Какая именно физическая величина называется «волновым фронтом» в принципе Гюйгенса?

Я не совсем уверен, в чем заключается ваше замешательство, но у меня есть ощущение, что оно носит концептуальный характер, так что, возможно, это поможет немного прояснить ситуацию. Вот одномерная электромагнитная волна; это волна изменения напряженности электрического и магнитного полей.

Волна распространяется слева направо вдоль положительной оси z. Опять же, это одномерный случай; электрическое и магнитное поля пронизывают ось z. Другими словами, с каждой точкой на оси z связаны два вектора, и эти векторы имеют величину — то есть физическую величину, которая колеблется. Векторы образуют волновой узор.

Давайте переместимся на одно измерение вверх; теперь электрическое и магнитное поля пронизывают плоскость yz:

Для каждой точки на плоскости yz есть$\vec E$и$\vec B$связанные с ним; их величины изменяются волнообразно, образуя двумерную версию плоской световой волны . Волновые фронты — это просто линии, соединяющие точки, находящиеся в фазе. Обратите внимание, что существует (непрерывно) бесконечно много волновых фронтов, на изображении показаны лишь некоторые из них.

Вот случай 3D; теперь электрическое и магнитное поля пронизывают все пространство:

Волновой фронт теперь представляет собой плоскость, соединяющую точки, находящиеся в фазе. Как и прежде, это плоская волна с параллельными волновыми фронтами, движущимися слева направо вдоль положительной оси z.

(изображение из Википедии )

Для сферической или полусферической волны идея точно такая же; просто волновые фронты представляют собой изогнутые сегменты сферы:

(изображение отсюда )

Похоже, вы ищете способ точно определить точку на волне, где можно сказать, что «здесь фаза равна пи/4» или «здесь амплитуда максимальна», и сделать вывод, что волновой фронт проходит через эту точку. . К сожалению, не все так однозначно. Чтобы действительно измерить фазу, необходимо наблюдать несколько волн в цуге, потому что фаза является относительной величиной . Фаза не является абсолютной.

Когда две синусоидальные волны, идентичные по направлению, пересекаются в одной точке, несложно определить и измерить разность фаз между ними в этой точке . Все, что вам нужно сделать, это задержать одну из волновых последовательностей ровно настолько, чтобы две волны были идеально синхронизированы; затем вы сравниваете эту задержку с периодом волны. Если две последовательности волн не синусоидальны, но все же идентичны и периодичны , то вы сравниваете задержку с основным периодом последовательности волн.

Изолированный фронт волны на самом деле не имеет периода. Следовательно, у него также нет фазы. Когда мы применяем принцип Гюйгенса, мы обычно принимаем за данность, что последовательность волн является непрерывной, однородной и синусоидальной. В этом случае любую поверхность постоянной амплитуды в данный момент можно считать имеющей фазу «нуль» или «$\pi/2$, или что-то еще; и Принцип работает.

При этом ни абсолютная фаза, ни абсолютная амплитуда не являются четко определенными для волны произвольной формы. В общем случае все, что вы решите назвать «абсолютной фазой» или «абсолютной амплитудой», будет постоянно меняться; и амплитуда не будет напрямую соответствовать фазе.

Возможно, звуковая волна — хороший способ начать.

Что «колеблется» в каждой точке, так это давление воздуха. Если кто-то издаст громкий звук «хлопок», область внезапного высокого/низкого давления отправится наружу, а места, которых она достигла в данный момент времени, будут иметь форму поверхности сферы.

Сам воздух не движется наружу от центра, воздух в целом более или менее неподвижен, только волна давления движется наружу, а фронтом волны является поверхность сферы.

Если представить, что каждая точка на сфере запускает новые вейвлеты, то через короткое время воздействие волны из всех этих точек достигло бы поверхности новой сферы чуть большего радиуса.

Для света это было бы похоже, но меняется сила электромагнитного поля.

В физике волновым фронтом переменного во времени поля называется множество всех точек, в которых волна имеет одинаковую фазу синусоиды. Этот термин обычно имеет смысл только для полей, которые в каждой точке изменяются синусоидально во времени с одной временной частотой. Волновые фронты обычно движутся со временем. Википедия

Однако я думаю, что его также можно определить для несинусоидальных волн как передний фронт волны. Например, если одномерная, двухмерная или трехмерная распространяющаяся волна представляет собой ступенчатую функцию, волновой фронт будет местом расположения ступеньки.

Также я думаю, что это можно определить как касательную поверхность ко всем вейвлетам Гюйгенса: https://www.dictionary.com/browse/huygens-principle

Принцип Гюйгенса заключается в том, что все точки на фронте волны света являются источниками вторичных волн и что поверхности, касательные к этим волнам, определяют положение фронта волны в любой момент времени.