12.1.3. На рисунке изображено электрическое поле плоской синусоидальной волны в нулевой момент времени. Направление распространения волны указано стрелкой. Как зависит напряженность электрического поля от координаты $z$ и времени $t$?
К задаче $12.1.3$
Решение
Общее уравнение плоской синусоидальной электромагнитной волны имеет вид: $$E(z,t) = E_0 \sin(At + Bz + \varphi_0)$$ где $A$,$B$ и $\varphi_0$ — некоторые константы.
Из условия задачи (опираясь на график волны в начальный момент времени $t = 0$) известно, что профиль волны описывается уравнением: $$E(z,0) = E_0 \sin\left(\frac{2\pi}{\lambda} z\right)$$ где $\lambda$ — длина волны.
Подставляя $t = 0$ в общее уравнение, приравниваем выражения: $$E_0 \sin(Bz + \varphi_0) = E_0 \sin\left(\frac{2\pi}{\lambda} z\right)$$
Так как волна распространяется в положительном направлении оси $z$ с фазовой скоростью $c$, фаза волны $\varphi = At + Bz + \varphi_0$ для фиксированной точки на профиле волны должна оставаться постоянной. Продифференцируем полную фазу по времени: $$\frac{d\varphi}{dt} = A + B \frac{dz}{dt} = 0$$
Учитывая, что скорость распространения волны $\frac{dz}{dt} = c$, получаем: $$A + Bc = 0 \implies A = -Bc = -\frac{2\pi c}{\lambda}$$
Подставляем найденные константы $A$,$B$ и $\varphi_0$ в исходное общее уравнение: $$E(z,t) = E_0 \sin\left(-\frac{2\pi c}{\lambda} t + \frac{2\pi}{\lambda} z\right) = E_0 \sin\left[\frac{2\pi}{\lambda}(z - ct)\right]$$