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第3篇 热学 3

第9章 气体动理论基础 3

9.1 气体动理论的基本概念 3

9.1.1 热力学系统的描述 3

9.1.2 平衡态 4

9.1.3 温度 4

9.1.4 理想气体状态方程 6

9.2 理想气体的压强 7

9.2.1 理想气体的微观模型 7

9.2.2 理想气体的压强公式 8

9.3 温度的微观意义 9

9.3.1 温度的统计解释 9

9.3.2 气体分子方均根速率 10

9.4 能量均分定理 11

9.4.1 自由度 11

9.4.2 能量均分定理 12

9.4.3 理想气体的内能 13

9.5 麦克斯韦速率分布律 14

9.5.1 麦克斯韦速率分布函数 14

9.5.2 三个统计速率 15

9.6 麦克斯韦速度分布与外场中粒子分布律 18

9.6.1 麦克斯韦速度分布律 18

9.6.2 重力场中粒子按高度的分布 19

9.6.3 玻耳兹曼分布律 20

9.7 分子的平均碰撞频率和平均自由程 22

9.7.1 平均自由程 22

9.7.2 分子的平均碰撞频率 22

9.8 气体内的输运过程 24

9.8.1 黏滞现象 24

9.8.2 热传导现象 25

9.8.3 扩散现象 26

本章小结 26

阅读材料9.1 天空中的涨落 28

阅读材料9.2 温室效应 29

习题 31

第10章 热力学基础 35

10.1 热力学基本概念 35

10.1.1 热力学系统与热力学过程 35

10.1.2 功、热量及内能 36

10.2 热力学第一定律 37

10.2.1 热力学第一定律的概念 37

10.2.2 热力学第一定律的应用 38

10.3 绝热过程及多方过程 43

10.3.1 绝热过程 43

10.3.2 多方过程 45

10.4 循环过程及卡诺循环 48

10.4.1 循环过程 48

10.4.2 卡诺循环 51

10.5 热力学第二定律 53

10.5.1 可逆过程与不可逆过程 53

10.5.2 热力学第二定律的两种表述 55

10.5.3 卡诺定理 56

10.6 热力学第二定律的统计意义及熵 57

10.6.1 热力学第二定律的微观意义 57

10.6.2 热力学第二定律的统计意义 58

10.6.3 熵及熵增加原理 59

10.6.4 熵的力学表示 60

10.6.5 熵的计算 61

本章小结 62

阅读材料10.1 大气环流 63

阅读材料10.2 超流氦的喷泉效应，它违背热力学第二定律吗？ 64

习题 67

第4篇 机械振动和机械波 75

第11章 机械振动 75

11.1 简谐运动 75

11.1.1 简谐运动的特征和表达式 75

11.1.2 描述简谐振动的特征量 76

11.2 简谐运动的旋转矢量表示法 79

11.2.1 旋转矢量表示法 79

11.2.2 旋转矢量图的应用 80

11.3 单摆和复摆 82

11.3.1 单摆 82

11.3.2 复摆 83

11.4 简谐运动的能量 83

11.5 简谐运动的合成 85

11.5.1 两个同方向同频率的简谐运动的合成 85

11.5.2 同方向不同频率简谐运动的合成及拍现象 87

11.5.3 两个相互垂直的简谐运动的合成 88

11.6 阻尼振动、受迫振动及共振 91

11.6.1 阻尼振动 91

11.6.2 受迫振动 92

11.6.3 共振 92

本章小结 93

阅读材料 非线性振动与混沌 95

习题 97

第12章 机械波 101

12.1 机械波的产生和传播 101

12.1.1 机械波的形成 101

12.1.2 横波和纵波 102

12.1.3 波动几何描述 103

12.1.4 描述波动的三个基本物理量 103

12.2 平面简谐波 105

12.2.1 平面简谐波的波函数 105

12.2.2 波函数的物理意义 106

12.2.3 波动方程 109

12.3 波的能量 110

12.3.1 波动能量的传播 110

12.3.2 能流和能流密度 112

12.3.3 波的吸收 113

12.4 惠更斯原理与波的衍射 113

12.4.1 惠更斯原理 113

12.4.2 波的衍射 114

12.4.3 波的反射和折射 115

12.5 波的干涉 116

12.5.1 波的叠加原理 116

12.5.2 波的干涉 117

12.6 驻波 120

12.6.1 驻波的产生 120

12.6.2 驻波方程 120

12.6.3 驻波的特点 121

12.6.4 半波损失 122

12.6.5 弦线上的驻波 123

12.7 多普勒效应 125

12.7.1 波源静止，观察者以uR相对于介质运动 125

12.7.2 观察者静止，波源以uS相对于介质运动 126

12.7.3 波源以uS运动，观察者以uR运动（相向运动为正） 127

本章小结 127

阅读材料 超声、次声和噪声 129

习题 134

第5篇 波动光学 141

第13章 光的干涉 141

13.1 光源及光的相干性 141

13.1.1 光是电磁波 141

13.1.2 光源 142

13.1.3 光波的叠加 144

13.2 杨氏双缝干涉 145

13.2.1 杨氏双缝干涉分析 145

13.2.2 洛埃镜干涉 147

13.2.3 菲涅耳双镜干涉 148

13.3 光程及光程差 148

13.3.1 光程 149

13.3.2 光程差 150

13.3.3 薄透镜不附加光程差 150

13.4 薄膜干涉 151

