， C、D 属横向相对论的时空变换。 3 相对论是宇宙中普遍存在客观规律 ⑹ 地球就是一个动态平衡系统，地球绕太阳公转的同时还要自转，是一个多么复杂的运动系统，但地球还是能自然选择地维持动态平衡。狭义相对论，就是建立在动态平衡系统上的时空理论。相对论为什么需要惯性系呢？实质上就是需要物体在相对运动系统中，满足线性迭加规律，使描写物体运动规律的数学物理方程，具有相同的表达形式。 所谓的惯性，是马赫误导的结果。马赫认为：“惯性力在本质上是一种引力”（世界科技英才录——科学思想卷上海科技教育出版社）。王永久认为：惯性力是一种虚构的力，“这种虚构的力的本质是什么呢？在经典力学和狭义相对论中这是不可理解的”（空间，时间和引力 湖南教育出版社）。宇宙飞船就是一个动态平衡系统，在飞船处在失重状态下，飞船中的物体沿任何方向运动，都能满足相对性原理，建立起普适的相对论的时空变换。 设飞船为∑系统，在飞船中∑，为运动系统。在时，∑与∑，重合，当∑，相对于∑以速度V开始匀速运动的同时，从原点射出一颗速度为u子弹，子弹从原点出发到达同一点P，如图四和图五所示。 对于这个同一事件分别得：c、d、e。f。 将c与d两式平方后相加得5式；将e和f两式平方且相加得法6式： ----⑸ ----⑹ ⑸式和⑹式，都是匀速运动相对论的时空变换一般表达式，它们也揭示出了相对论时空变换的方向特性。事实表明，相对论是宇宙中客观存在的自然规律，相对论否定不了。根据相对论新的时空变换，可以依据物理学的基本定义，得出纵向相对论，横向相对论，超光速相对论 ⑺ 的速度变换；加速度变换；力的变换；质量变换，以及相对论的能量表达式，建立起一整套相对论动力学关系。 三相对论同时的相对性 相对论的否定者，常常在相对论的同时的相对性上做文章，以此来 否定相对论。相对论同时的相对性，是客观存在的事实，我们用右图来 说明这个问题。设图六中地面为静止的∑系统，车厢为运动∑`系统。 车厢长A B，中点为D，即AD=BD。当车厢以速度为V匀速运动到AP=BP 时，A B两点同时发生闪光，并向D和P传出光信号。处在地面上P点的检测仪，将检测到AB两点的光同时到达P点 ，得：AP=BP=ct----⑺ 由于火车向右运动，D点在向B方向移动。而光速C与光源的状态无关，所以放在D点的检测仪将先接收到B点传来的光，后接收到A点传来的光。其结果是： AD＞BD AD/C >BD/C----⑻，事实表明，相对论的同时性是相对的。 四相对论有着广泛的实际应用 1 多普勒效应的实质就是相对论时空伸缩的结果 ⑻ 声和光传播的是振动，当光在时空中传播时，若与观测器有相对运动，波长就会因相对论时空伸缩而产生相应的伸缩，这就是多普勒效的本质。图七所示， 将光源放在∑，系统中的0点，接收器放在∑中的P点， 光波的本征波长为OP。当光波在传播中完成一次全振动时，∑，系统移动了距离VT，波长被压缩了。设光在∑，系统中的波长为λ，，周期为Т，，频率为v`；在∑系统中波长为λ周期为T频率ν，根据图七得： ， 将代入上式得： -----⑼； 当光源离开接收器而去时，则有 ：------⑽ 相对论效应从本质上解释了多普勒现象。宇宙中天体相对于地球作相 对运动时产生的红移或兰移，其实质也是相对论效应引起时空伸缩的 结果。相对论时空的方向性特征，揭示出了多普勒效应的本质。根据 纵向相对论原理，还可以自然地得出天体红移和兰移关系式。 2 加速器中粒子的质量变化 ⑼ 用直线加速器，可使被加速的粒子获得高能量，再用这些高能粒子去轰击某些原子，就可以产生新元素或探寻新的基本粒子。直线加速器的问题，用纵向相对论处理。加速器加速后粒子的总能量表达式为 m0c2为粒子的静能，Ek为动能。加束器中粒子的静能和动能是什么样的关系呢？由下面的关系式来说明。 ------⑾ ⑾式表明，在加速器中，被加速的粒子要加速到Ⅴ=С，能量要无限大。因此，要进一步获得高能粒子，只有提高被加速粒子的质量来达到目的，就需要建造更大功率的加速器，耗资是非常巨大的。 我们再要来看一看，加速器中被加速的粒子的动态质量，究竟能增加到多大？根据总能量关系式样得： ---⑿ 根据⑿式质量亏损以一半为极限。当时得： ----⒀ ⒀式表明，加速器粒子质量增加以1。5m0为极限，这就为设计大功率加速器提供了理论依据。 3 双生子佯谬的新解释 ⑽ 双生子佯谬，就是纵向相对论问题。双生子佯谬的时空效应，主要发生在漫长的匀速飞行阶段，而不是在起飞和着 陆的短暂过程中。如[图八]所示： 设甲留在地球上用t计时；，乙乘飞船去太空旅行用τ计时。在起飞时两人将各自的钟校准同步，在忽略起飞和着陆过程的情况下，得如下结果： t去= ，t回 = ， t去 + t回= ----⒁ ⒁式表明，只要V> 0 ，就有t去 + t回 >2 τ ，乙比甲变年轻了，而且答案是唯一的。 五 相对论否定不了 相对论经历了100年的时光，对现代科学技术的发展起到了巨大促进作用，2005年，联合国定为国际物理年，今天还有人高喊：“要彻底否定相对论。”难道全世界绝大多数科学家和知识分子都是迷茫的，都被相对论迷住了？相对论 不怕别人向它挑战，也不怕有人想否定它。现在有些网站，在否定相对论问题上推波助澜，起到了误导的作用。网站应当提供学术研究的交流平台，为中华民族的伟大复兴起促进的作用，决不能干扰中国科学技术发展的大方向！ 1 狭义相对论的缺陷与相对论发展缓慢的原因 爱因斯坦以相对性原理和光速不变原理为基础，建立了狭义相对论。但是，在狭义相对论的时空变换上，仅仃留在洛伦兹表达式里兜圈子，没有再向前跨进一步，找到时空变换的方向特征，致使双生子佯谬等问题得不到解答。为了保住洛伦兹变换在狭义相对论中的地位，爱因斯坦只好人为地作出光子的静止质量为零，宇宙万物的运动速度以光速为极限的规定。