了得網研究生_大學物理學（下冊）

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可作為理工科、師範院校及各類高職院校、成人大學普通物理課程的教材，有關科技人員及廣大青年

內容簡介

《大學物理學（下冊）》以普通物理學教學大綱(非物理專業)為依據，繫統地論述了普通物理學的基本內容。《大學物理學（下冊）》分上、下兩冊。上冊包括力學、振動與波、熱學、電磁學；下冊包括光學和近代物理共六篇。《大學物理學（下冊）》內容豐富，觀點明確，注重物理思想和方法，注意啟發思維，培養能力。特別是對基本概念、基本理論、基本規律和方法的敘述嚴密、準確，重點突出，脈絡分明。尤其對定理和公式的推導、分析、應用，表述簡明、清晰；對易錯或混淆之處敘述詳細。

目錄
前言
第13章穩恆磁場 1
13.1 磁感應強度磁場的Gauss定理 1
13.1.1 磁場 2
13.1.2 磁感應強度 2
13.1.3 磁場中的Gauss定理 3
13.2 Biot-Savart定律 5
13.2.1 Biot-Savart定律 5
13.2.2 Biot-Savart定律的應用 6
13.2.3 運動電荷的磁場 10
13.3 Ampère環路定理 11
13.3.1 Ampère環路定理 11
13.3.2 Ampère環路定理的應用 12
13.4 帶電粒子在磁場中的運動 15
13.4.1 Lorentz力 15
13.4.2 帶電粒子在磁場中的運動 15
13.4.3 帶電粒子荷質比的測定 17
13.4.4 回旋加速器 18
13.4.5 Hall效應 19
13.5 磁場對載流導線的作用 21
13.5.1 Ampère定律 21
13.5.2 兩平行長直電流之間的相互作用電流的單位 23
13.6 磁場對載流線圈的作用 24
13.6.1 磁場作用於平面載流線圈的磁力矩 24
13.6.2 磁力的功 25
思考題 26
習題 27
第14章磁介質 32
14.1 磁介質順磁質和抗磁質的磁化 32
14.1.1 磁介質 32
14.1.2 順磁質和抗磁質的磁化 32
14.2 磁化強度磁介質中的Ampère環路定理 33
14.2.1 磁化強度 33
14.2.2 磁介質中的Ampère環路定理 34
14.3 鐵磁質及其應用 36
14.3.1 鐵磁質的特性 36
14.3.2 鐵磁質應用 39
思考題 39
習題 40
第15章電磁感應 42
15.1 電磁感應定律 42
15.1.1 電磁感應基本實驗 42
15.1.2 Lenz定律 43
15.1.3 Faraday電磁感應定律 43
15.2 動生電動勢與金屬電子理論 45
15.2.1 在磁場中運動的導線內的感應電動勢 45
15.2.2 動生電動勢的電子論解釋 46
15.2.3 在磁場中轉動線圈內的感應電動勢和感應電流 48
15.3 渦旋電場——感生電動勢 48
15.3.1 渦旋電場感生電動勢 48
15.3.2 電子感應加速器 49
15.3.3 渦流 50
15.4 自感與互感 51
15.4.1 自感現像和自感繫數 51
15.4.2 互感現像和互感繫數 53
15.5 磁場的能量 55
15.5.1 自感磁能 55
15.5.2 互感磁能 55
15.5.3 磁能密度 56
思考題 57
習題 57
第16章 Maxwell電磁理論 61
16.1 Maxwell方程組 61
16.1.1 位移電流 61
16.1.2 位移電流的磁場 62
16.1.3 Maxwell方程組 63
16.2 Hertz實驗 64
16.3 電磁波 64
16.3.1 平面電磁波的性質 64
16.3.2 電磁波的能量 65
16.3.3 電磁波譜 66
思考題 67
習題 67
第五篇波動光學
第17章光的干涉 71
17.1 光的相干性楊氏干涉實驗 71
17.1.1 光的相干性 71
17.1.2 楊氏干涉實驗 73
17.2 干涉條紋的可見度 76
17.2.1 干涉條紋的可見度 76
17.2.2 光源的非單色性對干涉條紋可見度的影響 77
17.2.3 時間相干性 78
17.2.4 光源的線度對干涉條紋的影響 79
17.2.5 空間相干性 80
17.3 Fresnel公式 81
17.3.1 Fresnel公式的推導 82
17.3.2 對Fresnel公式的討論 83
17.4 薄膜干涉 86
17.4.1 等傾干涉 86
17.4.2 等厚干涉 87
17.4.3 薄膜干涉的應用 88
17.5 Michelson干涉儀 90
17.5.1 Michelson干涉儀的工作原理 91
17.5.2 Michelson干涉儀干涉花樣形態 91
思考題 92
習題 92
第18章光的衍射 94
18.1 光的衍射現像 94
18.1.1 光的衍射現像 94
18.1.2 Huygens-Fresnel原理 95
18.2 單縫的Fraunhofer衍射 95
18.2.1 單縫的Fraunhofer衍射 95
18.2.2 Fresnel半波帶法 96
18.2.3 衍射花樣的形成及光強分布 97
18.2.4 衍射圖像的特點 97
18.3 圓孔的Fraunhofer衍射光學儀器的分辨本領 99
