大学基础物理学

第10章 振动 1

10．1 简谐振动的模型 1

10．1．1 简谐振动特征及简谐振动方程 1

10．1．2 描述简谐振动的特征量 4

10．1．3 简谐振动的旋转矢量表示法 6

10．2 单摆、复摆 8

10．2．1 单摆 8

10．2．2 复摆 8

10．3 简谐振动的能量 10

10．4 简谐振动的合成与分解 12

10．4．1 两个同方向同频率简谐振动的合成 12

10．4．2 两个相互垂直的同频率的简谐振动的合成 15

10．4．3 两个同方向不同频率简谐振动的合成 拍现象 17

10．5 阻尼振动 受迫振动 共振 19

10．5．1 阻尼振动 19

10．5．2 受迫振动 20

10．5．3 共振 22

10．6 电磁振荡 22

10．6．1 LC振荡器 22

10．6．2 阻尼电磁振荡及振荡方程 23

*10．7 非线性振动 24

10．7．1 非线性振动简介 24

10．7．2 非线性特征 25

本章提要 27

阅读材料？？ 30

习题 30

第11章 波动 35

11．1 机械波的概念 35

11．1．1 机械波的产生 35

11．1．2 横波和纵波 36

11．1．3 机械波的描述 36

11．1．4 波长、波的周期、频率和波速的关系 37

11．2 平面简谐波 38

11．2．1 平面简谐波及波函数 38

11．2．2 波函数的意义 40

11．3 波的能量 波的强度 43

11．3．1 波的能量和能流密度 43

11．3．2 波的强度 46

11．3．3 波的吸收 48

11．3．4 声波 48

11．4 波的干涉 51

11．4．1 波的叠加原理 51

11．4．2 波的干涉 51

11．4．3 驻波 54

11．5 惠更斯原理和波的衍射 62

11．5．1 惠更斯原理 62

11．5．2 波的衍射 63

11．6 平面电磁波 64

11．6．1 电磁波的产生与传播 64

11．6．2 平面电磁波的性质 66

11．7 多普勒效应 67

11．7．1 声波的多普勒效应 67

11．7．2 电磁波的多普勒效应与红移现象 70

本章提要 70

阅读材料 74

习题 75

第12章 光的干涉 光的衍射 80

12．1 光源和光的相干性 80

12．1．1 光源、单色光、相干光 80

12．1．2 光的相干性、相干光的获得 82

12．1．3 光程 光程差 83

12．2 杨氏双缝干涉 劳埃德镜实验 84

12．2．1 杨氏双缝实验 84

12．2．2 劳埃德镜实验 86

12．2．3 反射光的相位突变和附加光程差 87

12．3．4 透镜不引起附加光程差 87

12．3 薄膜干涉 光学干涉测薄膜厚度 87

12．3．1 薄膜干涉 87

12．3．2 增透膜与高反射膜 89

12．3．3 劈尖干涉 牛顿环 90

*12．3．4 光学干涉测薄膜厚度 94

12．4 光的衍射现象和惠更斯-菲涅耳原理 96

12．4．1 光的衍射现象 96

12．4．2 惠更斯-菲涅耳原理 96

12．5 夫琅禾费衍射 97

12．5．1 单缝夫琅禾费衍射 97

12．5．2 圆孔夫琅禾费衍射 光学仪器的分辨率 99

12．6 光栅衍射 102

12．6．1 光栅衍射 光栅方程 102

12．6．2 光栅光谱 缺级现象 103

12．6．3 光的干涉与衍射 104

12．7 X射线的衍射 105

12．7．1 电磁波谱 105

12．7．2 X射线的产生 106

12．7．3 X射线的衍射 107

12．8 光的偏振 110

12．8．1 光的横波性与偏振态 110

12．8．2 自然光 偏振光 110

12．8．3 圆偏振光和椭圆偏振光 111

12．9 起偏和检偏 马吕斯定律 111

12．9．1 起偏和检偏 111

12．9．2 马吕斯定律 112

12．10 反射和折射时光的偏振 布儒斯特定律 113

12．11 双折射 115

12．11．1 寻常光和非常光 115

12．11．2 光轴、单轴晶体、双轴晶体、主平面 115

12．11．3 惠更斯原理解释晶体的双折射 116

*12．12 几何光学 117

12．12．1 几何光学基本定律 117

12．12．2 光在平面上的反射和折射成像 119

12．12．3 光在球面上的反射和折射成像 120

12．12．4 薄透镜 123

本章提要 125

阅读材料：漫反射全息照相 128

习题 132

第13章 相对论基础 137