这样一来，不仅阻碍了相对论的发展，也为否定相对论的人提供了炮轰的目标。狭义相对论是不是离开了两条原理和两个规定就不能生存了吗？不是的，狭义相对论，只需要所在的系统中满足相对性原理，就能建立相对论。相对性原理，实质上就是相对运动系统处于动太平衡状态，在其中运动的物体能获得线性变换的规律。光只是起信息的传递作用，对于同一事件来讲，光速变与不变都不会影响所传递的信息的真实性。时空变换的普适公式找到了，在超光速状态下，相对论也一样适用，两条规定就可以取消了。所以说，相对论是客观存在的科学理论，相对论否定不了！ 由于狭义相对论带有先天性的缺陷，导致相对论发展比较缓慢，在中国也是这样。20世纪80年代，相对论的翻译著作才逐渐呈现在新华书店里。在20世纪80年代高等学校的招生介绍中，只有湖南的湘潭大学，在招生简章中才明确写上开设相对论课。 到20世纪90年代，在大学物教科书中，才直接写进了狭义相对论的时空变换的内容。进入2000年以后，大学的物理教程和研究生的基础物理中，才逐渐写进狭义相对论的动力学内容和广义相对论简介。有的在时空变换中，还突出了同一事件这个时空换的核心，这是理解相对论上的一个飞跃。 相对论不好理解，它在100年的历史长河中，经历了肯定与否定的风浪，各种文字的翻释版本也很多，但都极少有人认识到同一事件重要性。2003年普林斯顿科学文库1再版的《相对论的意义》的“狭义的相对论”（22页）中，才明白写到：“如果相对于惯性系K，一个事件的笛卡儿坐标XV和时间t都已经给定，那么我们怎样计算同一事件相对于K，（它相对于K作匀速平移） 的坐标XV，和时间t，呢？ ”现在很多人不真正理解相对论毫不奇怪。 图九是许多大学物理中，用来说明推导洛伦兹变换的图示，大都只这样说一句：“根据图九得洛伦兹变换如下---。”这是相对论的基础，也是相对论的核心，用待定系数推导洛伦兹变换的过程写出来，学生才容易接受和理解。现在有不少相对论的否定者，就是理解不了相对论的时空变换，又推导不出正确的时空变换来，就误用伽里略变换当成相对论的时空变换去否定相对论，有的人又用无相对论效应的结果去否定相对论。这些都是影响相对论发展的原因。 2 用伽里略变换不能否定相对论 ⑾ 搞科学研究是探求科学真理，不是搞党派的政治斗争，不存在一定要站在哪一边的问题。把研究相对论的人分成所谓的“维相派”，“倒相派”，“修相派”是不妥的，那样做，可能引起科研队伍的分裂。历史的经验值得注意，在研究相对论的问题上，不能盲目地跟着某些教授和院士么吼——彻底否定相对论。 上面就是一些人用伽里略变换来否定相对论的典型例子。一些相对论否定者，从图十中得出，从图十一中得出 - ，利用，|v|=|-v|，得出，以此当成相对论的时空变换去否定相对论。这是两个空坐标之间的时空关系，是伽里略变换，物质都不存在，是相对论的时空变换吗？用伽里略变换不能否定相对论！ 3 用无相对论效应的结果不能否定相对论 图十二所示：相对论效应只发生在相对运动的方向上，这是学习和研究相对论的人首先必须弄明白的。爱因斯坦狭义相对论的时空变换，Y， = Y，Z， = Z不是随便写出来的，是客观存在的事实。因为相对论效应，只发生在相对运动的方向上。有的人将相对运动系统中同一事件，在相对运动的不同系统中得出的不同路程：l = ct 和l， =cτ，利用同一个速度去除Y，=Y，即y，/u = y/u 得出τ=t，去否定相对论，这是错误的。相对论效应发生在x方向上，正确的关系应当是：τ< t如（15）式 ；如果改变物体的运动方向，则得τ>t如（16）式。 -------（15）； ，τ>t-----（16） 莫道昆明池水浅，观鱼胜过富春江。相对论是客观存在的科学理论，在未来的科学研究中，它还将发挥更大的作用。 八 结论 1 在物质、运动、时间、空间构成的宇宙中，相对论是研究宇宙万物生存和演化的自然规律之一。在动态平衡系统中，只要选用正确的数学物理方法，就能建立相对论。 2 以相对性原理作基础，光作信息传递的使者建立起来的相对论新论，揭示出了相对论时空变换的方向性，使相对论的各种问题得到解决。相对论新论起到了补充和发展狭义相对论的作用，维护了相对论在科学研究中的地位。 3 爱因斯坦相对论存在一些缺陷，但并不等于相对论不存在，相对论否定者只能否定相对论中的错误，不可能彻底推翻相对论。人们对此应当保持清醒的头脑，避免重犯20世纪初期否定相对论的错误。 参 考 文献 ⑴ 杨金城能量最低原理，动态平称原理，自然选择法则是宇宙万世物生存和演化的自然规律 地质出版社《时空理论新探》2005年11月 85—98 ⑵ 杨金城 关于理论物理几个基本问题的探讨 《科学中国人》2004年12期 36—38 ⑶ 爱因斯坦著孟昭英译 论运动物体的电动力学 《相对论原理》 科学出版社 1980 ⑷ 杨金城 狭义相对论再探讨 《 第七届全国理论物理前沿基础研讨会论文集》 1993 ⑸ 杨金城狭义相对论新时空观在现代物理中的作用和地位 《大自然探索》 1994年4期 93—97 ⑹ 杨金城 从宇宙学原理看宏观世界的动态平衡《科学中国人十年优秀论文选》2003年11月 508—509 ⑺ 杨金城 超光速运动相对论 《贵州师范大学学报》（自然科学版） 第18卷2000年7月 105—107 ⑻ 杨金城 多普勒效应的宽带原理及其应用 《通信世界》 2001年6月 第16期 56 ⑼ 杨金城 相对论新时空观在现代物理中的作用和地位 《相对论再思考》 地震出版社 2002年7月 21—45 ⑽ 杨金城 相对论的基本原理 《科学中国人十年优秀论文选》 人民日报出版社 2003年11月 570—571 ⑾ 杨金城 相对论新论的基本原理《四川师范大学学报》（自然科学版） 2005年7月 157—160

