了得網自然科學_應用物理學

內容簡介

《應用物理學》是根據教育部《高等教育教學內容和課程體繫改革計劃》和教育部高等學校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（2008版）》的基本精神，並結合國內理工、農醫科物理教材改革動態和編者多年的教學實踐編寫而成的。《應用物理學》內容可分為兩部分。第一部分（第1章～第10章）為基礎內容，包括運動的描述、運動定律、振動與波、熱物理學、靜電場、穩恆磁場、電磁感應及電磁場、波動光學、狹義相對論和量子物理學等內容，這一部分內容自成體繫，可作為各理工類專業的物理課教學內容；第二部分（第11章～第20章）為應用內容，包括流體的運動、物體的彈性、直流電路、交流電路、幾何光學、光譜光度學、激光、X射線、核放射和核磁共振等內容，可作為農、林、畜牧、醫類專業的物理課教學內容。

《應用物理學》可作為各理工類專業（專科）和農、林、畜牧、醫類各專業的物理教材，也可作為一般讀者了解基礎物理理論與工程技術中的應用物理內容的參考書。

作者簡介

熊紅彥、康山林、趙寶群

前言
第1章運動的描述
1.1 運動的描述方法
1.2 質點運動的描述
1.3 曲線運動圓周運動
*1.4 相對運動
*1.5 剛體運動的描述
習題
第2章力學基本定律
2.1 牛頓運動定律
2.2 動量定理動量守恆定律
2.3 動能定理機械能守恆定律
*2.4 剛體的定軸轉動
習題前言
第1章運動的描述
1.1 運動的描述方法
1.2 質點運動的描述
1.3 曲線運動圓周運動
*1.4 相對運動
*1.5 剛體運動的描述
習題
第2章力學基本定律
2.1 牛頓運動定律
2.2 動量定理動量守恆定律
2.3 動能定理機械能守恆定律
*2.4 剛體的定軸轉動
習題
第3章機械振動和機械波
3.1 簡諧振動
3.2 簡諧振動的合成
*3.3 阻尼振動受迫振動
3.4 機械波的描述
3.5 簡諧波
3.6 波的干涉駐波
*3.7 聲波超聲波次聲波
習題
第4章熱物理學基礎
4.1 理想氣體狀態方程準靜態過程
4.2 理想氣體壓強與溫度
4.3 氣體分子能量均分原理
4.4 熱力學第一定律
4.5 熱力學第一定律對理想氣體的應用
4.6 循環過程和熱機
*4.7 熱力學第二定律
習題
第5章靜電場
5.1 電荷庫侖定律
5.2 電場電場強度
5.3 靜電場的高斯定理
5.4 靜電場的環路定理電勢
5.5 靜電場中的導體
5.6 電容
5.7 電介質
5.8 靜電場的能量
*5.9 靜電場理論應用
習題
第6章穩恆磁場
6.1 磁場磁感應強度
6.2 磁場的高斯定理安培環路定理
6.3 磁場對運動電荷的作用
6.4 磁場對載流導線的作用
*6.5 磁介質
*6.6 磁場的生物效應
習題
第7章電磁感應和電磁場
7.1 電源電動勢
7.2 電磁感應定律
7.3 動生電動勢感生電動勢
7.4 磁場能量
7.5 麥克斯韋方程組
7.6 電磁波
習題
第8章波動光學
8.1 光的干涉
8.2 光的衍射
8.3 光的偏振
習題
第9章狹義相對論
9.1 相對論基本原理
9.2 相對論的運動學效應
9.3 相對論的動力學效應
習題
第10章量子物理學基礎
10.1 黑體輻射的量子理論
10.2 光的量子理論
10.3 物質波
10.4 薛定諤方程
習題
第11章流體的運動
11.1 理想流體的流動
11.2 伯努利方程
11.3 黏性流體的運動
*11.4 黏性流體的運動規律
*11.5 血液的循環流動
習題
第12章物體的彈性
12.1 線應變與正應力
12.2 切應變與切應力
12.3 體應變與體應力
*12.4 生物材料的黏彈性
習題
第13章直流電路
13.1 電流
13.2 基爾霍夫定律
*13.3 溫差電現像
*13.4 生物膜電位
*13.5 電泳
習題
第14章交流電路
14.1 正弦交流電
14.2 正弦交流電路
14.3 交流電路的功率
習題
第15章幾何光學
15.1 幾何光學的基本規律
15.2 光的反射成像
15.3 薄透鏡
15.4 厚透鏡
*15.5 透鏡的像差
習題
第16章光譜光度學基礎
16.1 光譜學基礎
16.2 輻射度學的基本概念
16.3 光度學基礎
16.4 光度的測量
習題
第17章激光
17.1 激光基本原理
17.2 激光器結構
17.3 激光的特性
17.4 激光的應用
習題
第18章 X射線
18.1 X射線的產生
18.2 X射線的衍射
18.3 X射線的應用
習題
第19章原子核與放射性
19.1 原子核的衰變類型
19.2 原子核的衰變規律
19.3 射線與物質的作用
19.4 放射性在醫學和農學中的應用
習題
第20章核磁共振
20.1 核磁共振原理
20.2 磁共振技術的醫學應用
習題
習題答案

