大學(xué)物理下(蘇萬(wàn)鈞)gfzy課件

大學(xué)物理下(蘇萬(wàn)鈞)課件簡(jiǎn)介本課件是由著名物理學(xué)家蘇萬(wàn)鈞教授編寫的大學(xué)物理下學(xué)期課程資料。涵蓋了力學(xué)、電磁學(xué)、光學(xué)等多個(gè)重要物理領(lǐng)域,為學(xué)生們提供了全面和深入的學(xué)習(xí)材料。第一章電學(xué)基礎(chǔ)這一章將深入探討電學(xué)的基礎(chǔ)知識(shí),涵蓋從電荷、靜電場(chǎng)、電勢(shì)到電流和電路等關(guān)鍵概念。學(xué)習(xí)電學(xué)基礎(chǔ)對(duì)于理解更復(fù)雜的電磁現(xiàn)象和廣泛應(yīng)用至關(guān)重要。電荷電荷的發(fā)現(xiàn)靜電現(xiàn)象最早由古希臘科學(xué)家發(fā)現(xiàn),后來(lái)通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明了電荷的存在,并發(fā)現(xiàn)了正負(fù)電荷的概念。電荷的基本單位電荷的基本單位是電子,而電荷有正負(fù)兩種,分別對(duì)應(yīng)于質(zhì)子和電子。靜電現(xiàn)象摩擦或接觸會(huì)產(chǎn)生靜電現(xiàn)象,兩種不同性質(zhì)的物體接觸后分離會(huì)產(chǎn)生靜電荷。靜電場(chǎng)靜電場(chǎng)線靜電場(chǎng)線是一個(gè)描述靜電場(chǎng)的重要圖像。它們表示電場(chǎng)力的強(qiáng)度和方向,幫助我們理解靜電場(chǎng)的性質(zhì)。電荷與靜電場(chǎng)靜電場(chǎng)由帶電粒子產(chǎn)生,電荷在靜電場(chǎng)中會(huì)產(chǎn)生電場(chǎng)力。電荷的性質(zhì)和數(shù)量決定了靜電場(chǎng)的強(qiáng)度和分布。靜電場(chǎng)強(qiáng)度靜電場(chǎng)強(qiáng)度是指單位電荷在靜電場(chǎng)中受到的電場(chǎng)力的大小。它描述了靜電場(chǎng)的強(qiáng)弱程度,是理解靜電現(xiàn)象的關(guān)鍵概念。靜電場(chǎng)強(qiáng)度定義靜電場(chǎng)強(qiáng)度是物體在靜電場(chǎng)中單位正電荷所受到的電力作用,用來(lái)描述靜電場(chǎng)的強(qiáng)弱。計(jì)算公式靜電場(chǎng)強(qiáng)度等于點(diǎn)電荷產(chǎn)生的電力作用力除以單位正電荷。方向靜電場(chǎng)強(qiáng)度的方向與電力作用力的方向相同,指向電場(chǎng)中正電荷的運(yùn)動(dòng)方向。單位靜電場(chǎng)強(qiáng)度的單位是牛頓/庫(kù)侖(N/C)。高斯定理定義高斯定理描述了靜電場(chǎng)中任意閉合曲面內(nèi)電通量與其內(nèi)電荷總量之間的關(guān)系。應(yīng)用高斯定理可簡(jiǎn)化計(jì)算靜電場(chǎng)強(qiáng)度,尤其適用于具有高度對(duì)稱性的電荷分布。特點(diǎn)高斯定理利用微分形式的高斯定理,可推導(dǎo)出麥克斯韋方程組中的高斯定律。意義高斯定理在電磁學(xué)中具有廣泛應(yīng)用,是理解電場(chǎng)和磁場(chǎng)的重要工具。電勢(shì)與電勢(shì)能1電勢(shì)概念電勢(shì)描述了一個(gè)點(diǎn)在靜電場(chǎng)中的電位能狀態(tài),單位為伏特(V)。2電勢(shì)能計(jì)算電勢(shì)能等于在靜電場(chǎng)中移動(dòng)電荷所做的功,可用電勢(shì)差和電荷量計(jì)算。3電勢(shì)的應(yīng)用電勢(shì)概念廣泛應(yīng)用于電路分析、靜電場(chǎng)分析等,是靜電場(chǎng)的重要特征。