大學物理（下冊）

內(nèi)容概要

《大學物理》是高校“十二五”規(guī)劃教材，是為了順應逐年發(fā)展的高等教育形勢，針對廣大進入高等教育階段的學生編寫的。按照教育部高等學校物理學與天文學教學指導委員會物理基礎課程教學指導分委員會編制的“理工科類大學物理課程教學基本要求（2010年版）”要求，本教材包含了所有規(guī)定的A類核心內(nèi)容，同時為了拓寬學生思路，也編寫了少量的B類擴展內(nèi)容。本教材試圖解決普遍存在的大學物理“學時少、內(nèi)容多、難度大”的問題，在整體上建立物理學的基本框架，對經(jīng)典物理內(nèi)容進行精煉和深化，對近代物理內(nèi)容進行精選和簡化，使學生在獲得具體知識的同時，保持對物理學的概括了解和興趣?！洞髮W物理》言簡意賅，深入淺出，通俗易懂；同時重視概念，強調(diào)思路，簡化教學過程。《大學物理》分為上、下兩冊，上冊包括力學，狹義相對論，機械振動和機械波，熱學；下冊包括電磁學，光學，量子物理。本教材可以作為高等學校理工科非物理專業(yè)的教材，同時可供廣大獨立學院、二級學院本科學生使用。

書籍目錄

第四篇 電磁學    預備知識——場的概念    一、物質(zhì)的兩種形態(tài)——物質(zhì)實體和場    二、電磁場的描述方法  第十一章 真空中的靜電場(Electrostatic Field in Vacuum)    11-1 電荷守恒定律 庫侖定律    一、電荷守恒定律    二、庫侖定律    11-2 電場強度 電場疊加原理    一、電場強度    二、電場強度疊加原理    三、場強的計算    11-3 電場線 電通量 高斯定理    一、電場線    二、電通量    三、高斯定理    四、高斯定理的物理意義    五、應用高斯定理求場強    11-4 電場力的功 電勢    一、靜電場力的功    二、靜電場的環(huán)路定理    三、電勢能和電勢    四、電勢疊加原理    五、電勢的計算    11-5 電場強度與電勢的關系    一、等勢面    *二、電場強度與電勢的微分關系    思考題11    練習題11  第十二章 靜電場中的導體和電介質(zhì)(The Conductor and Dielectric in an Electrostatic Field)    12-1 靜電場中的導體    一、靜電感應 導體的靜電平衡    二、靜電平衡時導體上的電荷分布    三、靜電屏蔽    12-2 靜電場中的電介質(zhì)    一、電介質(zhì)的影響    二、電介質(zhì)的極化    12-3 高斯定理在電介質(zhì)中的表達    一、高斯定理在介質(zhì)中的表達式    二、介質(zhì)中高斯定理的應用    12-4 電容器及其電容    一、孤立導體的電容    二、電容器的電容    三、幾種常見電容器    12-5 靜電場的能量    一、電容器儲能    二、靜電場的能量 能量密度    思考題12    練習題12  第十三章 真空中恒定電流的磁場(Magnetic Field of Steady Current in Vacuum)    13-1 磁現(xiàn)象及其本源    一、基本磁現(xiàn)象    二、磁性的本源    13-2 磁場的高斯定理    一、磁感應強度B的定義    二、磁場的高斯定理    13-3 畢奧-薩伐爾定律    一、畢奧-薩伐爾定律    *二、運動電荷的磁場    三、畢奧-薩伐爾定律的應用    13-4 安培環(huán)路定理    一、安培環(huán)路定理    二、安培環(huán)路定理的應用    13-5 磁場對電流的作用    一、磁場對載流導線的作用力    二、磁場對載流錢圈的作用    三、磁力的功    13-4 帶電粒子在磁場中的運動    一、帶電粒子在均勻磁場中的運動 磁聚焦    二、帶電粒子在非均勻磁場中的運動 磁鏡 磁約束    