工科大学物理2大纲.ppt

大学物理课程第二学期,教学大纲二六,第三部分 气体动理论和热力学,1.气体动理论气体分子运动的图象2.气体的状态参量、平衡态和准静态过程2.理想气体的状态方程1.理想气体的压强公式、温度公式及其统计意义1.麦克斯韦速率分布律2.三种统计速率3.玻耳兹曼能量分布定律3.能量均分定理2.理想气体的内能2.气体分子的平均碰撞频率和平均自由程3.范德瓦尔斯方程3.,2.热力学系统的内能、功和热量1.热力学第一定律及其对理想气体等容、等压、等温及绝热四种准静态过程的应用1.气体的摩尔热容1.循环、卡诺循环、热机效率1.热力学第二定律的两种表述2.热力学第二定律两种表述的等价性3.可逆和不可逆过程3.卡诺定理3.热力学第二定律的统计意义3.熵3*.,第四部分 机械振动,谐振动动力学方程和运动学方程1.频率、圆频率、周期、振幅和相位1.谐振动的旋转矢量法1.谐振动的能量1.同方向同频率谐振动的合成1.同方向不同频率谐振动的合成3.相互垂直方向谐振动的合成3.阻尼振动和受迫振动简介*、两自由度线性振动简介*,第五部分 波与波动光学,1.机械波弹性媒质中波的产生和传播3.纵波和横波3.波速、波频与波长的关系1.平面简谐波方程1.机械波的能量、能流和能流密度2.惠更斯原理3.波的反射和折射2.波的衍射3.波的叠加原理2.相干波及干涉1.驻波2.驻波与行波的区别3.多普勒效应3.,2.电磁波电磁波的基本性质3.电磁波的能量、能流和能流密度*.3.波动光学光的干涉 光的单色性和相干性3.相干光的获得2.杨氏双缝干涉1.洛埃镜3.半波损失2.光程1.等厚干涉（劈尖、牛顿环）1.等倾干涉3.迈克耳孙干涉仪2.,光的衍射 惠更斯菲涅耳原理3.单缝衍射2.衍射光栅1.光栅光谱3.光学仪器的分辨本领3.X射线衍射*光的偏振 天然光和线偏振光2.布儒斯特定律2.马吕斯定律2.单轴晶体中光的双折射3.线偏振光的产生和检验3.偏振光的干涉*人工双折射*旋光效应*,第六部分 近代物理基础,热辐射、黑体辐射、斯特藩玻耳兹曼定律、维恩位移定律3.普朗克假设3.光电效应与爱因斯坦光子理论2.康普顿效应及光子理论解释2.光的波粒二象性2.氢原子光谱的实验规律2.玻尔氢原子理论2.玻尔理论的意义和局限性3.,德布罗意关系2.电子衍射实验3.实物粒子的波粒二象性2.不确定(度)关系3.波函数及其统计解释2.一维定态薛定谔方程3.一维无限深方势阱3.一维谐振子3.势垒及隧道效应3.,氢原子*.能量量子化、角动量量子化与空间量子化3.微观粒子的自旋3.斯特恩革拉赫实验3.原子中电子运动的四个量子数及其意义3.泡利不相容原理和能量最低原理3.原子的电子壳层结构3.,第七部分 现代工程技术物理基础及现代物理专题,1.激光自发辐射、受激辐射和受激吸收3.玻耳兹曼分布与粒子数反转3.光放大3.谐振腔3.激光特性及主要应用3.2.固体固体能带的形成3.用能带区分导体、半导体和绝缘体3.本征半导体、n-型半导体和p-型半导体3.,大学物理课程,第二学期复习第5章 气体动理论第6章 热力学基础第12章 机械振动第13章 机械波第15章 波动光学第16章 近代物理基础,第5章小结,1.理想气体状态方程,2.理想气体压强公式,3.温度的统计意义,4.能量均分定理,5.理想气体的内能,6.麦克斯韦速率分布函数,(1)最概然速率,7.三种特征速率,(2)平均速率,(3)方均根速率,6.玻耳兹曼能量分布律,(1)分子数密度按势能分布,(2)分子数密度按高度分布,(3)等温气压公式,7.气体分子平均碰撞频率及平均自由程,气体模型总结,第6章小结,1.功、热量、内能,2.