4電勢(shì)等勢(shì)面靜電場(chǎng)中相同電勢(shì)的點(diǎn)構(gòu)成等勢(shì)面,等勢(shì)面垂直于電場(chǎng)線。電容與電容器電容器的概念電容器是由兩個(gè)導(dǎo)體之間隔有絕緣介質(zhì)而組成的電路元件。它具有存儲(chǔ)電荷和儲(chǔ)存電能的作用。電容量的定義電容量是描述電容器存儲(chǔ)電荷能力的量度,用符號(hào)C表示,單位為法拉(F)。平板電容器平板電容器是最簡(jiǎn)單的電容器結(jié)構(gòu),由兩個(gè)平行的導(dǎo)電板和夾在中間的絕緣介質(zhì)組成。電流與電路1電流的定義電流是指單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)某一截面的電荷量。它反映了電路中電荷的運(yùn)動(dòng)速度。2直流電與交流電直流電流的方向和大小保持不變,而交流電流的方向和大小隨時(shí)間周期性變化。3電路的分類電路可分為串聯(lián)電路和并聯(lián)電路,這決定了電路中各部分電壓和電流的關(guān)系。4電路元件電流通過(guò)的基本電路元件有電阻、電容和電感,它們決定了電路的電學(xué)特性。電阻與電阻器電阻電阻是電路中用于限制電流的元件,可以是固定電阻或可變電阻。電阻值的大小決定了電流的大小。電阻器電阻器是由高電阻材料制成的元件,其主要特性是電阻值。常用電阻器包括碳膜電阻、金屬膜電阻等。應(yīng)用電阻器在電路中廣泛應(yīng)用,用于電壓分壓、電流限制、保護(hù)電路等,是電子電路中不可缺少的重要元件。歐姆定律定義歐姆定律描述了電流和電壓之間的關(guān)系,即電流與電壓成正比,電阻保持不變。這是電路分析的基礎(chǔ)之一。應(yīng)用歐姆定律廣泛應(yīng)用于各種電路分析,例如確定電流大小、計(jì)算功率、設(shè)計(jì)電源等。這是理解電學(xué)的關(guān)鍵定律。數(shù)學(xué)表達(dá)歐姆定律可以用公式I=V/R來(lái)表示,其中I為電流,V為電壓,R為電阻。這個(gè)簡(jiǎn)單的關(guān)系式揭示了電路的基本規(guī)律。局限性但歐姆定律僅適用于某些簡(jiǎn)單電路,對(duì)于更復(fù)雜的電路,如非線性元件、高頻電路等,需要更精細(xì)的電路分析方法。電功和電功率電功電功是通過(guò)電路中電流傳遞的能量。它能夠被轉(zhuǎn)換成其他形式的能量,如熱能、光能或機(jī)械能。電功的大小由電壓、電流和時(shí)間決定。電功率電功率是單位時(shí)間內(nèi)轉(zhuǎn)換的電功。它描述了電能轉(zhuǎn)換的速度。電功率越大,電功轉(zhuǎn)換得越快。電功率由電壓和電流的乘積決定。電功率應(yīng)用電功率在日常生活中廣泛應(yīng)用,為我們提供照明、加熱和驅(qū)動(dòng)機(jī)械等功能。合理控制和管理電功率是提高能源利用效率的關(guān)鍵。磁學(xué)基礎(chǔ)探討磁場(chǎng)、磁性材料及電磁感應(yīng)的物理規(guī)律,為后續(xù)電磁波理論奠定基礎(chǔ)。磁場(chǎng)和磁感應(yīng)強(qiáng)度磁場(chǎng)的定義磁場(chǎng)是一種由磁性物質(zhì)產(chǎn)生的物理場(chǎng),描述了空間中磁性力的分布情況。磁場(chǎng)能夠?qū)Ψ旁谄渲械拇判晕镔|(zhì)產(chǎn)生力的作用。磁感應(yīng)強(qiáng)度的定義磁感應(yīng)強(qiáng)度是磁場(chǎng)的一個(gè)重要物理量,它描述了磁場(chǎng)在某一點(diǎn)產(chǎn)生的磁性力的大小和方向。磁感應(yīng)強(qiáng)度的大小決定了磁性物質(zhì)受到的磁力。磁場(chǎng)線的可視化通過(guò)繪制磁場(chǎng)線,我們可以直觀地觀察到磁場(chǎng)的方向和強(qiáng)度分布。