一、波及其分類
（1）波的描述
波或波動是擾動或物理信息在空間上傳播的一種物理現象。擾動的形式是任意的。波的傳播速度總是有限的。除了電磁波和引力波能夠在真空中傳播外，大部分波只能在介質中傳播。
（2）波的分類
（A）按波振動的次數劃分
脈波：脈波的波源只對介質作一短暫的擾動。波通過介質時，介質中的質點在短暫振動后，隨即靜止于原位臵。
周期波：周期波的波源對介質作連續有規律的振動。
（B）按波振動的方向（在均勻、無向性的介質中傳播時）：屬于機械波下的基本分類。
縱波：介質的振動方向與波的傳播方向相同，如聲波、地震波中的S波等；
橫波：介質的振動方向與波的傳播方向垂直，如電磁波、地震波中的P波等。
（C）按波傳遞時是否需要介質
機械波：機械振動在介質中的傳播。機械波的傳播需要特定的介質，在真空中根本不能傳播。如水波、聲波、地震波等。
電磁波：電磁波是電磁場的一種運動形態。
二、“糾纏不清”的電與磁
電與磁可說是一體兩面：變動的電（場）產生磁（場），變動的磁（場）產生電（場）。變化的電場與變化的磁場構成了一個不可分離的統一的場，這就是電磁場！而變化的電磁場在空間的傳播形成了電磁波，所以，電磁波是電磁場的一種運動形態。
電磁波又稱電磁輻射。
電磁波的本質定義
電磁波（又稱電磁輻射），是由同向振蕩且相互垂直的電場與磁場在空間中以波的形式移動，其傳播方向垂直于電場和磁場構成的平面，有效的傳遞能量和動量。
電磁波的產生
電磁場變化時才會產生電磁波。
發射電磁波（電磁輻射）的條件
不需要條件。（1）從溫度的角度看：只要是本身溫度大于絕對零度的物體，都可以發射電磁輻射，而世界上并不存在溫度等于或低于絕對零度的物體，一言以蔽之，世界萬物每時每刻都在發射電磁輻射（電磁波），且溫度越高，放出的電磁波波長就越短；（2）從能量的角度看：電磁波是能量的一種，凡是能夠釋放出能量的物體，都會釋放電磁波。
“看不見”的電磁波
正如人們一直生活在空氣中卻看不見空氣一樣，人們也看不見無處不在的電磁波（并非完全看不見，可見光還是能看見的）。因而，對人類而言，電磁波是“透明的”。
電磁波的能量傳遞
電磁波頻率低時，主要借由有形的導電體才能傳遞。原因是在低頻的電振蕩中，磁電之間的相互變化比較緩慢，其能量幾乎全部返回原電路而沒有能量輻射出去；電磁波頻率較高時即可以在自由空間內傳遞，也可以束縛在有形的導電體內傳遞。在自由空間內傳遞的原因是在高頻率的電振蕩中，磁電互變甚快，能量不可能全部返回原振蕩電路，于是電能、磁能隨著電場與磁場的周期變化以電磁波的形式向空間傳播出去，不需要介質也能向外傳遞能量，這就是一種輻射。舉例來說，太陽與地球之間的距離非常遙遠，但在戶外時，我們仍然能感受到和煦陽光的光與熱，這就好比是“電磁輻射借由輻射現象傳遞能量”的原理一樣。
電磁波的幾個概念
頻率（f）
單位時間內質點振動的次數。符號f，國際單位赫茲(Hz)。
周期（T）
質點完成一次全振動所用的時間。符號T，單位秒。從定義可見，頻率與周期是天然的倒數關系，即f=1/T。
注意：頻率與周期由振源決定！
波長（λ）
在波動中，振動相位總是相同的兩個相鄰質點間的距離（同相位且相鄰的兩個質點間的距離）。單位米，符號λ。振源振動一個周期，波向前傳遞一個波長。
頻率（f）
單位時間內波形成完整波的個數（波完成全振動的個數）。
頻移
電磁波在傳播的過程中頻率發生改變/偏移的現象，又叫多普勒效應（相對移動的波源和接收者是有頻移的；固定的波源和固定的接收者，頻率是不發生改變的）
波速（v）
定義：單位時間內波在傳輸介質中向外傳播的距離。因經過一個周期T，波向前走了一個波長λ，所以有【定義式】：v=s/t=λ/T=λf；
【決定式】：v=c/n（c：光速，n：傳輸介質的折射率），波速與介質的折射率有關，所以由介質本身決定。
決定關系：
