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第三篇 波动和光学 1

第9章 振动 2

引言 2

9.1 简谐振动 3

9.1.1 简谐振动的特征和运动方程 3

9.1.2 描述简谐振动的物理量 5

9.1.3 简谐振动的旋转矢量表示法 9

9.1.4 简谐振动的能量 11

9.2 简谐振动的合成 13

9.2.1 同方向简谐振动的合成 13

9.2.2 两个相互垂直的简谐振动的合成 18

9.3 简谐振动的分解 21

9.4 阻尼振动 受迫振动 共振 电磁振荡 22

9.4.1 阻尼振动 22

9.4.2 受迫振动 24

9.4.3 共振 25

9.4.4 电磁振荡 27

9.5 非线性振动 混沌 28

9.5.1 非线性振动 28

9.5.2 混沌 31

本章提要 32

思考题9 32

基础训练习题9 33

综合能力和知识拓展与应用训练题 35

阅读材料——振动采油技术简介 36

第10章 波动 38

引言 38

10.1 机械波的产生和传播 39

10.1.1 机械波的形成 39

10.1.2 描述波动的物理量 40

10.2 平面简谐波 42

10.2.1 平面简谐波的波函数 42

10.2.2 波函数的物理意义 44

10.2.3 波动微分方程 47

10.3 波的能量 47

10.3.1 波动能量的传播 47

10.3.2 能流和能流密度 49

10.4 声波 超声波 次声波 50

10.4.1 声波 50

10.4.2 超声波和次声波 52

10.5 电磁波 53

10.5.1 电磁波的产生和传播 53

10.5.2 电磁波的性质 54

10.5.3 电磁波的能量 56

10.5.4 电磁波谱 57

10.6 波的叠加原理 波的干涉 59

10.6.1 波的叠加原理 59

10.6.2 波的干涉 59

10.6.3 驻波 62

10.7 波的衍射 反射 折射 67

10.7.1 惠更斯原理 67

10.7.2 波的衍射 68

10.7.3 波的反射和折射 68

10.8 多普勒效应 70

10.9 冲击波 72

本章提要 73

思考题10 74

基础训练习题10 74

综合能力和知识拓展与应用训练题 78

阅读材料——声波在油田中的主要应用 79

第11章 波动光学 82

引言 82

11.1 光的相干性 光程 85

11.1.1 光源 85

11.1.2 光的单色性 86

11.1.3 光的相干性及相干光的获得 86

11.1.4 光程 光程差 88

11.1.5 薄透镜不产生附加光程差 90

11.1.6 明暗干涉条纹产生的条件 90

11.2 杨氏双缝干涉实验 菲涅耳双面镜 劳埃德镜 90

11.2.1 杨氏双缝干涉实验 90

11.2.2 菲涅耳双面镜 93

11.2.3 劳埃德镜 93

11.3 薄膜干涉 95

11.3.1 薄膜干涉的基本原理 95

11.3.2 等倾干涉 96

11.3.3 增反膜与增透膜 97

11.3.4 等厚干涉 99

11.3.5 迈克耳孙干涉仪 104

11.4 单缝衍射和圆孔衍射 106

11.4.1 惠更斯-菲涅耳原理 106

11.4.2 单缝的夫琅禾费衍射 108

11.4.3 圆孔的夫琅禾费衍射 112

11.4.4 光学仪器的分辨率 113

11.5 光栅衍射 115

11.5.1 光栅 116

11.5.2 光栅衍射实验 116

11.5.3 X射线衍射 122

11.6 光的偏振 124

11.6.1 光的偏振态 124

11.6.2 偏振片 马吕斯定律 126

11.6.3 布儒斯特定律 129

11.7 光的双折射现象 130

11.7.1 双折射现象 130

11.7.2 偏振棱镜 131

11.8 偏振光的干涉 人工双折射现象 旋光现象 132

11.8.1 椭圆偏振光和圆偏振光的获得 132

11.8.2 偏振光的干涉 134

11.8.3 人工双折射现象 135

11.8.4 旋光现象 137

本章提要 138

思考题11 139

基础训练习题11 140

综合能力和知识拓展与应用训练题 146

阅读材料——光纤光栅传感器在石油行业中的应用 148

第四篇 热学 149