13.4.1 薄膜干涉分析 151

13.4.2 等倾干涉 152

13.5 等厚干涉 154

13.5.1 等厚干涉分析 154

13.5.2 劈尖 155

13.5.3 牛顿环 158

13.6 迈克耳孙干涉仪 159

13.7 光的时空相干性 161

13.7.1 空间相干性 161

13.7.2 时间相干性 162

本章小结 163

阅读材料 托马斯·杨和菲涅耳 165

习题 166

第14章 光的衍射 170

14.1 光的衍射现象及惠更斯-菲涅耳原理 170

14.1.1 光的衍射现象及分类 170

14.1.2 惠更斯-菲涅耳原理 171

14.2 单缝的夫琅禾费衍射 172

14.2.1 单缝的夫琅禾费衍射实验 172

14.2.2 菲涅耳半波带法 172

14.3 光学仪器的分辨本领 176

14.3.1 圆孔夫琅禾费衍射 176

14.3.2 光学仪器的分辨本领 177

14.4 光栅衍射 178

14.4.1 光栅衍射分析 178

14.4.2 光栅光谱 182

14.5 X射线衍射 183

14.6 全息照相 184

14.6.1 全息照片的拍摄和再现 184

14.6.2 全息术的应用 187

本章小结 187

阅读材料 光纤及其应用 188

习题 190

第15章 光的偏振 193

15.1 自然光及偏振光 193

15.1.1 横波的偏振性 193

15.1.2 自然光 193

15.1.3 线偏振光 194

15.1.4 部分偏振光 194

15.2 起偏及检偏 195

15.2.1 偏振片的起偏和检偏 195

15.2.2 马吕斯定律 196

15.3 反射和折射时光的偏振 197

15.4 双折射现象 199

15.4.1 双折射现象及寻常光和非常光 199

15.4.2 晶体的光轴与光线的主平面 200

15.4.3 用惠更斯原理解释双折射现象 201

15.5 偏振光的干涉及人为双折射现象 202

15.5.1 椭圆偏振光与圆偏振光及波片 202

15.5.2 偏振光的干涉 203

15.5.3 人为双折射现象 204

15.6 旋光现象 205

本章小结 206

阅读材料 液晶 207

习题 212

第6篇 量子力学 217

第16章 早期量子论 217

16.1 黑体辐射和普朗克量子假设 217

16.1.1 热辐射及基尔霍夫定律 217

16.1.2 绝对黑体的辐射定律 219

16.1.3 普朗克量子假设 220

16.2 光电效应及爱因斯坦的光子理论 221

16.2.1 实验装置 221

16.2.2 光电效应的实验规律 221

16.2.3 经典理论解释光电效应遇到的困难 222

16.2.4 爱因斯坦光子假设 223

16.2.5 光子的能量及动量 223

16.3 康普顿效应 225

16.3.1 实验装置 225

16.3.2 实验结果 225

16.3.3 经典理论解释的困难 225

16.3.4 用光子理论解释 226

16.3.5 康普顿效应公式的推导 226

16.4 玻尔的氢原子理论 228

16.4.1 原子光谱的实验规律 228

16.4.2 玻尔的氢原子理论 230

16.4.3 用玻尔理论计算氢原子轨道半径及能量 232

16.4.4 对玻尔理论的评价 234

本章小结 235

阅读材料 丹麦科学家玻尔 235

习题 238

第17章 量子力学基础 240

17.1 微观粒子的波粒二象性 240

17.1.1 德布罗意假设 240

17.1.2 德布罗意波的实验证实及电子衍射实验 241

17.1.3 德布罗意波的统计解释 242

17.2 测不准关系 243

17.3 波函数及薛定谔方程 245

17.3.1 波函数 245

17.3.2 薛定谔方程 247

17.4 一维定态薛定谔方程应用 248

17.5 量子力学中的氢原子问题 250

17.5.1 氢原子的能级 251

17.5.2 氢原子的波函数 252

17.5.3 氢原子核外电子的概率分布 252

17.6 电子自旋及原子的电子壳层结构 253

17.6.1 施特恩-格拉赫实验 254

17.6.2 假设 254

17.6.3 原子壳层结构 255

本章小结 256

阅读材料 量子力学十大应用 256

习题 261

第18章 量子物理应用 264

18.1 固体能带结构 264

18.1.1 布洛赫定理 264

18.1.2 一维周期场中电子运动的近自由电子近似 265

18.2 激光原理 267

18.2.1 激光产生原理 268

18.2.2 激光技术的应用 269

18.3 半导体 271

18.4 超导体 273

18.4.1 超导体的概念 273

18.4.2 超导的主要特性 273

18.4.3 高温超导体的发现 277

18.4.4 超导的意义及应用 278

18.5 核物理 283

18.5.1 核物理的发展历程 283

18.5.2 核物理的应用 284

18.5.3 核物理应用的启示 285

18.6 粒子物理 286

18.6.1 粒子物理的概念 286

18.6.2 粒子家族 286

18.6.3 守恒律 288

18.6.4 标准模型 289

18.6.5 总结与展望 290

本章小结 290

习题 291

附录A 希腊字母读音表 293

附录B 基本物理常量 294

附录C 国际单位制的基本单位 295

附录D 常用物理量的国际单位制导出单位 296

附录E 物理名词中英文对照表 297

习题答案 301