热力学第一定律,(1)准静态过程的功,(2)热量、内能,(3)内能变化,功和热量是过程量，内能是状态量。,对微小的变化过程,3.摩尔热容,定体摩尔热容,定压摩尔热容,迈耶公式,比热容比,4.循环过程,热机效率,卡诺热机效率,致冷系数,卡诺致冷系数,5.热力学第二定律,克劳修斯表述:不可能使热量从低温物体传向高温物体而不引起其他变化，及热传递过程是不可逆的。,开尔文表述:不可能从单一热源吸取热量，使它完全变为有用功而不引起其他变化，即功热转化是不可逆的。,热力学第二定律的统计意义：自发宏观过程总是沿着系统热力学概率增大的方向进行，或者说自发宏观过程是沿着热运动更无序的方向进行的。,6.熵,玻耳兹曼熵,熵增加原理：,可逆过程,不可逆过程,对于孤立系统的任意过程，熵永不减少。,第12章小结,1.简谐振动方程,2.简谐振动的相位,(t+)是 相位，决定 t 时刻简谐振动的运动状态.,3.简谐振动的运动微分方程,4.由初始条件振幅和初相位,5.弹簧振子的能量,动能：,势能：,总机械能：,平均能量：,6.谐振动的旋转矢量表示,o,x,7.简谐谐振动的合成,(1)同方向同频率谐振动的合成,合振动仍为简谐振动，和振动的振幅取决于两个分振动的振幅及相差，即,(2)同方向不同频率谐振动的合成,当两个分振动的频率相差较小时，产生拍的现象，拍频为,(3)相互垂直的两个谐振动的合成,若两个分振动的频率相同，则合振动的轨迹一般为椭圆；若两个分振动的频率为简单整数比，则合振动的轨迹为李萨如图形。,第13章小结,1.机械波的产生和传播,(1)机械波的产生条件：波源，弹性介质。,(2)机械波是机械振动在弹性介质中的传播，是振动状态的传播，沿波传播方向介质中各质点的相位依次落后.,(3)波长、周期、频率、角波数和波速.,波长(l):同一波线上相位差为 2 的质点之间的距离；即波源作一次完全振动，波前进的距离。,周期(T):波前进一个波长距离所需的时间。,频率(T):单位时间内，波前进距离中完整波的数目。,角波数(k):2距离中完整波的数目。,波速(u):振动状态在媒质中的传播速度。,波速与波长、周期(或频率）的关系为:或,2.一维简谐波的波函数,其中，x 前的号由波的传播方向确定.波沿 x 正方向传播，取负号；波沿 x 负方向传播，取正号.,3.惠更斯原理,行进中的波面上任意一点都 可看作是新的子波源；所有子波源各自向外发出许多子波；各个子波所形成的包络面，就是原波面在一定时间内所传播到的新波面。,4.波的干涉,频率相同、振动方向相同、相位差恒定的两列（或多列）波叠加时，其合振动的振幅 A 或合强度 I 将在空间形成一种稳定的分布.,当,干涉加强,干涉相消,5.波的能量,(1)平均能量密度:,(2)波的强度：,6.驻波,两列等振幅相干波相向传播时叠加形成驻波.,驻波的波函数：,7.多普勒效应,机械波的多普勒效应:,式中，u 和vs 分别为观察者、波源相对于介质的运动速度，相向运动为正，远离运动为负。,第15章小结,1.光是电磁波,(1)电磁波是横波,(2)电磁波的传播速度,(3)电磁波的能量,坡印亭矢量,电磁波的强度,(若，),(若，),2.光波的叠加,(1)两光波在空间一点P 叠加的光强为,干涉项,(2)相干叠加,两相干光在空间一点P 相遇时，P点的光强为,当 时，光强最大，为,当 时，光强最小，为,(3)非相干叠加,两非相干光在空间一点P 相遇时，P点的光强为,3.杨氏双缝干涉,利用分波前法获得相干光产生的干涉，其干涉条纹是等间距的明暗相间的直条纹，相邻明(暗)条纹的间距为,4.两相干光波到达空间一点P 的光程差与相位差,5.薄膜干涉,利用分振幅法获得相干光产生干涉，两相干光的光程差为,或,或,当 时，干涉相长；当 时，干涉相消。,6.