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第三篇 热物理学 3

第7章　热力学基础 3

7.1　热力学系统　理想气体状态方程 3

一、热力学系统 3

二、气体的状态参量 3

三、平衡态 4

四、理想气体状态方程 5

7.2　热力学第一定律 6

一、准静态过程 6

二、功 7

三、热量 8

四、内能 9

五、热力学第一定律 9

7.3　理想气体的等值过程　摩尔热容 10

一、等体过程　定体摩尔热容 10

二、等压过程　定压摩尔热容 12

三、等温过程 13

7.4　绝热过程　多方过程 15

一、绝热过程 15

二、多方过程 16

7.5　循环过程　卡诺循环 19

一、循环过程 19

二、卡诺循环 21

7.6　热力学第二定律 23

一、热力学第二定律的两种表述 24

二、两种表述的等效性 25

7.7　可逆过程与不可逆过程　卡诺定理 26

一、可逆过程与不可逆过程 26

二、卡诺定理 27

7.8　熵　熵增加原理 28

一、熵的引入 29

二、熵变的计算 31

三、熵增加原理 32

章后结束语 33

一、本章小结 33

二、应用及前沿发展 34

习题与思考 35

科学家简介——焦耳 39

阅读资料A：熵和能量退化　能源 41

第8章　气体动理论 43

8.1　分子动理论的基本观点和统计方法的概念 43

一、分子动理论的基本观点 43

二、统计方法的一般概念 44

8.2　理想气体的压强公式 45

一、理想气体的微观模型 45

二、理想气体的压强公式 46

8.3　温度的微观解释 48

8.4　麦克斯韦气体分子速率分布律 50

一、测定气体分子速率分布的实验 50

二、麦克斯韦气体分子速率分布律 52

三、三种速率的推算 53

8.5　玻尔兹曼分布 56

一、玻尔兹曼分布 56

二、重力场中微粒按高度的分布律 57

三、等温气压公式 58

8.6　能量按自由度均分定理　理想气体的内能和摩尔热容 59

一、分子的自由度 59

二、能量按自由度均分定理 59

三、理想气体的内能和摩尔热容 60

8.7　分子的平均碰撞频率和平均自由程 62

8.8　气体内的迁移现象 64

一、粘滞现象（内摩擦现象） 64

二、热传导现象 65

三、扩散现象 66

8.9　实际气体的范德瓦尔斯方程 68

一、分子体积引起的修正 68

二、分子引力引起的修正 69

8.10　焦耳-汤姆孙实验　实际气体的内能 71

一、焦耳实验 71

二、焦耳-汤姆孙实验 71

三、实际气体的内能 73

8.11　热力学第二定律的统计意义 73

一、气体自由膨胀过程的不可逆性的微观解释 73

二、热力学第二定律的统计意义 74

三、熵的统计表达式 75

章后结束语 75

一、本章小结 75

二、应用及前沿发展 77

习题与思考 77

科学家简介——玻尔兹曼 79

阅读资料B：自组织现象　低温的获得 81

第四篇 振动与波 86

第9章　振动学基础 86

9.1　简谐振动 86

一、简谐振动的基本特征及其表示 86

二、描述简谐振动的特征量 88

三、简谐振动的矢量图解法和复数解法 89

四、简谐振动的能量 92

9.2　阻尼振动 94

9.3　受迫振动和共振 96

一、受迫振动 96

二、共振 97

9.4　简谐振动的合成 98

一、同方向同频率的两个简谐振动的合成 98

二、同方向不同频率的两个简谐振动的合成　拍 100

三、相互垂直的简谐振动的合成 102

9.5 电磁振荡 105

一、LC电路的振荡 106

二、阻尼振荡 107

三、受迫振荡 电共振 112

章后结束语 114

一、本章小结 114

二、应用及前沿发展 116

习题与思考 116

阅读材料C：周期运动的分解 120

第10章　波动学基础 122

10.1　机械波的产生和传播 122

一、机械波产生的条件 122

二、横波和纵波 123

三、波射线和波振面 124

四、描述波动的几个物理量 124

10.2　平面简谐波 125

一、平面简谐波的波函数 125

二、波动方程及其推导 129

10.3　波的能量和能流 131

一、波的能量及能量密度 131

二、波的能流和能流密度　波强 133

三、波的吸收 134

10.4　电磁波 134

一、平面电磁波的性质 134

二、电磁波的能量 136

三、电磁波谱 136

10.5　惠更斯原理　波的反射、折射和衍射 138

一、惠更斯原理 138

二、波的反射和折射 139

三、波的衍射 141

10.6　波的叠加原理、波的干涉和驻波 141

一、波的叠加原理 141

二、波的干涉现象和规律 141