在線試讀

第1章運動的描述
自然界的物質都處於不停的運動之中，物質有各種不同的運動形式，包括機械運動、分子熱運動、電磁運動、原子和原子核運動等．其中機械運動是物質的各種運動形式中最簡單、最基本的運動形式，它是指物體之間（或物體內各部分之間）相對位置的變動．例如，車輛的行駛、彈簧的振動、機器的運轉、河水的流動等，都是我們日常中所觀察到的機械運動．另外，地球繞太陽的運轉、人造衛星繞地球的運轉、火箭噴出的氣體的運動等，也都是機械運動．力學是研究物體機械運動規律的學科．力學是一切工程技術的基礎理論知識，如機械制造、土木建築、水利設施、電子技術、信息技術等工程技術領域都需要用到力學知識．繫統掌握力學知識可以為進一步學習相關後續課程打下基礎．研究力學，通常是先研究運動的描述，即單純地用幾何觀點描述物體的位置如何隨時間變化而在空間的運動情況，而不涉及物體的質量和所受的力，這叫做運動學．機械運動的基本形式有平動和轉動．物體在平動過程中，物體內各點都做同樣的運動，物體上任一點的運動都可以用來代表整個物體的運動．所以物體的運動可用一個具有該物體質量的點的運動來代替．這種不計物體的形狀和大小而具有該物體全部質量的點稱為質點．本章主要介紹質點運動的描述方法．
本章主要內容為：運動的描述方法，描述運動的物理量（位置矢量、位移、速度、加速度），運動學的兩類問題，圓周運動，切向加速度，法向加速度，線量與角量的關繫，相對運動，剛體運動的描述等．
1.1運動的描述方法
為了描述物體的運動，必須選擇參考繫，建立坐標繫，提出物理模型．
1.1.1運動的絕對性和相對性
星體運動、江河奔流、車輛行駛、機器運轉等，宇宙間萬物都在永恆不停地運動著．運動是物質的存在形式，是物質的固有屬性．從這方面來講，運動是絕對的．“靜止”隻有相對的意義．這不僅僅是指哲學意義上的運動．即使對機械運動形式而言，任何物體在任何時刻都在不停地運動著．例如，火車、汽車、動物在地球上運動，即使看起來靜止不動的高山峻嶺、高樓大廈，也在晝夜不停地隨著地球一起自轉和繞太陽公轉，而太陽繫繞銀河繫中心以大約250km／s的速率運動，銀河繫也在宇宙中相對於其他星繫以大約600km／s的速率高速地運動．總之，自然界中絕對不運動的物體是不存在的，運動是永恆的．第1章運動的描述

