大学物理 （下）
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第五章 气体动理论和热力学
5-1 平衡态 理想气体物态方程 热力学第零定律
一 气体的物态参量
体积单位是立方米,符号是, 但是一般会用升(L), 1= L
压强单位是帕斯卡,符号为Pa, 1Pa=.
热力学温度符号为T,单位为开尔文,单位符号为K.
摄氏温度符号为t,单位为摄氏度,符号为
二 理想气体物态方程
三 热力学第零定律
如果物体A和B分别与处于确定状态的物体C处于热平衡状态,那么A和B之间也就处于热平衡.这就是热力学第零定律.又叫热平衡定律，它揭示出A、B、C三个处于热平衡中的物体具有相同的宏观性质，这个共同的宏观性质就是温度.所以它也是建立温度概念的基本定律.
5-3 理想气体的压强公式 平均平动动能与温度的关系
一 压强公式
二 平均平动动能与温度关系
5-4 能量均分定理 内能
一 自由度
在气体动理论中,分子能量中含有速度(包括角速度)二次方项的数目叫做分子的自由度.
单分子自由度为3,刚性双原子分子自由度为5
二 能量均分定理
依照玻耳兹曼统计可以得到:气体处于平衡态时，分子任何一个自由度的平均能量都等,均为kT/2.这就是能量按自由度均分定理，或简称能量均分定理,由能量均分定理，可以方便地求得自由度为的分子的平均能量为.
三 理想气体的内能
1 mol理想气体的内能为
1 mol理想气体的内能也可写成
由于我们讨论的是分子数目是摩尔数量级 ,因此我们经常用到的是, mol的理想气体内能为
5-5 热力学第一定律
一 功 热量和内能
功
热量
我们把系统与外界之间由于温度差而传递的能量叫做热量.
内能
内能是只跟初始和最终温度有关,跟过程无关,,因此不需要像功一样偏导或者积分.
二 热力学第一定律
上式表明，系统从外界吸收的热量，一部分使系统的内能增加，另一部分使系统对外界做功，这就是热力学第一定律.
它的微分表达式为
积分可得
5-6 理想气体等值过程和绝热过程
一 等体过程 摩尔定容热容
由于体积 保持不变,因此,气体对外不做功,由热力学第一定律的
设有理想气体在等体过程中所吸收的热量为,气体温度由T升高到,则气体的热容为
则 ,所以, 在第四节我们知道对于1mol的理想气体,
所以
二 等压过程 摩尔定压热容
等压过程中,气体压强保持不变,因此元功可以用来求得,同时我们可以带入热力学第一定律
求积分可得
我们定义1mol理想气体的热容为吸收的热量dQ和其升高的温度dT的比值
将代入得
对于1mol气体而言,由,由于R是常数等压条件下P是常数两边取微分可得,所以上式为
由于,所以
与的比值等于
三 等温过程
等温过程中温度保持不变,即,由于可知,由热力学第一定律可知
设气体由变为,气体做的功为
由气体物态方程,上式为
由于气体物态方程,上式也可以写成
四 绝热过程
在气体状态发生变化时,与外界没有能量传递的过程叫做绝热过程.即
由热力学第一定律得
则
绝热过程符合方程
为绝热方程
5-7 循环过程 热力学第二定律
二 热机和制冷机
热机效率为
W为对外做的功,它等于吸收的热量减去放出的热量
制冷机制冷系数为
三 卡诺循环
为了找到热机效率的理论极限,法国工程师提出了卡诺循环,如图所示,卡诺循环由AB,CD两个等温过程,和BC,DA两个绝热过程组成.
卡诺热机效率为
根据绝热方程和理想气体物态方程可得
则卡诺热机效率为
四 热力学第二定律
不可能制造出这样一-种循环工作的热机，它只使单一热源冷却来做功，而不放出热量给其他物体，或者说不使外界发生任何变化这个规律就是热力学第二定律的开尔文说法.
热量不可能从低温物体自动传到高温物体而不引起外界的变化.这就是热力学第二定律的克劳修斯说法.
第六章 静电场
6-1 电场强度
一 电荷
二 库伦定律
两个点电荷和，由电荷指向电荷的矢量用表示，那么，电荷受到电荷的作用力为
其中
三 电场强度
电场叠加原理
点电荷系所激发的电场中某点处的电场强度等于各个点电荷单独存在时对该点所激起的电场强度的矢量和.这就是电场强度的叠加原理，其数学表达式为
连续分布的电荷系电场强度
对于带电体,面带电体,线带电体
6-2 高斯定理
一 电场线
电场线定义:
电场线每一点的电场强度的方向沿着该点的切线
-
电场线密度表示电场强度大小
二 电场强度通量
我们把通过电场中某一个面的电场线数叫做通过这个面的电场强度通量,用符号 表示.