周期T、頻率f由波源決定；波速由介質本身決定；波長λ由波速v和周期T共同決定。
Q1:電磁波的頻率或波長存在極限嗎？
【理論答案】：由波速的定義式和決定式可以得出，c/n=λf。在確定的傳輸介質上，等式左側是個常量，右側波長λ和頻率f成反比，且彼此都沒有額外限制，所以理論上頻率f的取值范圍為(0，+∞)，同理波長λ也是(0，+∞)；
【普朗克長度答案】如果考慮普朗克長度的話，電磁波是存在極限波長的，也就對應一個頻率上限。如果考慮量子力學限制，就存在普朗克長度。普朗克長度表示我們宇宙中最小的有意義的長度，大約是1.610^-35米。理論上光子（電磁波可以看成許許多多的光子，每個光子對應于一個頻率，頻率越高，光子的能量越強，單位時間內電磁波攜帶的信息也越多，這也是5G網絡比4G網絡快的原因）的波長不能小于普朗克長度，那么對應的頻率為：
ν=c/λ≈1.8810^43Hz；
此時光子的動質量為：
△m=hν/c2≈1.4*10-4克；
這個質量已經比以發現的所有基本粒子質量還高很多數量級，甚至比一粒灰塵的質量還高，難以穩定存在。
在2016年，歐洲大型強子對撞機制造出來750千兆電子伏特的超高能光子，對應頻率為1.8*10^26Hz，與光子的理論極限還差了17個數量級；但是生成的超高能光子存在時間極短，然后衰變為其他粒子。
綜上，理論上電磁波的頻率（或波長）的取值范圍是(0，+∞)，考慮量子力學限制時，它的上限量級為10^43Hz。
Q2：電磁波頻率的控制——如何控制電磁波的頻率（即如何發送指定頻率的電磁波）？
電感的感抗RL=2πfL，電容的容抗Rc＝1/2πfC。T=2π√(LC)
電磁波的頻率是由產生電磁波的振蕩電路所決定的。
以LC振蕩電路為例，這種電路產生的電磁波的周期是T=2π√(LC)，頻率f=1/T。其中，L代表電感，單位：亨利（H），C代表電容，單位：法拉（F），振蕩回路中的電感L、電容C是直接影響頻率數值的物理量，改變L或改變C或同時改變LC都可以改變電磁波的頻率，從操作方便可靠的角度考慮，多數是改變電容C來改變頻率的。
控制電磁波的頻率屬于振蕩器的知識范圍。振蕩器是利用有源器件(晶體管等)，配合電感電容等調諧元件，產生固定頻率的電磁波。振蕩電路中的電感電容決定了產生的電磁波的頻率，如果電感和電容的值可調，則可通過其改變電磁波頻率。這個操作過程叫做調諧。
Q3：電磁波頻率是連續的，有確切的證實嗎？
物理中電磁波的連續譜和數學中“連續性”的概念不一樣，是相對于只有幾條譜線的分立譜。而電磁波頻率的測量，由于實驗儀器的精度問題，有效數字是有限的，遠遠沒到有理數與實數的程度。
這個問題和以下問題類似：人的運動速度是有理數還是實數，頭發長度是有理數還是實數。一旦涉及到實際，由于探測精度的限制，無法精確給出結果。
順便談談我對數學、物理的理解。數學是抽象的邏輯，而物理則貼近現實。通過數學的方法，可以總結實驗現象，提出物理理論；而物理理論是否有效又需要實驗檢驗。比如微積分的提出，就涉及到連續性的概念。而在物理的應用中，寫成積分式的對象不一定是連續的。那為什么還能用呢？我覺得最重要的原因就是，數學對于物理來說是有效的，也就是能經受實驗的檢驗。
Q4：電磁波頻率與通信發展
電磁波頻率越高，通信速率越快，反之，頻率越低，通信速率越慢。
電磁波譜
在空間傳播著的交變電磁場，即電磁波。它在真空中的傳播速度約為每秒30萬公里。電磁波包括的范圍很廣。實驗證明，無線電波、光波（紅外線、可見光、紫外線）、X射線、γ射線都是電磁波。光波的頻率比無線電波的頻率要高很多，光波的波長比無線電波的波長短很多；而X射線和γ射線的頻率則更高，波長則更短。為了對各種電磁波有個全面的了解，人們將這些電磁波按照它們的波長或頻率、波數、能量的大小順序進行排列，這就是電磁波譜。（所以會存在幾種類型的電磁波譜！！！）
