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第3篇 热学3

第13章 温度和气体动理论3

13.1平衡态3

13.1.1热力学系统3

13.1.2平衡态与状态参量3

13.1.3热力学第零定律（热平衡定律）4

13.2理想气体的状态方程4

13.2.1气体的实验规律5

13.2.2理想气体 理想气体的物态方程5

13.2.3混合理想气体的物态方程7

13.3气体分子热运动与统计规律7

13.3.1对物质微观结构的基本认识7

13.3.2分子热运动服从统计规律8

13.4理想气体的压强和温度10

13.4.1理想气体的微观模型10

13.4.2理想气体的压强10

13.4.3理想气体的温度12

13.5能量按自由度均分12

13.5.1分子运动的自由度12

13.5.2能量按自由度均分定理13

13.5.3理想气体的内能14

13.6麦克斯韦速率分布律16

13.6.1速率分布概念和速率分布函数16

13.6.2麦克斯韦速率分布函数和分布曲线17

13.6.3三种统计速率18

13.6.4麦克斯韦速率分布律的实验验证20

13.7玻尔兹曼分布22

13.7.1玻尔兹曼分布律22

13.7.2重力场中粒子按高度的分布23

13.8平均自由程24

13.8.1分子的平均碰撞频率24

13.8.2气体分子的平均自由程25

提要25

思考题26

习题27

第14章 热力学基础知识29

14.1热力学第一定律29

14.1.1准静态过程29

14.1.2内能、热量和功 热力学第一定律的表述29

14.2理想气体的内能和热容32

14.2.1焦耳实验 理想气体的内能32

14.2.2理想气体的摩尔热容、迈耶公式32

14.3理想气体的典型准静态过程34

14.3.1等体、等压和等温过程34

14.3.2绝热过程36

14.4循环过程38

14.4.1循环过程 准静态循环过程38

14.4.2热机及效率39

14.4.3制冷机及制冷系数40

14.4.4卡诺循环41

14.5热力学第二定律43

14.5.1热力学第二定律的两种表述43

14.5.2两种表述的等效性43

14.5.3不可逆过程和可逆过程44

提要44

思考题45

习题46

第4篇 机械振动与机械波动51

第15章 机械振动51

15.1简谐振动的运动学描述51

15.1.1简谐振动的振动方程51

15.1.2描述简谐振动的三个特征量52

15.1.3简谐振动的速度和加速度52

15.1.4旋转矢量表示法55

15.2简谐振动的动力学58

15.2.1简谐振动的动力学方程58

15.2.2简谐振动的实例59

15.2.3简谐振动的能量64

15.3简谐振动的合成67

15.3.1同一直线上同频率简谐振动的合成68

15.3.2同一直线上不同频率简谐振动的合成70

15.3.3两个相互垂直简谐振动的合成71

15.4阻尼振动 受迫振动 共振74

15.4.1阻尼振动74

15.4.2受迫振动75

15.4.3共振76

提要76

思考题78

习题78

第16章 机械波81

16.1机械波的产生与传播81

16.1.1机械波的产生81

16.1.2横波与纵波82

16.1.3波线、波面与波前83

16.1.4描述波的物理量84

16.1.5弹性介质的形变与波速84

16.2平面简谐波86

16.2.1平面简谐波的波函数87

16.2.2波函数的物理意义88

16.2.3平面波的波动微分方程92

16.3机械波的能量93

16.3.1机械波的能量与能量密度93

16.3.2波的能流与波的强度95

16.3.3声波的声强96

16.4惠更斯原理 波的反射与折射97

16.4.1波的衍射现象97

16.4.2惠更斯原理97

16.4.3用惠更斯作图法推导反射和折射定律98

16.5波的干涉100

16.5.1波的叠加原理100

16.5.2两列波的干涉100

16.6驻波104

16.6.1驻波的形成104

16.6.2驻波波函数105

16.6.3驻波的特点105

16.6.4半波损失106

16.7多普勒效应109

16.7.1机械波的多普勒效应109

16.7.2电磁波的多普勒效应112

16.7.3冲击波112

提要113

思考题115