18.3.1 Fraunhofer圓孔衍射 99
18.3.2 助視光學儀器的分辨本領 100
18.4 光柵衍射衍射光譜 101
18.4.1 光柵衍射 101
18.4.2 光柵方程 102
18.4.3 光柵光譜 103
18.4.4 光柵的分辨本領 104
18.5 X射線衍射Bragg公式 105
18.5.1 X射線衍射 105
18.5.2 Bragg公式 106
18.6 全息照相原理 107
18.6.1 全息照相 107
18.6.2 全息記錄 108
18.6.3 全息再現 109
18.6.4 全息照相應用 109
思考題 110
習題 110
第19章光的偏振 112
19.1 自然光和偏振光 112
19.1.1 光的偏振 112
19.1.2 自然光 112
19.1.3 偏振光 113
19.2 偏振片的起偏和檢偏Malus定律 113
19.2.1 偏振片 113
19.2.2 偏振片的起偏和檢偏 114
19.2.3 Malus定律 114
19.3 反射光和折射光的偏振 116
19.3.1 反射光的偏振 116
19.3.2 折射光的偏振 117
19.4 雙折射現像 117
19.4.1 雙折射現像 117
19.4.2 尋常光和非常光 118
19.4.3 晶體的光軸主截面 118
19.4.4 o光和e光的相對強度 119
19.4.5 Huygens原理對雙折射現像的解釋 119
19.4.6 應用雙折射產生偏振光的儀器 120
19.5 橢圓偏振光和圓偏振光波片 122
19.5.1 橢圓偏振光和圓偏振光 122
19.5.2 橢圓偏振光和圓偏振光的獲得 122
19.5.3 波片 123
19.6 偏振光的干涉人為雙折射現像 124
19.6.1 偏振光的干涉 124
19.6.2 人為雙折射現像 124
19.7 旋光的現像 125
思考題 126
習題 127
第六篇近代物理基礎
第20章狹義相對論基礎 131
20.1 力學相對論原理和Galileo變換 131
20.1.1 力學相對性原理 131
20.1.2 經典力學的時空觀 131
20.1.3 Galileo變換 132
20.1.4 Newton運動定律的Galileo不變性 132
20.2 狹義相對論的基本原理 133
20.2.1 Michelson-Morley實驗 133
20.2.2 狹義相對論的基本原理 135
20.3 狹義相對論的時空觀 135
20.3.1 同時的相對性 135
20.3.2 時間延緩 136
20.3.3 長度收縮 138
20.4 Lorentz變換 139
20.4.1 Lorentz變換式 139
20.4.2 Lorentz速度變換式 141
20.5 狹義相對論質點動力學簡介 143
20.5.1 相對論質量和動量 143
20.5.2 相對論動能 144
20.5.3 質量與能量的關繫 145
20.5.4 動量與能量的關繫 146
思考題 147
習題 147
第21章量子物理基礎 149
21.1 熱輻射Planck公式能量子 149
21.1.1 輻射和熱輻射 149
21.1.2 Kirchhoff定律 150
21.1.3 黑體和黑體輻射的經典定律 150
21.1.4 Planck公式能量子 153
21.2 光電效應Einstein的光子理論 155
21.2.1 光電效應 155
21.2.2 光電效應的實驗規律 156
21.2.3 光電效應與經典理論的矛盾 156
21.2.4 光量子假設和Einstein光電效應方程 157
21.3 Compton效應 159
21.3.1 Compton效應的實驗規律 159
21.3.2 Compton效應的量子解釋 160
21.4 氫原子光譜Bohr的氫原子理論 162
21.4.1 氫原子光譜的實驗規律 162
21.4.2 Bohr的氫原子理論 164
21.5 微觀粒子的波粒二像性不確定關繫 169
21.5.1 光的波粒二像性 169
21.5.2 微觀粒子的波粒二像性 169
21.5.3 不確定關繫 171
21.6 Schrdinger方程 172
21.6.1 波函數及其統計解釋 172
21.6.2 Schrdinger方程 175
21.7 Schrdinger方程的應用 177
21.7.1 一維無限深勢阱中運動的粒子 177
21.7.2 線性諧振子 178
21.7.3 勢壘貫穿 180
21.7.4 氫原子的量子力學描述 183
21.8 電子自旋四個量子數 188
21.8.1 電子自旋 188
21.8.2 四個量子數 190
21.9 原子的電子層結構 190
21.9.1 Pauli原理 190
21.9.2 電子排列的殼層結構 191
21.9.3 能量*小原理 191
21.10 激光 192
21.10.1 自發發射和受激發射 192
21.10.2 粒子數反轉 193
21.10.3 諧振腔 193
21.10.4 激光器 194
21.10.5 激光的特性及其應用 194
思考題 195
習題 196
參考文獻 198
常用物理常數 199
英漢人名對照表 201