三、霍爾效應    思考題13    練習題13  第十四章 磁場中的磁介質(zhì)(Magnetic Medium in Magnetic Field)    14-1 磁介質(zhì)    一、磁化現(xiàn)象    二、介質(zhì)中的磁場 相對磁導率    三、磁介質(zhì)分類    14-2 順磁質(zhì)和抗磁質(zhì)的磁化機制    一、分子磁矩和分子環(huán)流    二、順磁質(zhì)和抗磁質(zhì)    14-3 安培環(huán)路定理在介質(zhì)中的表達    14-4 鐵磁質(zhì)    一、鐵磁質(zhì)的磁化規(guī)律    *二、鐵磁材料    *三、磁疇    思考題14    練習題14  第十五章 變化的電場和磁場 電磁波(Change of the Electric Field and Magnetic Field,Electromagnetic Wave)    15-1 電磁感應定律    一、電磁感應現(xiàn)象    二、電磁感應定律    15-2 動生電動勢    一、動生電動勢的產(chǎn)生    二、關于洛倫茲力不做功的問題    15-3 感生電動勢 感生電場    15-4 自感應和互感應    一、自感現(xiàn)象 自感系數(shù) 自感電動勢    *二、互感現(xiàn)象 互感系數(shù) 互感電動勢    15-5 磁場的能量    一、自感磁能    二、磁場的能量 磁能密度    15-6 麥克斯韋電磁場理論簡介    一、變化的電場產(chǎn)生磁場    二、麥克斯韋方程組    15-7 電磁波簡介    一、電磁波的輻射和傳播    二、電磁波的波動方程    三、平面電磁波    四、電磁波譜 電磁波的應用    思考題15    練習題15第五篇 光學  第十六章 幾何光學(Geometrical Optics)    16-1 幾何光學的基本定律    一、反射定律 全反射    二、折射定律 折射率    16-2 光的反射成像和折射成像    一、平面鏡成像    二、球面鏡成像    16-3 薄透鏡    一、薄透鏡    二、薄透鏡成像公式    三、常用薄透鏡成像規(guī)律    四、幾何光學應用    思考題16    練習題16  第十七章 光的干涉(Interference of Light)    17-1 光源 光波的疊加    一、光的電磁理論    二、光波的疊加 光的干涉    三、光程 光程差與相位差    17-2 雙縫干涉    一、楊氏雙縫    二、其他分波陣面裝置 菲涅耳雙鏡(雙面鏡、雙棱鏡)    三、洛埃鏡與半波損失現(xiàn)象    17-3 薄膜干涉 薄膜的等傾干涉    一、薄膜干涉的一般性討論    二、等傾干涉    17-4 薄膜的等厚干涉    17-5 邁克耳孫干涉儀    一、邁克耳孫干涉儀設計原理    二、“邁干”的應用    思考題17    練習題17  第十八章 光的衍射(Diffraction of Light)    18-1 單縫夫瑯禾費衍射    一、光的衍射現(xiàn)象    二、惠更斯-菲涅耳原理    三、單縫夫瑯禾費衍射    18-2 光柵衍射    一、光柵衍射現(xiàn)象和衍射原理    二、光柵衍射強度    三、光柵光譜    18-3 光學儀器的分辨率    一、夫瑯禾費圓孔衍射    二、瑞利判據(jù)    三、最小分辨角和儀器的分辨率    18-4 X射線衍射 布拉格方程    一、X射線衍射    二、布拉格方程    思考題18    練習題18  第十九章 光的偏振(Polarization of Light)    19-1 光的偏振特性    一、自然光    二、線偏振光    三、橢圓偏振光和圓偏振光    四、起偏與檢偏    五、馬呂斯定律    19-2 反射和折射時光的偏振 布儒斯特定律    一、布儒斯特定律    