磁場(chǎng)線的密集程度反映了磁感應(yīng)強(qiáng)度的大小。電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)磁場(chǎng)的產(chǎn)生電流通過(guò)導(dǎo)體時(shí)會(huì)產(chǎn)生磁場(chǎng),磁場(chǎng)的方向由"右手定則"確定。磁場(chǎng)強(qiáng)度磁場(chǎng)強(qiáng)度與電流大小成正比,與距離平方成反比。磁感應(yīng)線磁感應(yīng)線環(huán)繞導(dǎo)體呈同心圓形,反映了磁場(chǎng)的空間分布。應(yīng)用電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)廣泛應(yīng)用于電動(dòng)機(jī)、變壓器、電磁鐵等電磁裝置。磁感應(yīng)定律磁場(chǎng)變化變化的磁場(chǎng)會(huì)在導(dǎo)體中產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)。這就是磁感應(yīng)定律的核心內(nèi)容。感應(yīng)電流感應(yīng)電流的大小和方向都由磁場(chǎng)變化的大小和方向決定。法拉第電磁感應(yīng)定律感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)等于磁通量變化率的負(fù)值。這就是法拉第電磁感應(yīng)定律。磁性材料分類豐富磁性材料包括鐵磁性、反鐵磁性、亞鐵磁性等不同種類。每種材料都有獨(dú)特的磁性特性。廣泛應(yīng)用磁性材料被廣泛應(yīng)用于電機(jī)、變壓器、磁記錄、醫(yī)療診斷等領(lǐng)域。它們?cè)诂F(xiàn)代社會(huì)中扮演著重要角色。性能可控通過(guò)合理的制備和處理,磁性材料的性能可以得到有效控制和調(diào)節(jié)。這為其應(yīng)用提供了靈活性。發(fā)展前景廣闊隨著科技的不斷進(jìn)步,新型磁性材料的開發(fā)和應(yīng)用前景廣闊,為未來(lái)發(fā)展帶來(lái)無(wú)限可能。電磁感應(yīng)定律法拉第電磁感應(yīng)定律法拉第發(fā)現(xiàn)當(dāng)磁場(chǎng)變化時(shí)會(huì)在導(dǎo)體中產(chǎn)生感應(yīng)電流,這就是著名的電磁感應(yīng)定律。感應(yīng)電流的大小和方向由磁場(chǎng)變化的速度和方向決定。感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)產(chǎn)生當(dāng)電磁場(chǎng)發(fā)生變化時(shí),會(huì)在導(dǎo)體中產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì),這是電磁感應(yīng)的基本現(xiàn)象。感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的大小與磁通量的變化率成正比。應(yīng)用場(chǎng)景電磁感應(yīng)廣泛應(yīng)用于各種發(fā)電機(jī)、變壓器和電動(dòng)機(jī)等電磁裝置,也是無(wú)線電通信和電磁感應(yīng)加熱技術(shù)的基礎(chǔ)。法拉第電磁感應(yīng)定律基本原理電磁感應(yīng)定律描述了電磁感應(yīng)現(xiàn)象的物理規(guī)律。當(dāng)磁通量隨時(shí)間變化時(shí),就會(huì)在電路中產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。這個(gè)過(guò)程就是電磁感應(yīng)。