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(yīng)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(chǔ)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?！洞髮W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(yīng)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(guān)系    一、等勢面    *二、電場強度與電勢的微分關(guān)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(yīng) 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(yīng)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(yīng)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(yīng)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(yīng)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(yīng)    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(yīng)定律    一、電磁感應(yīng)現(xiàn)象    二、電磁感應(yīng)定律    15-2 動生電動勢    一、動生電動勢的產(chǎn)生    二、關(guān)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(yīng)和互感應(yīng)    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(yīng)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(yīng)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(shè)計原理    二、“邁干”的應(yīng)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(yīng)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(yīng)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(shè)    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(shè)    20-2 光電效應(yīng)    一、光電效應(yīng)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(shè)    20-3 康普頓效應(yīng)    一、康普頓散射的實驗規(guī)律    二、康普頓效應(yīng)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(chǔ)(Quantum Mechanics Foundation)    21-1 德布羅意物質(zhì)波    一、德布羅意假設(shè)    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(guān)系    一、不確定量    二、不確定度關(guān)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(yīng)    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(yīng)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(yīng)用    思考題22    練習題22附錄A    一、場論基礎(chǔ)知識    二、場論在電磁學中的應(yīng)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(yīng)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(yīng)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(guān)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(yīng)過程，也適用于微觀粒子的反應(yīng)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(yīng)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(guān)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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