三、驻波 143

10.7　多普勒效应 147

一、机械波的多普勒效应 147

二、电磁波的多普勒效应 149

章后结束语 151

一、本章小结 151

二、应用及前沿发展 152

习题与思考 152

阅读材料D：冲击波 154

第11章　波动光学 156

11.1　光干涉的一般理论 156

一、光的叠加原理 156

二、光的相干叠加 157

三、光程　光程差 159

11.2　分波振面干涉 160

一、杨氏双缝干涉实验 160

二、缝宽对干涉条纹的影响　空间相干性 162

三、双缝型的其他干涉装置 163

11.3　分振幅干涉 165

一、薄膜干涉——等倾干涉条纹 165

二、薄膜干涉——等厚干涉条纹 166

三、薄膜干涉的应用 169

11.4　迈克尔孙干涉仪 ＊时间相干性 170

一、迈克尔孙干涉仪 170

二、时间相干性 171

11.5　光的衍射现象和惠更斯-菲涅尔原理 173

一、光的衍射现象 173

二、惠更斯-菲涅尔原理 174

三、菲涅尔衍射和夫琅禾费衍射 174

11.6　单缝夫琅禾费衍射 175

11.7 圆孔的夫琅禾费衍射　光学仪器的分辨本领 178

一、圆孔的夫琅禾费衍射 178

二、光学仪器的分辨本领 179

11.8　光栅的衍射 181

一、光栅的衍射花样 181

二、光栅方程 182

三、光栅光谱 182

11.9　X射线衍射 183

11.10　光的偏振态 185

一、自然光　线偏振光和部分偏振光 185

二、椭圆偏振光和圆偏振光 186

11.11　偏振片的起偏和检偏　马吕斯定律 187

一、二相色性 188

二、偏振片的起偏和检偏 188

三、马吕斯定律 189

11.12　反射、折射和散射时的偏振现象 190

一、反射光和折射光的偏振 190

二、由散射产生的偏振光 191

11.13　双折射现象与光的偏振 192

一、晶体的双折射现象 192

二、尼科尔棱镜 193

三、波片 194

四、克尔电光效应 195

五、偏振光的检测 196

11.14　旋光现象 196

章后结束语 198

一、本章小结 198

二、应用及前沿发展 200

习题与思考 200

阅读材料E：光学信息处理 204

第五篇 近代物理基础 209

第12章　相对论基础 209

12.1　狭义相对论产生的历史背景 209

一、力学相对性原理和经典时空观 209

二、狭义相对论产生的历史背景和条件 210

12.2　狭义相对论的基本原理 211

一、狭义相对论的两个基本假设 211

二、洛伦兹变换 212

三、洛伦兹速度变换关系 214

12.3　狭义相对论的时空观 215

一、同时的相对性 215

二、时间延缓效应 216

三、长度收缩效应 216

12.4　狭义相对论动力学基础 217

一、相对论质量和动量 218

二、相对论动力学基本方程 219

三、质能关系 219

四、能量-动量关系 221

章后结束语 221

一、本章小结 221

二、应用及前沿发展 223

习题与思考 224

科学家简介——爱因斯坦 225

第13章　量子力学基础 228

13.1　黑体辐射与普朗克的量子假设 228

一、黑体辐射的基本规律 228

二、普朗克的量子假设 230

13.2　光电效应与爱因斯坦的光量子假设 230

一、光电效应的实验规律 231

二、爱因斯坦光子假设和光电效应方程 232

三、光（电磁波）的波-粒二象性 233

13.3　氢原子光谱与玻尔的量子论 234

一、氢原子光谱的实验规律 234

二、玻尔的量子论 236

三、玻尔理论的缺陷和意义 238

13.4　微观粒子的波-粒二象性　不确定关系 238

一、微观粒子的波-粒二象性 238

二、不确定关系 240

13.5　量子力学的基本概念和基本原理 242

一、波函数及其统计解释 242

二、薛定谔方程 244

三、一维无限深势阱 246

13.6　氢原子 249

一、氢原子问题的量子力学处理 249

二、电子的自旋 251

13.7　原子的电子壳层结构 253

一、四个量子数 253

二、原子的电子壳层结构 253

13.8　激光 255

一、受激吸收 自发辐射和受激辐射 255

二、粒子数反转 256

三、光学谐振腔 257

四、激光的应用 258

13.9　固体的能带理论 258

一、电子的共有化 259

二、能带的形成 259

三、满带、导带和禁带 260

四、导体、半导体和绝缘体 261

章后结束语 262

一、本章小结 262

二、应用及前沿发展 265

习题与思考 266

阅读材料F：纳米物理与纳米技术 268

习题答案 271

附表 276

参考文献 279