電磁波的三種基本分類
（1）按波長的長短、頻率以及波源的不同：系統劃分
電磁波譜可大致分為：工頻電磁波、無限電波、微波、光波（紅外線、可見光、紫外線）、X射線、γ伽馬射線、α射線、β射線，以無線電波的波長最長，宇宙射線的波長最短。另外激光也屬于電磁波。
無線電波
波長從3000米到10^-3米，一般的電視廣播和無線電廣播、手機等的波段就是用這種波；
微波
波長從1米到0.1厘米，這些波多用在雷達或其它通訊系統；
紅外線
波長從10-3米到7.8×10-7米，紅外線的熱效應特別顯著；
可見光
這是人們所能感光的極狹窄的一個波段。可見光的波長范圍很窄，大約在（7.8～3.8）x10^-7米（即780納米～380納米）。
紫外線
波長比可見光短的光波稱為紫外線，它的波長從(380～10)×10^-9米，它有顯著的化學效應和熒光效應。這種波產生的原因和光波類似，常常在放電時發出。由于它的能量和一般化學反應所牽涉的能量大小相當，因此紫外光的化學效應最強；
紅外線和紫外線都是人類看不見的，只能利用特殊的儀器來探測。無論是可見光、紅外線或紫外線，它們都是由原子或分子等微觀客體激發的。一方面由于超短波無線電技術的發展，無線電波的范圍不斷朝波長更短的方向發展；另一方面由于紅外技術的發展，紅外線的范圍不斷朝長波長的方向擴展。日前超短波和紅外線的分界已不存在，其范圍有一定的重疊；
倫琴射線
又叫X射線，由x光機產生的高能電磁波。這部分電磁波譜，波長從（10～0.01）×10^-9米。倫琴射線（X射線）是電原子的內層電子由一個能態跳至另一個能態時或電子在原子核電場內減速時所發出的；隨著X射線技術的發展，它的波長范圍也不斷朝著兩個方向擴展。在長波段已與紫外線有所重疊，短波段已進入γ射線領域。穿透力不及γ射線，但有危險，應該屏蔽（幾mm的鉛板）。
γ射線（伽馬射線）
是波長從10-10～10-14米的電磁波。這種不可見的電磁波是從原子核內發出來的，放射性物質或原子核反應中常有這種輻射伴隨著發出。γ射線的穿透力很強，對生物的破壞力很大。危險性大，必須屏蔽（幾cm的鉛板或幾米厚的混凝土墻）。
α射線
原子核射線之一，也稱為“甲種射線”。是放射性物質所放出的α粒子流。從α粒子的質量和電荷的測定，確定α粒子就是氦的原子核。
β射線
原子核射線之一，由放射性同位素（如32P、35S等）衰變時放出來帶負電荷的粒子。在空氣中射程短，穿透力弱。在生物體內的電離作用較γ射線、x射線強。
激光：原子受激輻射的光。波長較長，能量較低。原子中的電子吸收能量后從低能級躍遷到高能級，再從高能級回落到低能級的時候，所釋放的能量以光子的形式放出。被引誘（激發）出來的光子束（激光），其中的光子光學特性高度一致。這使得激光比起普通光源，激光的單色性好，亮度高，方向性好。
受激吸收（簡稱吸收）：處于較低能級的粒子在受到外界的激發（即與其他的粒子發生了有能量交換的相互作用，如與光子發生非彈性碰撞），吸收了能量時，躍遷到與此能量相對應的較高能級。這種躍遷稱為受激吸收。
自發輻射：粒子受到激發而進入的激發態，不是粒子的穩定狀態，如存在著可以接納粒子的較低能級，即使沒有外界作用，粒子也有一定的概率，自發地從高能級激發態（E2）向低能級基態（E1）躍遷，同時輻射出能量為（E2-E1）的光子，。這種輻射過程稱為自發輻射。
受激輻射：即處于激發態的發光原子在外來輻射場的作用下，向低能態或基態躍遷時，輻射光子的現象。
Q：愛因斯坦1917提出受激輻射，激光器卻在1960年問世，相隔43年，為什么？