如果曲面是闭合曲面,则公式中曲面积分换成闭合曲面积分,
一般来说，通过闭合曲面的电场线，有些是“穿进”的，有些是“穿出”的，这也就是说，通过曲面上各个面积元的电场强度通量有正、有负，为此规定:曲面上某点的法线矢量的方向是垂直指向曲面外侧的.依照这个规定，如图所示，在曲面的A处，电场线从外穿进曲面里，θ>90°， 所以为负;在B处，电场线从曲面里向外穿出，θ<90°，所以为正;而在C处，电场线与曲面相切，θ=90°，所以为零.
三 高斯定理
电荷在闭合曲面里,电场线可以只有穿出,如果电荷都在闭合曲面外面,有进有出,通量为零.
对于点电荷系激发的电场
6-3 静电场的环路定理 电势
一 静电场力所做的功
根据功的公式可知,电场力做功与路径无关,只跟路径的起点和终点的位置有关.
二 静电场的环路定理
由于电场力做功只跟路径的起点和终点位置有关,因此电场前度沿闭合路径的积分为零.这叫做静电场的环路定理.
6-5 电容
一 电容器及其电容
两个能够带有等值异号电荷的导体以及它们之间的电介质所组成的系统，叫做电容器.导体称为极板或电极.当两极板A、B之，间的电势差为U时，两极板所带的电荷分别为+Q和-Q.电容器极板上电荷Q与两极板间的电势差U的比值，定义为电容器的电容C，即
二 电容器的并联和串联
电容器并联
电容器串联
三 能量密度
电能大小为
第七章 恒定磁场和电磁感应
7-1 恒定电流 电流密度 电动势
一 电流
电流I等于通过截面S的电荷随时间的变化率.单位为安培,符号为A,
二 电流密度
为了细致地描述导体内各点电流分布的情况，引人一个新的物理量一电流密度矢量j，电流密度的方向和大小规定如下:导体中任意一点电流密度j的方向为该点正电荷的运动方向; j的大小等于在单位时间内，通过该点附近垂直于正电荷运动方向的单位面积的电荷.
三 电动势
为了表述不同电源转化能量的能力，人们引入了电动势这一物理量.我们定义单位正电荷绕闭合回路一周时，非静电力所做的功为电源的电动势。如以E表示非静电电场强度，W为非静电力所做的功，表示电源电动势，那么由上述电动势的定义，有
7-2 磁感强度 毕奥萨伐尔定律 磁场的高斯定理
一 磁感强度
磁感强度B的单位为特斯拉,符号为T
接近1T数量级的磁感强度会对人体产生坏的影响.医用核磁共振磁感强度在0.3-3T之间.地球表面磁场在T数量级.
二 毕奥萨伐尔定律
毕奥萨伐尔定律的表达式为
则
三 磁场的高斯定理
通过任一闭合曲面的磁通量必等于零,即
注意和电场的高斯定理区别,电场强度通量不一定为零,磁场通量必为零,这是因为磁场是无源场,磁场线有进必有出导致的.而电场线是有源场(源是电子),所以电场线可以只出不进.
磁通量 的单位为韦伯,符号为Wb
7-3 洛伦兹力 安培力
一 洛伦兹力
二 安培力
磁场对电流元作用的力，在数值上等于电流元的大小、电流元所在处的磁感强度大小以及电流元和磁感强度之间的夹角φ的正弦之乘积，这个规律叫做安培定律.用矢量式表示,即为
7-4 安培环路定理 磁导率
一 安培环路定理
上式表明，在恒定磁场中，磁感强度B沿闭合路径的线积分，等于此闭合路
径所包围的电流与真空磁导率的乘积.
在真空的稳恒磁场中，磁感强度B沿任一闭合路径的积分(即B的环流)的值，等于乘以该闭合路径所包围的各电流的代数和，即
这就是真空中磁场的环路定理,也称安培环路定理.
二 磁导率
设在真空中某点的磁感强度为，放人磁介质后因磁介质被磁化而产生
的附加磁感强度为，则该点的磁感强度B应为和的矢量和，即
| 顺磁 | 抗磁 | 铁磁 | |
|---|---|---|---|
| >1 | <1 | >>1 |
7-5 电磁感应定律
一 电磁感应定律
电磁感应定律可表述为:当穿过闭合回路所围面积的磁通量发生变化时，不论这种变化是什么原因引起的，回路中都会建立起感应电动势，且此感应电动势正比于磁通量对时间变化率的负值，即
二 楞次定律
当穿过闭合导线回路所包围面积的磁通量发生变化时,在回路中就会有感应流，此感应电流的方向总是使它自己的磁场穿过回路面积的磁通量,去抵偿引起感应电流的磁通量的改变.或者用另一种方式来表述:闭合的导线回路中所出现的感应电流,总是使它自己所激发的磁场反抗任何引发电磁感应的原因(反抗相对运动、磁场变化或线圈变形等).这个规律叫做楞次定律.
7-6 动生电动势和感生电动势
一 动生电动势
洛伦兹力导致电子集聚导体两端,产生电场力,电场力逐渐增大,直至电场力等于洛伦兹力,达到平衡
得到
因此产生电动势
即动生电动势.
二 感生电动势
变化的磁场产生感生电场,感生电场形成感生电动势.