13．1 力学相对性原理 伽利略变换 137

13．1．1 经典力学的相对性原理 137

13．1．2 经典力学的绝对时空观 138

13．1．3 伽利略变换 138

13．2 狭义相对论基本原理 洛伦兹变换 139

13．2．1 狭义相对论基本原理 139

13．2．2 洛伦兹变换 140

13．2．3 洛伦兹速度变换式 140

13．3 狭义相对论的时空观 141

13．3．1 同时性的相对性 142

13．3．2 时间膨胀 142

13．3．3 长度收缩 143

13．3．4 经典时空观与相对论时空观的比较 144

*13．3．5 狭义相对论的相关实验 145

13．4 狭义相对论动力学基础 146

13．4．1 动量与速度的关系 146

13．4．2 质量与能量的关系 147

13．4．3 能量与动量的关系 148

*13．5 广义相对论简介 150

13．5．1 光线在引力场中的弯曲 151

13．5．2 水星轨道近日点的进动 151

13．5．3 光谱线的引力红移 151

本章提要 152

阅读材料 153

习题 154

第14章 量子力学基础 157

14．1 黑体辐射 普朗克能量子假说 158

14．1．1 黑体辐射 斯特藩-玻耳兹曼定律 158

14．1．2 维恩位移定律 159

14．1．3 黑体辐射的瑞利-金斯公式 160

14．1．4 经典物理的困惑 161

14．1．5 普朗克能量子假说 普朗克公式 161

14．2 光电效应 爱因斯坦的光子理论 164

14．2．1 光电效应 光的波动说的缺陷 164

14．2．2 爱因斯坦的光子理论 光的波粒二象性 165

14．2．3 康普顿效应 167

14．3 实物粒子的波粒二象性 不确定关系 168

14．3．1 德布罗意假设及实验证明 168

14．3．2 德布罗意波的统计解释 171

14．3．3 不确定关系 171

14．4 波函数薛定谔方程 173

14．4．1 波函数 173

14．4．2 薛定谔方程 175

14．4．3 一维限深势阱 178

14．4．4 势垒贯穿 182

14．5 量子力学的基本原理 184

14．5．1 状态和波函数 184

14．5．2 量子力学的运动状态满足薛定谔方程 185

14．5．3 定态薛定谔方程 185

14．5．4 算符、力学量的平均值 186

14．6 氢原子的量子力学处理方法 188

14．6．1 氢原子光谱的规律性 188

14．6．2 玻尔的氢原子理论 189

14．6．3 玻尔理论的缺陷 192

14．6．4 氢原子的量子力学理论 193

14．6．5 量子条件和量子数 194

14．6．6 氢原子核外电子定态波函数 195

14．6．7 电子自旋 197

*14．7 夫兰克-赫兹实验 198

思考题 201

本章提要 201

阅读材料 203

习题 205

第15章 分子与固体 207

15．1 晶体结构 207

15．1．1 晶体的描述 207

15．1．2 典型的晶体结构 209

15．1．3 非晶体和准晶体 210

15．2 离子结合与离子晶体 212

15．2． 1 原子的电离能、亲和能及电负性 212

15．2．2 离子的形成与结合 213

15．2．3 离子晶体的内聚能 214

15．3 共价结合与共价晶体 216

15．3．1 氢分子中的共价键 216

15．3．2 共价结合的饱和性和方向性 217

15．3．3 共价晶体的结构 219

15．3． 4 共价晶体的内聚能 219

15．4 金属结合与金属晶体 220

15．5 能带、导体和绝缘体 221

15．5．1 固体的能带结构 221

15．5．2 导体、半导体和绝缘体 223

15．5．3 PN结、半导体器件 225

15．5．4 纳米材料 226

本章提要 228

阅读材料 229

习题 234

习题参考答案 235

本书依据教育部非物理类专业物理基础课程教学指导分委员会制定的《理工科非物理类专业大学物理课程教学基本要求》的框架编写而成，全书涵盖了基本要求的核心内容，并增加了部分拓展内容。全书分为上、下两册共14 章，包含有力学、热学、电磁学、振动和波、波动光学、狭义相对论和量子力学基础、分子与固体等内容。每章都包含基本内容、本章提要、阅读材料、习题及答案。此外，为了拓展读者的知识面，本书还增加了部分选学内容，这部分内容均标以“*”号。阅读材料也可作为扩展内容，介绍了物理学在前沿科学和技术中的应用及前沿科学理论，选学内容和阅读材料都自成体系，可选讲或指导学生阅读。