第12章 气体动理论 150

引言 150

12.1 基本概念 152

12.1.1 物质的微观结构模型 152

12.1.2 理想气体的微观结构模型 152

12.1.3 宏观量和微观量 153

12.1.4 统计规律和统计平均值 153

12.1.5 状态参量 154

12.1.6 平衡态 准静态过程 154

12.1.7 统计假设 155

12.1.8 理想气体状态方程 155

12.2 理想气体的压强和温度的微观解释 157

12.2.1 理想气体的压强公式及其统计意义 157

12.2.2 理想气体的温度公式及其微观意义 159

12.2.3 理想气体分子的方均根速率 159

12.3 能量按自由度均分定理 理想气体的内能 161

12.3.1 自由度 161

12.3.2 能量按自由度均分定理 162

12.3.3 理想气体的内能 163

12.4 麦克斯韦分布律 165

12.4.1 速率分布函数 165

12.4.2 麦克斯韦速率分布律 165

12.4.3 三种统计速率 167

12.4.4 麦克斯韦速度分布律 169

12.5 玻尔兹曼分布律 170

12.5.1 玻尔兹曼分布律的内容 170

12.5.2 重力场中大气密度与压强按高度的分布 171

12.6 气体分子的平均碰撞频率和平均自由程 172

12.7 气体输运现象 174

12.7.1 黏滞现象 175

12.7.2 热传导现象 176

12.7.3 扩散现象 177

12.8 真实气体 范德瓦尔斯方程 178

本章提要 182

思考题12 183

基础训练习题12 184

综合能力和知识拓展与应用训练题 187

阅读材料——工程应用中应用较广的状态方程 187

第13章 热力学基础 189

引言 189

13.1 热力学第一定律 190

13.1.1 内能 190

13.1.2 功 190

13.1.3 热量 191

13.1.4 热力学第一定律的内容 192

13.2 热力学第一定律的应用 193

13.2.1 等体过程 193

13.2.2 等压过程 194

13.2.3 理想气体的摩尔定容热容和摩尔定压热容 195

13.2.4 等温过程 198

13.2.5 绝热过程 199

13.2.6 多方过程 201

13.3 循环过程 卡诺循环 204

13.3.1 循环过程 204

13.3.2 卡诺循环 205

13.4 热力学第二定律 210

13.4.1 自发过程的方向性 210

13.4.2 热力学第二定律的内容 211

13.4.3 可逆过程和不可逆过程 212

13.4.4 卡诺定理 213

13.4.5 热力学第二定律的统计意义 214

13.5 熵 熵增加原理 216

13.5.1 熵 216

13.5.2 熵增加原理 217

13.5.3 克劳修斯熵及其计算 218

本章提要 220

思考题13 221

基础训练习题13 221

综合能力和知识拓展与应用训练题 224

阅读材料——化工热力学简介 225

第五篇 近代物理 227

第14章 狭义相对论 228

引言 228

14.1 狭义相对论的基本原理 洛伦兹变换 229

14.1.1 狭义相对论的基本原理 229

14.1.2 洛伦兹变换 231

14.1.3 相对论速度变换 234

14.2 狭义相对论的时空观 236

14.2.1 同时的相对性 237

14.2.2 时间膨胀效应 238

14.2.3 长度收缩效应 240

14.3 狭义相对论动力学 242

14.3.1 相对论质量与动量 242

14.3.2 相对论动力学基本方程 244

14.3.3 相对论能量 245

本章提要 249

思考题14 250

基础训练习题14 251

综合能力和知识拓展与应用训练题 253

阅读材料——相对论离我们远吗 255

第15章 量子物理 257

引言 257

15.1 黑体辐射 普朗克量子假说 259

15.1.1 热辐射 259

15.1.2 黑体 黑体辐射 260

15.1.3 普朗克量子假说 263

15.2 光电效应 爱因斯坦光子理论 264

15.2.1 光电效应的实验规律 264

15.2.2 爱因斯坦的光子理论 265

15.3 康普顿效应 光的波粒二象性 267