二、玻璃片堆 布儒斯特定律的應用    19-3 雙折射現(xiàn)象    一、晶體的雙折射現(xiàn)象    *二、利用惠更斯原理作圖    三、幾種獲得線偏振光的棱鏡    19-4 偏振光的干涉    一、波晶片 橢圓偏振光和圓偏振光    *二、偏振光的干涉    三、物質(zhì)偏振性的應用    思考題19    練習題19第六篇 量子物理  第二十章 早期量子論(Old Quantum Theory)    20-1 黑體輻射 普朗克的量子假設    一、熱輻射    二、絕對黑體及其輻射實驗規(guī)律    三、普朗克的量子假設    20-2 光電效應    一、光電效應的實驗規(guī)律    二、光的波動學說的缺陷    三、愛因斯坦光子假設    20-3 康普頓效應    一、康普頓散射的實驗規(guī)律    二、康普頓效應的量子理論    三、光的波粒二象性    20-4 玻爾的氫原子理論    一、氫原子光譜    二、經(jīng)典理論的缺陷    三、玻爾的氫原子理論    四、玻爾理論解釋氫原子光譜    思考題20    練習題20  第二十一章 量子力學基礎(Quantum Mechanics Foundation)    21-1 德布羅意物質(zhì)波    一、德布羅意假設    二、德布羅意波的實驗驗證    三、德布羅意波的統(tǒng)計解釋    21-2 不確定度關系    一、不確定量    二、不確定度關系    21-3 波函數(shù) 薛定諤方程    一、波函數(shù)    二、薛定諤方程    三、定態(tài)薛定諤方程    21-4 一維無限深方勢阱中的粒子    21-5 一維方勢壘 隧道效應    21-6 氫原子的量子力學理論    一、氫原子的量子化狀態(tài)    二、氫原子中電子的幾率分布    三、電子的自旋    *21-7 多電子原子中電子的分布    思考題21    練習題21  第二十二章 激光和固體的量子理論(Laser and Quantum Theory of the Solid State)    22-1 激光原理    一、受激吸收 自發(fā)輻射和受激輻射    二、激光產(chǎn)生的條件    22-2 激光器    一、紅寶石激光器    二、氦-氖激光器    三、自由電子激光    *22-3 固體的能帶結(jié)構(gòu)    一、電子共有化與能帶的形成    二、能帶中電子的分布    *22-4 電子在能帶中的填充和運動    一、滿帶、空帶和導帶    二、絕緣體 導體和半導體    *22-5 半導體的應用    一、半導體的摻雜    二、pn結(jié)    三、半導體器件    *22-6 超導電性    一、超導電現(xiàn)象    二、超導的磁性    三、超導電性的理論解釋(BCS理論)    四、超導電性應用    思考題22    練習題22附錄A    一、場論基礎知識    二、場論在電磁學中的應用附錄B

章節(jié)摘錄

預備知識―― 場的概念一、物質(zhì)的兩種形態(tài)―― 物質(zhì)實體和場1.場概念的產(chǎn)生電磁作用建立在場的概念之上，場的概念來源于物質(zhì)的相互作用。兩個質(zhì)點之間的萬有引力，兩個電荷之間的靜電力，兩個運動電荷之間的磁力，它們是如何發(fā)生的？歷史上對于力的作用是“超距” 還是“近距” ，爭論了很長一段時間。18 世紀末的歐洲，包括庫侖、安培、韋伯在內(nèi)的學者們，都信奉一種觀點，認為萬有引力或電力、磁力都是瞬間發(fā)生的，既無需經(jīng)過時間，也無需跨越空間，這樣的一種作用模式超越了時空，被稱為“超距作用”.超距作用觀點不僅在哲學上沒有依據(jù)，在科學實踐中也被否認。19 世紀，法拉第在研究介質(zhì)對電力、磁力的影響后，經(jīng)過深入的思考，從本質(zhì)上指出物質(zhì)之間的電力和磁力不能憑空傳遞，而是靠另一種物質(zhì)作為媒介來傳遞。