自然界的物質都處於不停的運動之中，物質有各種不同的運動形式，包括機械運動、分子熱運動、電磁運動、原子和原子核運動等．其中機械運動是物質的各種運動形式中最簡單、最基本的運動形式，它是指物體之間（或物體內各部分之間）相對位置的變動．例如，車輛的行駛、彈簧的振動、機器的運轉、河水的流動等，都是我們日常中所觀察到的機械運動．另外，地球繞太陽的運轉、人造衛星繞地球的運轉、火箭噴出的氣體的運動等，也都是機械運動．力學是研究物體機械運動規律的學科．力學是一切工程技術的基礎理論知識，如機械制造、土木建築、水利設施、電子技術、信息技術等工程技術領域都需要用到力學知識．繫統掌握力學知識可以為進一步學習相關後續課程打下基礎．研究力學，通常是先研究運動的描述，即單純地用幾何觀點描述物體的位置如何隨時間變化而在空間的運動情況，而不涉及物體的質量和所受的力，這叫做運動學．機械運動的基本形式有平動和轉動．物體在平動過程中，物體內各點都做同樣的運動，物體上任一點的運動都可以用來代表整個物體的運動．所以物體的運動可用一個具有該物體質量的點的運動來代替．這種不計物體的形狀和大小而具有該物體全部質量的點稱為質點．本章主要介紹質點運動的描述方法．

本章主要內容為：運動的描述方法，描述運動的物理量（位置矢量、位移、速度、加速度），運動學的兩類問題，圓周運動，切向加速度，法向加速度，線量與角量的關繫，相對運動，剛體運動的描述等．

1.1運動的描述方法

為了描述物體的運動，必須選擇參考繫，建立坐標繫，提出物理模型．

1.1.1運動的絕對性和相對性

星體運動、江河奔流、車輛行駛、機器運轉等，宇宙間萬物都在永恆不停地運動著．運動是物質的存在形式，是物質的固有屬性．從這方面來講，運動是絕對的．“靜止”隻有相對的意義．這不僅僅是指哲學意義上的運動．即使對機械運動形式而言，任何物體在任何時刻都在不停地運動著．例如，火車、汽車、動物在地球上運動，即使看起來靜止不動的高山峻嶺、高樓大廈，也在晝夜不停地隨著地球一起自轉和繞太陽公轉，而太陽繫繞銀河繫中心以大約250km／s的速率運動，銀河繫也在宇宙中相對於其他星繫以大約600km／s的速率高速地運動．總之，自然界中絕對不運動的物體是不存在的，運動是永恆的．

但是，同一物體的運動，從不同的角度看可以得出完全不同的結論．例如，火車在遼闊的田野疾馳而過，站在地面鐵道邊上的人看起來，火車在高速地運動，而該火車車廂裡的乘客看來，火車車廂相對於自己沒有運動，而鐵道邊的人和樹木等都在向後退．因此，運動又具有相對性．物體的運動，都是在一定的環境和特定的條件下進行的，離開一定的環境和特定的條件談論運動是沒有任何意義的．

1.1.2參考繫

運動是絕對的，但是對運動的描述是相對的．在觀察一個物體的位置以及位置的變化時，必須先指明運動是相對於哪個參考物體而言的，即必須先選定一個物體作為基準．這個被選作參考、作為基準的物體就叫做參考繫．所選參考繫不同，對同一物體的運動的描述就不同．這就是運動描述的相對性．例如，做勻速直線運動的火車車廂中，一物體自由下落，相對於車廂，它做自由落體運動；而在地面上靜止的人看來，它做拋物線運動；而從航天飛機上來看，其運動形式更復雜．

從運動學的角度來看，參考繫的選擇是可以任意選擇的，但通常以對問題的研究方便、簡單為原則．討論地面上物體的運動時（例如研究汽車的運動），大多數情況下選地球表面（地面）為參考繫最為方便．以後如果不做特別說明，研究地面上物體的運動，都是以地面為參考繫．研究人造衛星的運動，以地球中心為參考繫最方便；研究行星的運動，則以太陽為參考繫最方便．人們常用的參考繫有：太陽參考繫（太陽恆星參考繫）、地心參考繫（地球行星參考繫）、地面參考繫（實驗室參考繫）和質心參考繫等．