前言

序言

媒體評論

評論

在線試讀

第13章穩恆磁場
靜止電荷在其周圍的空間激發靜電場，當電荷運動時，在它周圍的空間不僅激發電場，同時還激發磁場。本章討論穩恆電流在其周圍空間激發的穩恆磁場的基本性質和遵從的基本規律。所謂穩恆磁場是指這種磁場在空間的分布不隨時間變化。
13.1 磁感應強度磁場的Gauss定理
很長一段時間，人們普遍認為電現像和磁現像是互不相關的，對它們的研究也是彼此獨立進行的，直到1820年4月，丹麥科學家H.C.Oersted發現了電流的磁效應，開始揭示出磁現像和電現像之間的聯繫。圖13-1所示為Oersted實驗，在通電直導線附近的小磁針受到作用而產生偏轉，這說明小磁針受到了電流的作用力。不久，他又發現磁鐵也可使通電導線發生偏轉，這說明磁鐵可對電流產生作用力。1820年9月，法國科學家A.M.Ampère在實驗中發現了載流導線或載流線圈之間有相互作用力，並通過實驗進一步指出兩根載流的平行直導線，在它們的電流同向時互相吸引，在電流反向時互相排斥，如圖13-2所示。
圖13-1 Oersted實驗
圖13-2 直線電流間的作用
無論是電流和磁鐵之間的作用力，還是電流和電流之間的作用力，都可以歸結為運動電荷之間的作用力。磁鐵看圖13-3分子圓電流來似乎和電流很不相像，但根據原子論觀點，磁鐵中包含永久運動著的電荷，即原子尺度上的電流，Ampère把這種電流稱為分子圓電流。如圖13-3所示，分子圓電流相當於磁體。利用Ampère分子圓電流假設不僅可以解釋物質磁性本質，還可以解釋磁鐵的N、S極不能單獨存在的原因。磁體的兩個極對應於分子圓電流的正反兩個面，顯然分子圓電流的這兩個面是不能單獨存在的。近代物理理論進一步表明，原子核外電子除繞核運動外，電子自身還具有自旋的特性。分子、原子等微觀粒子內部電子的運動就構成了等效的分子電流，因此，作用在磁鐵上的力同樣可用運動電荷之間的作用力來解釋。由此可見，一切磁現像源於電荷的運動。
圖13-3 分子圓電流
13.1.1 磁場
電流之間、磁鐵之間、磁鐵與電流之間的相互作用都可以等效為運動電荷之間的相互作用，並且這些相互作用是通過磁場來實現的，即運動電荷（電流、磁鐵）在其周圍空間激發磁場，磁場對置於其中的運動電荷（電流、磁鐵）有力的作用，反過來亦如此，這種相互作用可表示為
磁場和電場一樣，也是客觀存在的一種特殊物質，磁場物質性的重要表現有：
（1）磁場對進入其中的運動電荷（電流、磁體）有力的作用。
（2）當載流導體在磁場中運動時，磁場力將對之做功，這表明磁場具有能量。
磁場的基本性質是它對位於其中的運動電荷有磁場力的作用，與靜電場的研究方法相似，我們將從磁場對運動電荷的作用力出發，定義出描述磁場性質的物理量——磁感應強度B。
13.1.2 磁感應強度
仿照定義電場強度E時引入點電荷概念的方法，在磁場中引入運動的試探電荷，設試探電荷的電量為q，速度為v，以不同的方向進入磁場，實驗表明：
（1）磁場中存在某一特定方向，當正、負試探電荷沿著這個方向正向或逆向運動時，均不受磁場力的作用，此時電荷的速度方向和磁感應強度B的方向在同一條直線上，規定此處小磁針N極的指向為此點磁感應強度B的方向。如圖13-4（a）所示。
圖13-4 磁場作用在運動電荷+q上的力
（2）當電荷q以不同於磁場方向的速度v通過磁場中某點時，磁場作用在運動電荷上的磁場力F的大小，與試探電荷的電量q和運動速率v的乘積qv成正比，與v和B的夾角θ的正弦sinθ成正比；磁場力F的方向總是垂直於速度v與磁場方向組成的平面。改變電荷q的符號，則磁場力F的方向反向，如圖13-4（b）所示。