TE10：沿传播方向有磁场分量而没有电场分量的标准矩形波导管中的电磁波。

满足波导横截面边界条件的一种可能的场分布称为波导的模式，不同的模式有不同的场结构，都满足波导横截面的边界条件，可以独立存在。波导中的场结构可以分为两大类：

TE模：电场没有纵向分量

TM模：磁场没有纵向分量

矩形波导中可以存在无限多个 TMmn 模，波型指数m，n分别表示电磁场沿波导宽边a和窄边b 的驻波最大值的个数，m，n=1，2，最简单的是TM11模。同样，还可以存在无限多个 TEmn模，m，n=0，1，2,…但不能同时为零。

矩形波导中的最低模式是TE10模，其截止波长最长λC=2a，因此，就有可能在波导中实现单模传输。TE10模又称为矩形波导中的主波，是矩形波导中最重要的波型。实际应用中矩形波导都工作在TE10模。

扩展资料：

若使电磁波能够在波导中传输，必须f>fc，或者λ<λc，由此可以得到波导中传输各种模式电磁波的传播特性参数。

TM波和TE波的传播速度随频率变化，表现出色散特性。

在波导中存在多模传输的情况下，如果模式之间相互正交，则它们之间没有能量交换，各个模式的衰减常数可单独计算。如果模式不正交，相互之间有能量耦合，就不能单独直接计算。对每个模式而言，除了导体、介质损耗外，还有模式转换损耗。总之，影响导波衰减的因素有：波导材料的电导率、工作频率、波导内壁的光滑度、波导的尺寸、填充媒质的损耗、工作模式等等。

参考资料来源：百度百科-矩形波导