1.1.3坐標繫

選定參考繫後，為了定量描述一個物體在各時刻相對於參考繫的運動規律，還需要建立適當的坐標繫，固定在被選作參考的物體上．運動物體的位置就由它在坐標繫中的坐標值確定．這個坐標繫既然與參考繫牢固地連接成一體，則物體相對於坐標繫的運動，就是相對於參考繫的運動．在力學中，通常采用直角坐標繫，也可根據需要選用平面極坐標繫、自然坐標繫、球坐標繫或柱坐標繫等．在同一個參考繫中，坐標繫可以任意選擇，但仍以對問題的研究方便、數學描述簡單為原則．

1.1.4物理模型質點

實際物體都有一定的大小、形狀，而且物體運動時，可以既有平動又有轉動和變形．例如火車的運動，除了整體沿鐵軌平移外，還有車廂的上下左右晃動，車輪的轉動等．一般，物體上各點的運動情況是不同的．任何一個真實的物體運動過程都是極其復雜的．要想對物體的實際運動情況做出全面的描述是困難的，而且也沒有必要這麼做．我們隻能分清主次，逐個解決．在科學研究中，為了研究某一過程中最本質、最基本的規律，常根據所研究問題的性質，抓住主要因素，忽略次要因素，對真實過程進行簡化，然後經過抽像，提出一個可供數學描述的理想化的物理模型．這是經常采用的一種科學思維方法．這樣做，可以使問題大為簡化但又不失其客觀真實性．

當我們研究物體在空間的位置時，如果我們隻研究物體整體的平移規律（例如火車沿鐵軌的整體平移規律，炮彈的空間軌道）；或者物體做平動時，同一時刻物體上各部分運動情況（軌跡、速度、加速度）完全相同；或者物體的線度比它運動的空間範圍小得多（地球繞太陽的公轉等），我們可以忽略那些與整體運動關繫不大的次要運動，把物體上各點的運動都看成完全一樣，這樣我們就可以不用考慮物體的形狀和大小，或者說隻考慮其平動，物體的運動就可以用一個具有該物體全部質量的、沒有形狀和大小的點的運動來代替．這種不計物體的形狀和大小而具有該物體全部質量的點稱為質點．

質點是一種理想化的物理模型，是在一定的環境和條件下對實際物體的一種科學抽像和簡化．對這樣的科學抽像，可以使所研究的問題大大簡化而不影響主要結論．能否把一個物體看做質點，不在於物體的絕對大小，而主要取決於所研究問題的性質和具體情況．例如，當研究地球繞太陽的公轉運動時，由於地球的半徑（約為6.4×106 m）遠小於地球公轉的軌道半徑（約為1.5×1011 m），故地球上各點繞太陽的運動情況可看成基本上是相同的，所以在研究地球繞太陽公轉時，可以不考慮地球的大小和形狀，可把地球當做一個質點．但當研究地球的自轉運動時，或者研究地球表面不同地點的潮汐運動規律時，就必須考慮地球的大小和形狀，不能再把它當做一個質點了．

把物體視為質點這種研究方法，在理論上和和實踐上都具有重要的意義．當我們所研究的運動的物體不能視為一個質點時，可以通過數學上的無窮分割方法，把整個物體分割成無窮多個無窮小，每一都可以看成一個質點，一個實際的物體就可以看做是由許多乃至於無窮多個質點組成的繫統，這就是質點繫的概念．當把組成這個物體的所有質點的運動情況都弄清楚了，也就描述了整個物體的運動情況．因此，研究質點的運動規律也就是研究一般物體更為復雜運動規律的基礎．

用理想模型的方法來研究問題是一種常用的科學研究方法，這種方法在物理學中經常遇到．除了質點模型，在後面我們還會遇到剛體、彈簧振子、理想氣體等許多理想化的物理模型．但應注意，任何一個理想模型都有其適用條件，在一定條件下，它能否反映客觀實際，還要通過實踐來檢驗．