（3）當運動電荷的速度v垂直於磁場方向時，運動電荷所受的磁場力具有**值Fm，而Fm與乘積qv成正比。顯然，若電荷的速率v及電量q不同，Fm的值也不同，然而對磁場中某一給定點，比值Fm/qv卻是一定的，與運動電荷的qv值的大小無關，而在磁場中不同位置處比值有不同的量值，比值真實地反映了磁場的空間分布。可見，比值反映該點磁場的性質，因此，我們把這個比值定義為磁場中某點的磁感應強度B的大小，即
B=Fmqv（13-1）
實驗表明，Fm的方向既與運動電荷的速度v垂直，又與磁感應強度B的方向相垂直，即Fm的方向總是垂直於速度v和磁感應強度B所組成的平面，且三者相互垂直，如圖13-4（c）所示。
可見，對於正電荷，F、v及B方向之間的關繫遵從右手螺旋法則，由於磁場力F與速度v的方向，原則上都可通過實驗測定，於是，可由右手螺旋關繫**地確定磁感應強度B的方向。具體方法是：右手四指由磁場力F的方向經小於180°角轉向速度v的方向，則大拇指所指方向即為磁感應強度B的方向，即正電荷所決定的F×v的矢量方圖13-5B、F、v的方向關繫向，如圖13-5所示。
圖13-5 B、F、v的方向關繫
磁感應強度B是與空間位置有關的函數，如果磁場中某一區域內各點的磁感應強度B都相同，即該區域內各點B的方向一致、大小相等，則該區域內的磁場就叫均勻磁場，否則就是非均勻磁場。
在國際單位制中，力的單位是Newton（N），電量的單位是Coulomb（C），速度的單位是m s-1，磁感應強度的單位為Tesla（T），即
磁感應強度的量綱為[I-1MT-2]。某些磁場的磁感應強度的大小如表13-1所示。
表13-1 某些磁場的磁感應強度的大小
目前還在使用的CGS制中，磁感應強度的單位是Gauss（GS），它與Tesla（T）在數值上有下述關繫
由圖13-4和式（13-1）可知，若已知磁場中某點的磁感應強度B，則以速度v運動的電荷在該點受到的磁場力為
（13-2）
式（13-2）決定的結果與實驗結果完全一致。對正電荷（+q）來說，F的方向與v×B的方向相同；而負電荷（-q）的F則與v×B的方向相反。
產生磁場的運動電荷或電流可稱為磁場的源，在有若干個磁場源的情況下，它們產生的磁場服從疊加原理。以Bi表示第i個磁場源在某處產生的磁感應強度，則在該處的總磁感應強度為
13.1.3 磁場中的Gauss定理
1. 磁感應線
為了形像地描繪磁場中磁感應強度B的分布，類比電場中引入電力線的方法引入磁感應線。穩恆電流的磁場中某給定點的磁感應強度B的大小和方向都是確定的，因此，規定曲線上每一點的切線與該點的磁感應強度B的方向在一條直線上，曲線的疏密程度表示該點磁感應強度B的大小，通過垂直於B的單位面積上的磁感應線條數正比於該處B的大小。這樣，磁感應線密集處磁場強，磁感應線稀疏處磁場弱。於是磁感應線的分布就能形像而直觀地反映磁場的分布情況。磁感應線也是一種人為地畫出來的輔助曲線，並非磁場中真有這種線存在。
圖13-6 幾種不同形狀電流磁場的磁感應線
磁場中的磁感應線可借助小磁針或鐵屑顯示出來，如圖13-6所示。由載流長直導線的磁感應線圖形可以看出，磁感應線的回轉方向和電流之間的關繫遵從右手螺旋法則，即用右手握住導線，使大拇指伸直並指向電流方向，這時其他四指彎曲的方向，就是磁感應線的回轉方向。同樣，如果右手四指握向電流的流向，則伸直的大拇指的指向就是磁感應線的方向，如圖13-7所示。
圖13-7 磁感應線與電流方向的關繫
分析上述幾種典型的載流導線的磁感應線的圖形可以看出，磁感應線具有如下特性：
（1）由於磁場中每點的磁場方向具有**性，所以磁場中的磁感應線不會相交。這一特性和電力線是相同的。
（2）載流導線周圍的磁感應線都是環繞電流的閉合曲線，既無起點，也沒有終點。這一特性和靜電場中的電力線有起點也有終點明顯不同。