习题115

第5篇 光学121

第17章 几何光学121

17.1几何光学的基本概念121

17.2光的反射与折射122

17.2.1反射和折射定律122

17.2.2反射率与透射率123

17.2.3全反射123

17.3光在平面界上的反射与折射124

17.3.1平面反射成像124

17.3.2光在平面上的折射 单心性的破坏125

17.4球面反射镜126

17.4.1球面镜成像公式126

17.4.2球面镜成像几何作图方法（光路图法）127

17.4.3像的横向放大率128

17.5光在球面上的折射129

17.5.1球面对任意光线的折射129

17.5.2球面对近轴光线的折射129

17.6薄透镜130

17.6.1透镜130

17.6.2薄透镜的焦距131

17.6.3薄透镜成像132

17.7常用光学仪器简介134

17.7.1照相机和投影仪的光学原理134

17.7.2助视仪器134

提要137

思考题139

习题139

第18章 光的干涉141

18.1相干光的获取141

18.1.1光是一种电磁波141

18.1.2光的相干条件142

18.1.3普通光源的发光特点142

18.1.4相干光的获取方法143

18.2相干点光源的干涉143

18.2.1光程与光程差143

18.2.2两个相干点光源的干涉145

18.2.3条纹的对比度146

18.2.4振幅比对条纹对比度的影响147

18.3杨氏干涉实验与分波前干涉方法147

18.3.1杨氏双孔干涉147

18.3.2杨氏双缝干涉148

18.3.3杨氏干涉条纹的特点149

18.3.4与杨氏双缝类似的分波前干涉实验151

18.4薄膜干涉153

18.4.1薄膜干涉概述153

18.4.2等厚干涉156

18.4.3等倾干涉161

18.4.4增透膜和高反射膜164

18.5迈克耳孙干涉仪166

18.5.1仪器结构166

18.5.2干涉条纹167

18.5.3补偿板的作用168

18.5.4白光的零级条纹168

18.5.5迈克耳孙干涉仪的应用168

提要169

思考题171

习题171

第19章 光的衍射173

19.1光的衍射和惠更斯-菲涅耳原理173

19.1.1光的衍射现象173

19.1.2惠更斯-菲涅耳原理173

19.1.3衍射分类174

19.2单缝夫琅禾费衍射174

19.2.1点光源的单缝夫琅禾费衍射的强度分布174

19.2.2单缝衍射因子的特点178

19.2.3线光源的单缝夫琅禾费衍射180

19.3圆孔夫琅禾费衍射 光学仪器的像分辨本领181

19.3.1圆孔夫琅禾费衍射181

19.3.2光学仪器的像分辨本领182

19.4光栅衍射185

19.4.1光栅衍射原理185

19.4.2光栅方程185

19.4.3强度分布公式186

19.4.4缝间干涉因子的特点187

19.4.5单缝衍射因子的作用 缺级现象189

19.4.6光栅光谱191

19.4.7平行光斜入射时的光栅衍射193

19.5X射线衍射196

19.5.1劳厄实验196

19.5.2布拉格方程196

提要198

思考题199

习题199

第20章 光的偏振201

20.1光的偏振特性201

20.1.1光的偏振现象201

20.1.2光的偏振态202

20.2线偏振光的获得与检验205

20.2.1偏振片的起偏与检偏205

20.2.2马吕斯定律206

20.3反射光和折射光的偏振态207

20.3.1s波p波的反射率与透射率207

20.3.2反射和折射时光的偏振态208

20.3.3布儒斯特定律209

20.3.4偏振的应用210

20.4晶体的双折射211

20.4.1光在晶体中的双折射211

20.4.2惠更斯作图法求双折射光214

20.5晶体光学器件218

20.5.1偏振棱镜218

20.5.2波片（相位延迟片）220

20.6偏振态的检定221

20.6.1椭圆偏振光与圆偏振光的获取方法221

20.6.2偏振态的检定方法221

20.7偏振光的干涉223

20.7.1平行线偏振光通过波片的干涉强度223

20.7.2平行线偏振光干涉的特点224

20.7.3偏光显微镜的工作原理225

20.7.4人工双折射226

20.8旋光现象简介227

提要228

