Групповая скорость

Определение "Групповая скорость" в Большой Советской Энциклопедии

Группа волн

Групповая скорость волн, скорость движения группы или цуга (вереницы) волн, которая при отсутствии поглощения в среде совпадает со скоростью перемещения энергии этой группы волн. Пример группы волн — сигнал, изображенный на рис. 1. Группа волн не является периодической волной (т. е. в точности повторяющейся через определенные промежутки времени), а состоит из набора гармонических волн, частоты которых лежат в некотором интервале, тем более узком, чем более плавную форму имеет огибающая группы волн.

Группы волн в моменты времени

Если среда не обладает дисперсией, то все гармонические волны, входящие в группу, распространяются с одной и той же фазовой скоростью. С той же скоростью распространяется и огибающая группы; в этом случае Групповая скорость совпадает с фазовой.

При наличии дисперсии гармонической волны различных частот, образующие группу, распространяются с разными фазовыми скоростями. Вследствие этого при распространении изменяются соотношения между фазами разных гармонических волн и происходит искажение формы огибающей. Однако если фазовые скорости группы волн отличаются друг от друга мало (сигнал с узким спектром), то форма огибающей сохраняется при распространении и влияние дисперсии сказывается лишь на том, что скорость движения огибающей группы, т.е. Групповая скорость, отличается от фазовой скорости.

На рис. 2 представлены три последовательных мгновенных снимка сигнала с узким спектром, распространяющегося в среде с дисперсией. Наклон пунктирных прямых, соединяющих точки одинаковой фазы (максимумы), характеризует фазовую скорость; наклон прямых, соединяющих соответствующие точки огибающей (начала и концы сигнала), характеризует Групповая скорость сигнала. Если при распространении сигнала максимумы и минимумы движутся быстрее, чем огибающая, то это означает, что фазовая скорость данной группы волн превышает её Групповая скорость (рис. 2, а).

При распространении сигнала в его хвостовой части возникают всё новые максимумы, которые постепенно перемещаются вперёд вдоль сигнала, достигают его головной части и там исчезают. Такое положение имеет место в случае т. н. нормальной дисперсии, т.е. в средах, где фазовая скорость увеличивается с ростом частоты гармонической волны. Примеры сред с нормальной дисперсией: вещества, прозрачные для оптических волн, волноводы и др. Однако в ряде случаев наблюдается аномальная дисперсия среды; в этих случаях Групповая скорость сигнала превышает его фазовую скорость (рис. 2, б). Максимумы и минимумы появляются в передней части группы, перемещаются назад и исчезают в хвосте сигнала. Аномальная дисперсия характерна для волн на поверхности воды, света в поглощающих средах.

Понятие Групповая скорость играет большую роль в ряде областей физики, т. к. всякая реальная гармоническая волна, как электромагнитная, так и упругая, в действительности представляет собой группу волн с близкими частотами. Поэтому все методы измерения скорости света в веществе, связанные с учётом запаздывания света, дают именно Групповая скорость В широко применяемом для исследования ионосферы методе зондирования радиоимпульсами времена запаздывания отражённых от ионосферы сигналов также определяются Групповая скорость радиоволн. В квантовой механике Групповая скорость y волн (см. Волновой пакет) оказывается равной скорости материальной частицы, с которой связаны эти волны.
Лит.: Горелик Г. С., Колебания и волны, 2 изд., М., 1959; Ландсберг Г. С., Оптика, 4 изд., М., 1957 (Общий курс физики, т.3); Блохинцев Д. И., Основы квантовой механики, 4 изд., М., 1963.