2. 磁通量
磁場是一種矢量場，在分析磁場的規律時，類比於電通量，引入磁通量的概念。定義通過磁場中某一曲面S的磁感應線條數叫做通過該曲面S的磁通量，用符號Φm表示。
圖13-8 磁通量
在圖13-8所示的磁場中，取一曲面S，在曲面上取dS，它所在處的磁感應強度B與法線矢量n之間的夾角為θ，則通dS的磁通量為
（13-3）
於是通過某一有限曲面S的磁通量就等於通過這dS上的磁通量的總合，即
（13-4）
在國際單位制中，磁通量的單位為Weber（Wb），1Wb=1T m2，所以1T也用1Wb m-2表示。
3. 磁場中的Gauss定理
圖13-9 穿過封閉曲面的磁通量
如果在圖13-9所示的磁場中取一閉合曲面S，規定垂直於閉合曲面向外的指向的正法線方向，這樣從閉合曲面穿出的磁通量為正，穿入閉合曲面的磁通量為負。由於任何磁場的磁感應線都是無頭無尾的閉合曲線，因此穿入閉合曲面的磁感應線數必等於穿出閉合曲面的磁感應線數，所以通過任一閉合曲面的總磁通量恆等於零，即
（13-5）
式（13-5）叫做磁場中的Gauss定理，它是表明磁場性質的重要定理之一。將靜電場的Gauss定理與磁場中的Gauss定理相比較，雖然它們在形式上相似，但兩者有著本質上的區別。通過任意閉合曲面的電場強度通量可以不為零，而通過任意閉合曲面的磁通量則必為零。兩者的差別在於靜電場中的電力線是由電荷發出的，總是源於正電荷，終止於負電荷，因此，靜電場是有源場；而磁感應線都是環繞電流的、無頭無尾的閉合曲線，因此，磁場是無源場。
13.2 Biot-Savart定律
金屬導線中的電流是由大量電子作定向運動形成的，因此，所有運動電荷在其周圍空間激發的磁場在宏觀上就歸結為載流導線在周圍空間激發的磁場。Biot-Savart定律反映了載流導線產生磁場的基本規律。一般情況下，載流導線的形狀具有任意性，因此，需要把載流導線看成由許組合而成。在載流導線上任取Idl，先求Idl在空間給定點激發的磁場dB，再根據磁場的疊加原理，則整個載流導線在磁場中某點所激發的磁感應強度B就是所在該點的dB的疊加。
13.2.1 Biot-Savart定律
圖13-10產生的磁感應強度
如圖13-10所示，在載流導線上沿電流方向取Idl在某給定點P處的磁感應強度dB的大小與Idl和sinθ的乘積成正比，[θ為Idl與r的夾角（Idl，r）]，並到點P的距離r的平方成反比，即
式中，k為比例繫數，它的大小和單位取決於磁場中的磁介質和所選用的單位制。對於真空中的磁場，在國際單位制中，規定k=μ04π，μ0為真空的磁導率，其值為。於是Biot-Savart定律在真空中的表達式為
（13-6a）
dB的方向垂直於Idl和r所組成的平面，沿著矢積Idl×r的方向，如圖13-10所示。因此激發的磁感應強度dB可用矢量式表示為
（13-6b）
有的磁場規律式（13-6），對於任意形狀的載流導線所產生的磁感應強度B，根據疊加原理，則整個載流導線在P點產生的磁感應強度B等於式（13-6b）沿載流導線的積分，即
（13-7）
Biot-Savart定律和磁場疊加原理，是計算任意電流的磁場分布的基礎，式（13-7）是二者的具體結合。但該式是一個矢量積分公式，在具體計算時，要用它的分量式。
圖13-10生產的磁感應強度
13.2.2 Biot-Savart定律的應用
由不能孤立地存在，所以式（13-6）不能通過實驗進行驗證，然而Biot-Savart定律是由大量實驗結果分析總結出來的基本定律，由該定

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