數(shù)學(xué)表達(dá)法拉第電磁感應(yīng)定律用數(shù)學(xué)公式表示為：感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)等于磁通量變化率的負(fù)值。這個(gè)定律為很多電磁設(shè)備的工作原理提供了理論基礎(chǔ)。應(yīng)用實(shí)例根據(jù)電磁感應(yīng)原理設(shè)計(jì)的發(fā)電機(jī)廣泛應(yīng)用于發(fā)電系統(tǒng),可以將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能。這種轉(zhuǎn)化過(guò)程就遵循法拉第電磁感應(yīng)定律。自感應(yīng)和互感應(yīng)1自感應(yīng)當(dāng)電流在一個(gè)線圈或電磁體中改變時(shí),會(huì)在該裝置內(nèi)部產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì),這種現(xiàn)象就稱為自感應(yīng)。它是電磁感應(yīng)的一種特殊形式。2互感應(yīng)當(dāng)一個(gè)線圈中的電流改變時(shí),會(huì)在另一個(gè)靠近的線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì),這種現(xiàn)象稱為互感應(yīng)。它是電磁感應(yīng)的另一種形式。3應(yīng)用自感應(yīng)和互感應(yīng)在變壓器、自動(dòng)調(diào)節(jié)電路、感應(yīng)加熱等中都有廣泛的應(yīng)用。理解這兩種現(xiàn)象對(duì)于電磁學(xué)的學(xué)習(xí)很重要。交流電路交流電壓交流電壓是一種周期性變化的電壓,與直流電壓不同。它的值和方向隨時(shí)間而周期性變化。交流電流交流電流也是周期性變化的,它的大小和方向隨時(shí)間而周期性變化。交流電源供給的電路中就會(huì)產(chǎn)生交流電流。交流電路阻抗交流電路中存在電阻、電感和電容,合在一起形成的總阻抗被稱為交流電路的阻抗。第三章電磁波理論探討電磁波的理論基礎(chǔ),從產(chǎn)生到傳播,以及電磁光譜的應(yīng)用。麥克斯韋方程組概括電磁現(xiàn)象麥克斯韋方程組是一組基本的微分方程,描述了電場(chǎng)、磁場(chǎng)以及它們之間的相互關(guān)系。電磁波的理論基礎(chǔ)這些方程奠定了電磁波理論的基礎(chǔ),解釋了電磁波如何產(chǎn)生和傳播。預(yù)言電磁現(xiàn)象這組方程可以用來(lái)預(yù)測(cè)和解釋各種電磁現(xiàn)象,如電磁感應(yīng)、電磁輻射等。推動(dòng)科學(xué)發(fā)展麥克斯韋方程組的發(fā)現(xiàn)極大地促進(jìn)了電磁學(xué)和現(xiàn)代物理學(xué)的發(fā)展。電磁波的產(chǎn)生電流產(chǎn)生電磁波當(dāng)電流在導(dǎo)體中快速變化時(shí),會(huì)產(chǎn)生變化的電磁場(chǎng),從而產(chǎn)生電磁波。這種電磁波可以通過(guò)天線或其他設(shè)備發(fā)射到周圍空間。電磁波的特點(diǎn)電磁波可以在真空中以光速傳播,并具有振幅、頻率和波長(zhǎng)等特征。不同頻率的電磁波有不同的用途,如無(wú)線通信、醫(yī)療診斷等。電磁波的產(chǎn)生過(guò)程電磁波的產(chǎn)生是由于電場(chǎng)和磁場(chǎng)的相互作用和相互激勵(lì),產(chǎn)生了能量在空間傳播的電磁振蕩過(guò)程。這一過(guò)程遵循麥克斯韋方程組的理論描述。電磁波的傳播傳播速度電磁波以光速c(3x10^8m/s)在真空中傳播,穿過(guò)各種介質(zhì)時(shí)速度會(huì)有所降低。