總之，要描述物體的運動，我們需要：①選擇合適的參考繫，以方便確定物體的運動性質；②在參考繫上建立恰當的坐標繫，以定量描述物體的運動；③提出適當的物理模型，以確定研究對像在特定情況下的最基本的運動規律．

思考題

思1.1一個物體能否被看做質點，你認為主要由以下三個因素中的哪個因素決定：

①物體的大小和形狀；②物體的內部結構；③所研究問題的性質．思1.2一隻小螞蟻和地球，哪個可以看做質點？你將如何回答？

1.2質點運動的描述

1.2.1位置矢量運動方程軌跡

1.位置矢量

為了描述質點的運動，首先需要選擇合適的參考繫，然後在參考繫上選定坐標繫的原點和坐標軸，建立恰當的坐標繫．例如，建立圖1.1所示的三維直角坐標繫Oxyz．在任意時刻t質點相對於參考繫的位置P，可用質點所在點P的一組有序直角坐標

x，y，z來確定．質點在平面上運動時，可在該平面上建立二維直角坐標繫Oxy，質點的位置可用兩個坐標x，y來確定．如果質點做直線運動，就隻需要一個坐標就可以確定質點的位置了．當然，用坐標法確定質點的位置，不限於直角坐標繫，根據問題的不同特點，也可以選用其他坐標繫，如平面極坐標繫、球坐標繫、柱坐標繫等，這裡就不一一介紹了．質點的位置還可以用位置矢量r表示．位置矢量簡稱位矢（又稱矢徑），它是一個有向線段．在選定的參考繫上任選一固定點O，質點在任一時刻t的位置矢量r的始端位於O點，末端與質點在時刻t的位置P點相重合．位置矢量r的大小和方向完全確定了質點相對於參考繫的位置．

以位置矢量r的起點O為坐標原點，建立直角坐標繫，位置矢量r在x軸、y軸和z軸方向的投影分別為x、y和z（即質點的坐標），它們分別是位置矢量r在x軸、y軸和z軸三個坐標軸上的分量．如果取i、j和k分別表示沿x軸、y軸和z軸方向的單位矢量（即大小是一個單位的矢量），i、j和k都是大小和方向不變的常矢量．那麼，在直角坐標繫中位置矢量可以寫成

r＝xi+yj+zk（1.1）位置矢量的模（大小）為

r

＝

x2+ y2+ z2

位置矢量的方向餘弦為

cosα＝x

r

cosβ＝y

r

cosγ＝z

r其中，α、β、γ分別是位置矢量r與x軸、y軸和z軸正向之間的夾角．

2.質點的運動方程

當質點在空間運動時，它的位置矢量r以及質點的坐標都隨時間變化．因此，位置矢量r是時間t的單值連續函數．即r＝r（t）（1.2a）

在直角坐標繫中

r＝r（t）＝x（t）i+y（t）j+z（t）k（1.2b）式（1.2a）和式（1.2b）從數學上確定了在選定的參考繫中質點相對於坐標繫的位置隨時間變化的關繫，叫做質點的運動方程．運動方程也可以寫作分量式x＝x（t），y＝y（t），z＝z（t）（1.2c）知道了運動方程，就能確定任一時刻質點的位置，從而確定質點的運動．

3.軌跡方程

質點在空間的運動路徑稱為軌跡．質點的運動軌跡為直線時，稱質點做直線運動；質點的運動軌跡為曲線時，稱質點做曲線運動．從運動方程（1.2b）或方程（1.2c）中消去時間t即得質點運動的軌跡方程．軌跡方程不是時間t的顯函數．

例1.1已知一質點在Oxy平面運動，其運動方程為r（t）＝2ti+（7-4t2）j其中，各物理量的單位都采用國際單位制（SI）．求該質點的軌跡方程．解在任一時刻t，該質點的坐標值為xt＝2t，yt＝7-4t2 消去時間t後，得質點的軌跡方程y＝7-x2 這表明質點的軌跡是在Oxy平面內的一條拋物線．