主要原因是，普通光源中粒子產生受激輻射的概率極小。當頻率一定的光射入工作物質時，受激輻射和受激吸收兩過程同時存在，受激輻射使光子數增加，受激吸收卻使光子數減小。物質處于熱平衡態時，粒子在各能級上的分布，遵循平衡態下粒子的統計分布律。按統計分布規律，處在較低能級E1的粒子數必大于處在較高能級E2的粒子數。這樣光穿過工作物質時，光的能量只會減弱不會加強。要想使受激輻射占優勢，必須使處在高能級E2的粒子數大于處在低能級E1的粒子數。這種分布正好與平衡態時的粒子分布相反，稱為粒子數反轉分布，簡稱粒子數反轉。如何從技術上實現粒子數反轉是產生激光的必要條件。
（2）按頻率分類（從低到高）：形成頻譜。
（極低頻、超低頻、特低頻、甚低頻）、（低頻、中頻、高頻）、（甚高頻、特高頻、超高頻、極高頻）、（紅外線、可見光、紫外線）、（X射線、γ射線、α射線、β射線）。
極低頻：3～30Hz，美軍及俄羅斯軍方用作核潛艇溝通。
超低頻：30～300Hz，美國Saguine系統：76Hz；俄ZEVS系統：82Hz；工頻：50Hz～60Hz，高壓電力設備。
特低頻：300～3000Hz，勘探地質和地震用。
甚低頻：3kHz～30kHz，用于雪崩時的人命及財產搜索。
低頻：30kHz～300kHz，多用作衛星導航系統（差分全球定位系統）、國際廣播及AM廣播等。
中頻：300kHz～3000kHz，多用作AM電臺。
高頻：3MHz～30MHz，多用作民用電臺廣播及短波廣播。
甚高頻：30MHz～300MHz，調頻廣播，電臺及電視臺廣播、航空和航海的溝通頻道。
特高頻：300MHz～3000MHz，很適合移動通信。CDMA通信：825～880MHz；GSM移動通信基站：900～1800MHz；家用微波爐：2450MHz；電視：471～566MHz、607～958MHz；無線網絡2.4GHz，藍牙：2.45GHz
超高頻：3GHz～30GHz，IEEE 802.11a標準。無線網絡、CDMA、雷達、無線USB傳輸；微博裝置
極高頻：30GHz～300GHz，主要應用于氣象雷達，空間通信、射電天文等方面。
注意：大氣層對于大部分的電磁波輻射來講都是不透明的，只有可見光波段和其它如無線電通訊波段等例外。
紅外線：300GHz～400THz，通訊、醫療、探測、軍事等應用。
可見光：400THz～750THz
紫外線：750THz～1500THz，蜂蜜在內的一些昆蟲可以看見紫外線波段，對于尋找花蜜有很大幫助；能殺菌、消毒、治療皮膚病和軟骨病等。
X射線：1.5PHz～500PHz，可以使很多固體材料發生可見的熒光，使照相底片感光。
γ射線：300EHz～3000ETHz，可以殺死癌細胞，用作醫療之用，“伽馬手術刀”。
α射線：未給出。
β射線：未給出。
聲波的劃分：
次聲波：頻率低于20Hz的聲波；
可聽波：20Hz～20kHz的聲波（人耳能聽到的聲波）；
超聲波：20kHz～1GHz的聲波；
特聲波/微波超聲：頻率高于1GHz的聲波
（3）按波長分類（從小到大）：
可見光的波長在780nm~380nm之間，波長更短的光依次為紫外線、X射線、γ射線；γ射線指波長短于0.001nm的光子，其穿透力極強，對人體細胞有著非常高的殺傷力。
什么是光？
光是一種肉眼可以看見（接受）的電磁波。在科學上的定義，光有時候是指所有的電磁波。光是由一種稱為光子的基本粒子組成。具有粒子性與波動性，或稱為波粒二象性。
光源
光源主要可以分為三類：
第一類是熱效應產生的光。太陽光就是很好的例子，因為周圍環境比太陽溫度低，為了達到熱平衡，太陽會一直以電磁波的形式釋放能量，直到周圍的溫度和它一樣。
第二類是原子躍遷發光。熒光燈燈管內壁涂抹的熒光物質被電磁波能量激發而產生光。此外霓虹燈的原理也是一樣。原子發光具有獨自的特征譜線。
第三類是物質內部帶電粒子加速運動時所產生的光。譬如，同步加速器（synchrotron）工作時發出的同步輻射光，同時攜帶有強大的能量。另外，原子爐（核反應堆）發出的淡藍色微光（切倫科夫輻射）也屬于這種。