7-7 自感和互感 磁场能量
一 自感电动势
磁通量等于
其中L为比例系数,叫做自感,与回落的形状,大小以及周围介质的磁导率有关.
得到自感电动势
二 互感电动势
M为互感,与圈的形状、大小、匝数、相对位置以及周围的磁介质的磁导率有关.
三 磁场能量
对于自感为L的线圈,当电流为I,磁场能量为
任意磁场的能量密度为
第八章 光学
8-1 几何光学简介
一 反射和折射定律 全反射
光在均匀介质中沿直线传播,而在遇到两种均匀介质的分界面时,一般会同时产生反射和折射现象,人们把返回原介质中传播的光称为反射光,把进人另一介质按另一波速沿另一方向传播的光称为折射光(Fig. 8.1).图中,分别是入射角、反射角和折射角.
实验发现入射光、反射光和折射光在一平面,同时,入射光在两种介质的分界面的法线一侧,反射光和折射光在另一侧.
光从一种均匀介质1入射到另一均匀介质2表面时,入射角等于反射角,即这就是光的反射定律.
实验还发现,入射角正弦与折射角正弦之比为一个与介质和波长有关的常数
即
这个常数称为介质2相对于介质1的相对折射率.
任一介质相对于真空的折射率,称为该介质的绝对折射率,简称折射率n,等于光在真空中的速度与在该介质中的速度,即,所以8.1式也可以写成
8.2式又可以写作
这就是光的折射定律.
根据光的折射定律, 如果,则,同时i不能大于,因此当等于时,,如果,根据8.3式将会,因此就不会有折射光,光全部被反射会的介质,这种现象叫做全反射.
二 光在平面上的反射和折射成像
1 平面的反射成像
平面镜得到一个大小不变的虚像
2 平面的折射成像
由 , ,我们可得
因此从不同位置看到的光源距离水面的高度不同.
三 光在球面上的反射、折射成像
主光轴是指球面对称轴.
我们在这讨论的都是近轴光线.
平行近轴光线反射经过焦点,折射也会经过焦点
经过焦点的入射光折射后平行于主光轴.
1 球面镜的反射成像
p为物距,p'为像距,f为焦距即,则
这就是球面镜的反射成像公式.
2 球面镜的折射成像
这就是球面镜的折射成像公式,其中分别为像方焦距和物方焦距.
横向放大率为
四 薄透镜
这是薄透镜成像公式.
横向放大率为
8-2 光的干涉
一 干涉条件
折射率n与几何路程L的乘积叫做光程 ,两个光路的光程差用 表示
当光程差满足
时,屏幕上为明纹中心,
当光程差满足
时,屏幕上为暗纹中心,
这是光程差的干涉条件
二 杨氏双缝干涉实验
双缝的距离d,双缝与屏幕之间的垂直距离为d'
对于次实验在空气中n=1,光程差
当d'远大于x时,,则
带入明纹(暗纹)中心条件,得屏幕上位置为
是各级明纹中心
是各级暗纹中心
相邻明纹(或者暗纹)之间的距离为
三 薄膜干涉
1 相位差和半波损失
相位差与光程差之间的关系
理论和实验表明,光从光疏介质入射到光密介质的反射光的相位与入射光相位差,带入上式可得光程差为半个波长,因此称为半波损失.
2 薄膜干涉的光程差
薄膜干涉的光程差为
当光垂直入射到薄膜是,即入射角时,
四 劈尖
劈尖厚度为d,折射率为n,则劈尖上下表面反射光的光程差为
带入干涉条件可得相邻明纹(暗纹)的劈尖厚度差
式中为光在折射率为n的介质中的波长
五 牛顿环
光波波长为,在厚度为d处,两相干波的光程差为
干涉条纹半径为r
由图可得
当,可以略去,并将牛顿环光程差的公式带入得
由干涉条件可知
明环半径为
暗环半径为 k=0,1,2,..$
8-3 光的衍射
衍射最大光程差
当最大光程差满足
为暗纹中心
当最大光程差满足
为明纹中心
这就是衍射条件
中央明纹宽度为
其他任意其他明纹宽度为
8-4 光的偏振
由于自然光在各个方向振幅都一样,因此自然光通过偏振片光强减弱一半.
若人射到检偏器_上的光强为，则检偏器射出的光强为
叫做马吕斯定律.
当入射光满足
时，反射光中就只有垂直于人射面的光振动，而没有平行于人射面的光振动.
这时反射光成为偏振光，而折射光仍为部分偏振光叫做布儒斯
特定律，叫做起偏角或布儒斯特角.
当光线进入某些晶体后，一束人射光线会有两束折射光.其中一束折射光线的方向遵从折射定律的，叫做寻常光线(或o光)，另一束折射光的方向，不遵从折射定律，且随人射光的方向而变化，在一般情况下，这束折射光不在人射面内，故叫做非常光线(或e光).实验可知，o光和e光都是偏振光.它们的光矢量振动方向不同，在大多数情况下，可以认为振动方向相互垂直.这种现象叫做双折射现象，能产生双折射现象的晶体叫做双折射晶体.