思考題

思1.3一個質點在運動中，如果其位置矢量的模｜r｜為常量，則該質點的運動情況可能是以下哪種情況？①在一直線上運動；②在一平面上做任意曲線運動；③在以位矢起點為中心的球面上做任意曲線運動．

思1.4說地球同步衛星定位於赤道上空某點不動，是以什麼為參考繫的？若以地球中心為參考繫，它的運動軌跡如何？若以太陽為參考繫，它的運動軌跡又大致如何？思1.5一質點的運動方程為xt＝4cos2t，yt＝4sin2t，zt＝4t其軌跡方程如何描述？

1.2.2位移

質點運動時，其位置在空間連續變化，形成一條運動軌跡．如圖1.2所示，設一質點的運動軌跡為曲線AB，在t時刻，質點在A點，在t+Δt時刻，質點運動到了B點，在A、B兩點，質點相對於坐標原點O的位置矢量分別由rA和rB表示．質點在時間間隔Δt內，位置矢量的長度和方向都發生了變化，我們將Δt這段時間內由始點A指向終點B的有向線段AB 稱為點A到點B的位移矢量，簡稱位移．位移反映了質點位矢的變化，即在時間間隔Δt內位矢的增量，一般寫作Δr，則有

Δr＝rB-rA（1.3）位移是描述質點在時間間隔Δt內位置變動大小和方向的物理量，在圖上就是由起始位置A指向終點位置B的一個矢量．位移是一個矢量，它的運算遵從矢量運算的法則，

例如，位移的加法運算遵從平行四邊形法則（或三角形法則）．位移和位矢不同，位矢反映某一時刻質點的位置．

圖1.3位移的大小

位移的模，即位移的大小，是由始點A指向終點B的有向直線段AB 的長度，它被記為｜Δr｜，｜Δr｜＝｜rB-rA｜，即圖1.3中的AB 直線段的長度．注意，位移的大小不能寫成Δr．Δr表示位矢的模的增量，即Δr＝｜rB｜-｜rA｜，通常情況下｜Δr｜≠Δr．例如，一質點做半徑為R的勻速圓周運動，以圓心為原點，半個周期內，質點位移的大小為｜Δr｜＝2R，而位矢的模的增量Δr＝R-R＝0．

請注意：大小和方向隨時間變化的任一矢量A（不僅是位矢，也可以是以後即將介紹的速度矢量、加速度矢量等）在某段時間Δt內增量的大小｜ΔA｜與同一時間內該矢量大小的增量ΔA＝Δ｜A｜，一般來說不相等．

必須注意，位移表示在Δt時間間隔內位置的變動，它是一個矢量，有大小，有方向．位移不涉及質點位置變化過程的細節．例如在圖1.2中，位移是有向線段AB ，位移的方向為：由始點A指向終點B的方向；位移的大小（位移的模）是割線AB的長度，是A到B的直線距離，但這並不意味著質點一定是從A點沿直線AB 運動到B點．位移並非質點所經歷的路程．質點在Δt時間間隔內從A點沿曲線AB運動到B點所經歷的實際路徑的長度，即弧線AB的長度，稱為質點在該段時間內的路程．路程通常記做Δs．路程是標量，所以不能說位移等於或不等於路程，因為一個矢量和一個標量談不上比較其是否相等的問題．但一個矢量的模（大小）可以和一個相同單位的標量比較大小，所以位移的大小和路程可以比較，但一般來講位移的大小不等於路程，即｜Δr｜≠Δs．例如，當質點經歷一個任意閉合路徑回到起始位置時，其位移為零，而路程則不為零．然而，在Δt趨近於零時，有｜dr｜＝ds．

在直角坐標繫中，質點在A、B兩點的位置矢量可分別表示為

rA ＝ xA i + yA j + zA k

於是，位移可以寫成rB ＝ xB i + yB j + zB k

Δr＝rB-rA＝（xB-xA）i+（yB-yA）j+（zB-zA）k＝Δxi+Δyj+Δzk

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