波前傳播電磁波的波前以同心球面的方式向外擴(kuò)散,呈現(xiàn)球面波的形式傳播。能量傳輸電磁波攜帶能量,傳播過(guò)程中能量密度隨距離的增加而減小,遵循反平方定律。電磁波的特性1波動(dòng)特性電磁波是一種能量傳播的波動(dòng)形式,具有波長(zhǎng)、頻率和波速等波動(dòng)特性。2粒子性質(zhì)電磁波在某些行為中表現(xiàn)為光子等粒子,如光電效應(yīng)和康普頓效應(yīng)。3傳播方式電磁波可以在真空和物質(zhì)中傳播,并遵循直線傳播、反射和折射等規(guī)律。4能量傳輸電磁波能夠載荷和傳輸能量,用于照明、通信、醫(yī)療等廣泛應(yīng)用。電磁譜與光的性質(zhì)電磁譜電磁譜是全部電磁輻射的總稱,涵蓋從最低頻率的無(wú)線電波到最高頻率的伽馬射線。每種類型的電磁輻射具有不同的應(yīng)用和特性。光的性質(zhì)光既有波動(dòng)性,也有粒子性。光可以干涉、衍射和反射等,是一種獨(dú)特的能量形式,廣泛應(yīng)用于通信、醫(yī)療和工業(yè)等領(lǐng)域。紅外光和微波紅外光波長(zhǎng)較長(zhǎng),用于遠(yuǎn)距離熱成像,而微波則廣泛應(yīng)用于通信和雷達(dá)等領(lǐng)域。這些電磁輻射的特性決定了它們?cè)诳萍贾械牟煌猛尽ｋ姶抛V與光的性質(zhì)從長(zhǎng)波的無(wú)線電波到短波的X射線和伽馬射線,電磁波覆蓋了廣泛的頻譜范圍。每種類型的電磁波都有其獨(dú)特的性質(zhì)和應(yīng)用,我們將學(xué)習(xí)光的重要性及其在現(xiàn)代生活中的廣泛應(yīng)用。光的反射和折射反射定律入射光線、反射光線和法線于同一平面,反射角等于入射角。折射定律光線從一種介質(zhì)進(jìn)入另一種介質(zhì)時(shí),會(huì)發(fā)生折射,折射角與入射角滿足斯涅爾定律。全反射當(dāng)光線從光密介質(zhì)進(jìn)入光疏介質(zhì)時(shí),若入射角大于臨界角,會(huì)發(fā)生全反射現(xiàn)象。光的干涉與衍射光的干涉光的干涉是波動(dòng)性質(zhì)的體現(xiàn)。當(dāng)兩束光線相遇時(shí),會(huì)相互作用產(chǎn)生明暗條紋。這是由于光波的相干疊加導(dǎo)致的。光的衍射光的衍射是波動(dòng)性質(zhì)的另一個(gè)重要表現(xiàn)。當(dāng)光遇到障礙物或小孔時(shí),會(huì)發(fā)生彎折現(xiàn)象,這就是光的衍射。衍射效應(yīng)使光波能夠繞過(guò)障礙物傳播。光的偏振光的波動(dòng)性光是一種橫波,具有電場(chǎng)和磁場(chǎng)的變化,振動(dòng)方向與傳播方向垂直。偏振的產(chǎn)生自然光是非偏振的,通過(guò)特殊的光學(xué)設(shè)備,如偏振片,可以得到偏振光。偏振光的性質(zhì)偏振光只能沿某一特定方向振動(dòng),呈現(xiàn)不同的偏振狀態(tài),如直線偏振、圓偏振和橢圓偏振。偏振光的應(yīng)用偏振光廣泛應(yīng)用于光學(xué)、顯示技術(shù)、光通信、3D技術(shù)等領(lǐng)域,為科技發(fā)展帶來(lái)新機(jī)遇。光的色散與色散色差光的色散不同波長(zhǎng)的光在傳播過(guò)程中,在同一介質(zhì)中會(huì)表現(xiàn)出不同的折射率,導(dǎo)致光被分散為不同顏色的光譜。色散色差由于色散效應(yīng),透鏡在焦點(diǎn)處無(wú)法將不同顏色的光線聚焦到同一點(diǎn),產(chǎn)生色差現(xiàn)象。光學(xué)應(yīng)用科學(xué)儀器如望遠(yuǎn)鏡、相機(jī)等利用色散效應(yīng)分析光源特性,也可通過(guò)特殊鏡頭設(shè)計(jì)來(lái)補(bǔ)償色差。光學(xué)儀器與應(yīng)用顯微鏡