法拉第說：“物質(zhì)到處存在，沒有不被物質(zhì)占據(jù)的中空地帶。” 在帶電體、磁體或電流周圍存在著由它們激發(fā)的相應的某種物質(zhì)，該物質(zhì)連續(xù)彌漫在整個空間，無處不在，這種物質(zhì)稱為場，它起著傳遞電力或磁力的媒介作用。因此，電荷之間的相互作用力，是通過其中一個電荷所激發(fā)的場傳遞給另一個電荷的。電荷只和場發(fā)生相互作用。用以下圖示表示電荷之間通過場發(fā)生相互作用：電荷1 騁電場騁電荷2運動電荷除了產(chǎn)生電場，同時還會產(chǎn)生磁場，因此運動電荷之間除了存在電場力以外還有磁力，磁相互作用也是通過場物質(zhì)―― 磁場來完成的，其作用圖示與上面類同：運動電荷1 騁磁場騁運動電荷2法拉第摒棄了超距作用觀點，率先建立了場和媒質(zhì)傳遞作用的概念。與超距作用不同，這是一種近距作用觀念，法拉第指出場的建立是需要時間的，或者說力的傳遞是需要時間的。事實證明，引力場、電場、磁場，以及電磁場都是以光速傳遞著相互作用，處在相應的場中的質(zhì)點、電荷或者電流僅僅是與場發(fā)生相互作用。簡而言之，場觀念的基本內(nèi)容是：互不接觸的兩個物體間的相互作用，必須通過中間媒介來傳遞，傳遞相互作用是需要時間的。我們把中間媒介稱為場，或者場物質(zhì)。2.物質(zhì)存在的兩種形態(tài)靜止質(zhì)量不為零的粒子稱為實物粒子。實物粒子的物質(zhì)性體現(xiàn)在它具有質(zhì)量、能量、動量、角動量。為什么說場也是一種物質(zhì)呢？這是因為場也具有質(zhì)量、能量、動量和角動量等實物粒子的基本屬性；場與粒子相互作用過程中，和實物粒子一樣，也會發(fā)生質(zhì)量、能量、動量、角動量的變化。但是場和實物粒子又有形式上的不同。主要的差別是：實物粒子是不可入的，幾個實物粒子不可能同時占據(jù)一個時空點，由此實物粒子是不可疊加的；而場無處不在，具有可入性，即多個場可以同時占據(jù)同一空間，因此場具有可疊加性。另一個差別是：一個運動的實物粒子在空間形成運動軌跡，場運動起來卻形成波，如引力波、電磁波等。而且場物質(zhì)可以脫離激發(fā)它的源而在空間傳播。近代物理的研究表明，實物粒子和場是自然界物質(zhì)存在的兩種形態(tài)。（量子場論進一步指出，在物質(zhì)存在的兩種形式中，場是更加基本的形式，粒子則是場在特定條件下的某種狀態(tài)。）二、電磁場的描述方法描述場的性質(zhì)的物理量稱為場量。通常場量是空間位置的函數(shù)，如果場量是矢量，則稱為矢量場（vector field） ，記為f（ x ，y ，z） ；如果場量是標量，則稱為標量場，常記為φ（ x ，y ，z）.電荷激發(fā)的電磁場是矢量場，在場所及的空間連續(xù)分布并且具有疊加性。因此具體說來，電磁學中廣泛用到一般的矢量運算，如矢量求和、矢量的點積和叉積、矢量微分以及積分等，這也是大學物理學中必須掌握的內(nèi)容。從總體上看，電磁場的描述方法是形象的場線描述和精確的數(shù)學方程描述的緊密結(jié)合。流線、力線、流管、場線等概念是由法拉第提出的，如電磁場中的電場線和磁場線，它直觀地描述了電場和磁場。有了場線的概念，就有了矢量場中通量和環(huán)流的概念，于是形象的場線被量化，從而場的描述從定性到定量，場的性質(zhì)得到準確的數(shù)學描述，并進一步上升到高度概括電磁場規(guī)律的電磁場方程―― 麥克斯韋方程組。麥克斯韋方程組是法拉第創(chuàng)造性思維和麥克斯韋高超的理性思考和數(shù)學技能的完美結(jié)合。麥克斯韋曾經(jīng)謙遜地說過：“我只是將法拉第的光輝思想寫出來了。”麥克斯韋方程組分為積分形式和微分形式兩種。前者是描述電磁場中某有限區(qū)域內(nèi)整體特性的場方程，后者是逐點描述電磁場特性的場方程。將積分形式的方程變換成為微分形式，就會涉及矢量分析中散度和旋度概念和積分變換式。