惠更斯菲涅耳原理,波面上的各面元都可看作是相干的次波波源。它们发出的次波在空间各点相遇时，其各点的强度分布是所有次波相干叠加的结果。,7.单缝夫琅禾费衍射,(1)暗纹条件,(2)明纹条件,(3)单缝夫琅禾费衍射的光强公式,8.光学仪器的最小分辨角和分辨本领,最小分辨角,;分辨本领,9.光栅衍射,(1)光栅方程,(2)暗纹条件,(3)缺级公式,其中,k是缺级主极大的级次,k是单缝衍射暗纹的级数。,mkN,(4)光栅衍射的光强公式,10.X射线的衍射,其中，j为入射X 射线与介质表面之间的夹角(掠射角)。,11.马吕斯定律,12.布儒斯特定律,13.波晶片,光轴平行于晶面的单轴晶片称作波晶片。当一束单色线偏振光垂直入射波晶片时，通过波晶片的o光和e光的光程差和相位差为,第16章小结,斯特藩玻耳兹曼定律：,维恩位移定律：,1.黑体辐射,辐射公式：,光电效应方程：,红限频率：,3.光电效应,遏止电压和光电子的最大初动能关系：,能量子：,2.普朗克量子假设和辐射公式,4.光的波粒二象性(爱因斯坦光子理论）,光子的动量：,光子的能量：,5.康普顿效应,康普顿散射公式：,电子的康普顿波长：,6.氢原子光谱,波数公式：,辐射公式：,角动量量子化条件：,7.微观粒子的波粒二象性和不确定关系,德布罗意波关系式：,不确定关系：,8.薛定谔方程,定态薛定谔方程：,波函数 应满足单值、有限、连续等条件，薛定谔方程是量子力学的基本方程。,一维无限深势阱中的粒子：,9.四个量子数,主量子数：,n=0,1,2,3,副量子数(角量子数)：,磁量子数：,自旋磁量子数：,10.晶体结构的最基本特征,组成晶体的离子、原子或分子按照一定的方式不断作周期性重复排列,构成长程有序。,四个量子数是描述原子中核外电子状态的参数。,11.固体能带结构,N个相同原子组成晶体时，晶体中每个原子原有的每一能级都分裂为N个密集能级，形成能带。,满带：填满电子的能带，满带电子不参与导电；,12.绝缘体、导体和半导体,绝缘体的价带是满带，且价带与空带之间有较宽的禁带。,导体的价带不满或价带和空带重迭或相接。,半导体的价带是满带，但价带与空带之间的禁带宽度较小(约1eV或更小)。,能带与能带之间既可能以禁带相隔，也可能相接或重迭。,导带：部分填充电子的能带，导带中的电子参与导电；,空带：没有电子的能带；,价带：由价电子能级分裂而形成的能带，价带可以是满带 或导带。,13.半导体,n 型半导体：参与导电的载流子主要是从施主能级跃迁 到导带中去的电子。,p 型半导体：参与导电的载流子主要是满带中产生的空穴。,14.激光器的基本组成：,16.激光的纵模数,激光的三个主要特性为：高定向性、高单色性、高亮度。,本征半导体：没有杂质和缺陷的理想半导体。参与导电的 电子和空穴数目相等。,17.激光特性,激光工作物质、激励能源和谐振腔。,15.实现激光的两个必要条件,介质内部实现粒子数反转和满足阈值条件。,补充例题,例1 用波长为 的单色光照射狭缝，得到单缝的夫琅禾费衍射图，第三及暗纹位于屏上P处，问（1）若将狭缝宽度缩减一半，那么P处是明纹还是暗纹？（2）若用波长为1.5 的单色光照射狭缝，P处是明纹还是暗纹?,解：根据已知条件，屏上P处出现第三及暗纹，所以，对于位于P位置，狭缝处的波面可以分成6个半波带。（1）若将狭缝宽度缩减一半，对于P位置，狭缝处波面可分成3个半波带，那么在P处出现第一级明纹。（2）若改用波长为1.5 的单色光照射狭缝，狭缝波面可以划分的半波带数是原来的1.5分之一，则P位置对应的半波带数是4，所以，P处出现第二级暗纹。,作业1)16.17,16.33,16.34,16.442)15.9,15.17,15.20,15.23,15.26,