15.3.1 康普顿效应的实验规律 267

15.3.2 康普顿效应的量子解释 268

15.3.3 光的波粒二象性 270

15.4 氢原子光谱 玻尔的氢原子理论 271

15.4.1 氢原子光谱 271

15.4.2 经典物理遇到的困难 272

15.4.3 玻尔的氢原子理论 273

15.4.4 氢原子轨道半径和能量的计算 273

15.4.5 氢原子光谱的能级公式 275

15.4.6 玻尔氢原子理论的缺陷 275

15.5 德布罗意波 不确定关系 277

15.5.1 德布罗意波 277

15.5.2 德布罗意波的实验验证 278

15.5.3 不确定关系 279

15.6 波函数及其统计解释 282

15.6.1 波函数的概念 282

15.6.2 波函数的统计解释 283

15.7 薛定谔方程 285

15.7.1 一维自由粒子的运动方程 285

15.7.2 一维粒子的薛定谔方程 286

15.7.3 三维情况下的薛定谔方程 287

15.8 定态薛定谔方程的简单应用 288

15.8.1 一维无限深势阱 288

15.8.2 一维势垒 隧道效应 290

15.9 氢原子 291

15.9.1 能量量子化 292

15.9.2 角动量量子化 292

15.9.3 角动量的空间量子化 292

15.9.4 电子的波函数 293

15.10 电子的自旋 原子的壳层结构 294

15.10.1 施特恩-格拉赫实验 294

15.10.2 电子的自旋 295

15.10.3 四个量子数 297

15.10.4 原子的壳层结构 297

本章提要 299

思考题15 300

基础训练习题15 301

综合能力和知识拓展与应用训练题 303

阅读材料（一）——量子纠缠 304

阅读材料（二）——量子化学 306

第16章 激光和固体物理简介 309

引言 309

16.1 激光简介 310

16.1.1 受激吸收 受激辐射 自发辐射 310

16.1.2 产生激光的条件 314

16.1.3 激光器 317

16.1.4 激光的特性和应用 321

16.2 固体物理简介 323

16.2.1 晶体 晶体结构 324

16.2.2 能带 327

16.2.3 导体 半导体和绝缘体的能带结构 330

16.2.4 本征半导体与杂质半导体 331

16.2.5 半导体器件原理 334

16.2.6 半导体技术的应用前景 338

本章提要 341

思考题16 342

基础训练习题16 342

综合能力和知识拓展与应用训练题 343

阅读材料——激光在石油地质方面的应用 344

第17章 原子核物理和粒子物理简介 347

引言 347

17.1 原子核的基本性质 348

17.1.1 原子核的组成 348

17.1.2 原子核的大小 349

17.1.3 原子核的自旋与磁矩 350

17.2 核力和核模型 351

17.2.1 核力的性质 351

17.2.2 原子核模型 352

17.3 原子核的衰变 353

17.3.1 天然放射性现象 353

17.3.2 原子核的衰变规律 354

17.3.3 放射性衰变规律的应用 356

17.4 射线对人体的影响及其防护 357

17.4.1 射线的生物效应 357

17.4.2 辐射剂量 357

17.4.3 辐射的防护 358

17.4.4 放射性同位素的应用 359

17.5 原子核的结合能 裂变和聚变 360

17.5.1 原子核的质量亏损 360

17.5.2 原子核的结合能 361

17.5.3 核反应过程中的守恒定律 362

17.5.4 重核裂变及其应用 363

17.5.5 轻核的聚变及其应用 366

17.6 粒子物理简介 367

17.6.1 粒子的发现 367

17.6.2 粒子的分类 368

17.6.3 守恒定律 369

17.6.4 强子结构的夸克模型 370

本章提要 372

思考题17 373

基础训练习题17 373

阅读材料——核电技术简介 374

专题选讲：几何光学 378

附录 396

附录A 常用基本物理量 396

附录B 国际单位制 396

附录C 希腊字母 398

附录D 物理量及其单位的名称和符号 398

参考文献 402