由于大學物理中對這些數(shù)學運算不作要求，所以我們只是在正文中較詳細地介紹積分形式的麥克斯韋方程組，而直接給出方程組的微分形式。關于場線、通量和源的概念，以及如何得到微分形式的麥克斯韋方程，在附錄A 中給出。第十一章 真空中的靜電場（Electrostatic Field in Vacuum）相對于某參照系靜止的電荷，在該參照系中只能激發(fā)靜電場；相對于某參照系運動的電荷在該參照系中能夠同時激發(fā)電場和磁場。本章研究真空中靜電場的基本性質(zhì)，介紹反映電場“力的特性” 的物理量―― 電場強度，以及反映電場“能量特性” 的物理量―― 電勢。依次講述靜電場的基本定律―― 電荷守恒定律、庫侖定律，以及基本定理―― 高斯定理、靜電場的環(huán)路定理，從而說明靜電場是有源場和無旋場。涉及到的重要概念是靜電場的保守性，以及保守場中的電勢和電勢能的定義等。§ 11.1　 電荷守恒定律庫侖定律一、電荷守恒定律（law of conservation of charge）1.電荷歷史上發(fā)現(xiàn)絲綢摩擦過的玻璃棒與毛皮摩擦過的橡膠棒都能夠吸引輕小物體，這種特性稱為電性，或稱為物體帶有電荷（electric charge）.實驗證明，自然界中只存在兩種電荷：正電荷和負電荷。同種電荷互相排斥，異種電荷互相吸引；正負電荷相遇時會發(fā)生中和。正常情況下，物體內(nèi)部正負電荷量值相等，對外不顯電性，稱為電中性（electric neutrality）.兩種不同材質(zhì)的物體相互摩擦時，電子彼此轉(zhuǎn)移到對方，最終總是使得某一個物體凈失去電子，而另一個物體凈得到電子。失去電子的物體帶正電，得到電子的物體帶負電。早期稱絲綢摩擦過的玻璃棒所帶電為“玻璃電” ，而稱毛皮摩擦過的橡膠棒帶電為“樹脂電”.后來被美國物理學家富蘭克林（Franklin ，1706 ― 1790） 將其依次改稱為正電和負電?，F(xiàn)代生活中許多用品都是高分子化合物材料制成的，稍微摩擦后極易帶電。物體所帶電荷的多少稱為電量（electric quantity） ，通常用符號Q 或q 表示。電荷與物質(zhì)不可分開，它是物質(zhì)之間發(fā)生電相互作用的一種屬性，就像引力質(zhì)量使得物質(zhì)之間發(fā)生萬有引力相互作用一樣，物質(zhì)具有質(zhì)量，同時也包含有電荷，從本質(zhì)上看，電荷和質(zhì)量都是物質(zhì)的固有屬性。除了摩擦起電，自然界中最常見的電現(xiàn)象就是雷電。開始人們不知道摩擦起電得到的電荷是否與雷電現(xiàn)象中的電荷是相同的。為了研究這個問題，富蘭克林做了大量實驗，其中著名的風箏實驗就是收集雷電所產(chǎn)生的電荷，再與萊頓瓶中收集的摩擦起電的電荷相比較。富蘭克林發(fā)現(xiàn)天上采集的電荷能夠重復做“地上的摩擦電” 所做的一切實驗，從而得知“天電” 和“地電” 是一樣的。2.電荷守恒定律電荷的量子性和相對論不變性實驗證明，在一個與外界沒有電荷交換的系統(tǒng)內(nèi)，無論進行怎樣的物理過程，系統(tǒng)內(nèi)正、負電荷量的代數(shù)和總是保持不變。這個規(guī)律稱為電荷守恒定律。它是自然界中的基本守恒定律之一，既適用于宏觀帶電體的起電、中和、極化和感應過程，也適用于微觀粒子的反應過程。例如，宏觀物體不論用什么樣的方式起電，當一種電荷出現(xiàn)時，必然伴有相等量的異號電荷同時出現(xiàn)； 而核反應過程中電荷也是守恒的。……

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姜大華編著的《大學物理(下面向21世紀物理學課程與教學改革系列教材)》系統(tǒng)全面介紹了大學物理相關知識，本書包括電磁學，光學，量子物理。本教材可以作為高等學校理工科非物理專業(yè)的教材，同時可供廣大獨立學院、二級學院本科學生使用。

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