思考题229

习题229

第6篇 近代物理学基础233

第21章 狭义相对论基础233

21.1伽利略变换和经典力学时空观233

21.1.1伽利略变换233

21.1.2绝对时空观234

21.1.3伽利略相对性原理和经典物理学的困难235

21.2狭义相对论的基本概念 洛伦兹变换237

21.2.1狭义相对论基本原理237

21.2.2洛伦兹变换237

21.3狭义相对论时空理论241

21.3.1“同时”的相对性241

21.3.2时间延缓效应242

21.3.3运动尺度收缩243

21.3.4因果律与信号传递速度245

21.4狭义相对论动力学基础246

21.4.1相对论质量246

21.4.2相对论能量248

21.4.3质能关系250

21.4.4动量能量关系式251

提要252

思考题253

习题253

第22章 波粒二象性255

22.1黑体辐射255

22.1.1热辐射基本概念 黑体辐射255

22.1.2普朗克量子假设257

22.2光电效应 爱因斯坦光量子理论258

22.2.1光电效应的实验规律258

22.2.2爱因斯坦光量子假设259

22.2.3光的波粒二象性260

22.3康普顿效应261

22.3.1康普顿效应的实验规律261

22.3.2康普顿效应的光子理论解释262

22.4玻尔的氢原子理论263

22.4.1氢原子光谱的实验规律263

22.4.2玻尔的氢原子假设264

22.5实物粒子的波粒二象性266

22.5.1德布罗意物质波假设266

22.5.2德布罗意波的统计解释267

22.6不确定关系268

提要270

思考题271

习题272

第23章 量子力学基础274

23.1波函数 薛定谔方程274

23.1.1波函数274

23.1.2薛定谔方程275

23.2薛定谔方程在几个定态问题上的应用276

23.2.1一维无限深势阱中的粒子276

23.2.2一维势垒和隧道效应278

23.2.3线性谐振子279

提要280

思考题280

习题281

第24章 原子中的电子282

24.1氢原子中的电子282

24.2原子的壳层结构286

24.3X射线288

24.3.1连续谱韧致辐射288

24.3.2特征谱289

提要289

思考题290

习题290

第25章 固体中的电子291

25.1金属中的自由电子气291

25.1.1金属的自由电子气模型291

25.1.2金属中自由电子的能量与波函数291

25.1.3态密度292

25.1.4自由电子的基态 费米能293

25.1.5自由电子的热激发态293

25.1.6晶体的热容和电子的热容293

25.2能带理论294

25.2.1晶体中电子的波函数 布洛赫定理294

25.2.2晶体中电子的能量 准自由电子近似295

25.2.3导体 半导体 绝缘体295

25.2.4半导体中的杂质和缺陷296

25.2.5PN结297

提要298

思考题298

习题299

第26章 激光300

26.1爱因斯坦受激辐射理论300

26.1.1自发辐射、受激吸收和受激辐射的概念300

26.1.2三个爱因斯坦系数之间的关系301

26.1.3受激辐射的相干性302

26.2粒子数反转与光放大302

26.2.1粒子数按能级的统计分布302

26.2.2粒子数反转的概念302

26.2.3能实现粒子数反转的激活介质303

26.2.4泵浦的几种方法304

26.2.5增益系数G305

26.3谐振腔 光的自激振荡306

26.3.1激光自激振荡概念306

26.3.2谐振腔的作用307

26.3.3能输出线偏振光的激光器309

26.4激光的单色性309

26.4.1谱线宽度309

26.4.2激光的纵模310

26.4.3激光的横模311

26.5激光的特性及其应用311

26.5.1激光器的三个基本组成部分及其作用312

26.5.2激光的优秀特性312

26.5.3激光的应用312

26.6激光器举例312

26.6.1固体激光器312

26.6.2气体激光器314

26.6.3自由电子激光器316

26.6.4其他激光器317

提要318

思考题319

参考文献320

习题答案321

附录327

基本物理常数表327

几个保留单位和换算关系328