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大学物理 大学物理学 物理学是研究自然界最普遍的规律的一门学科 是自然科学许多领域和现代工程技术的重要基础 大学物理 课以基本物理学原理及其在科学技术上的应用为主要内容 是本科大学理工类各专业学生必修的一门重要基础课 通过该课的学习 学生应掌握初步的物理知识和物理思想方法并能加以运用 培养科学的学习方法和研究 解决学术问题的能力 且具有一定的创新精神 为后续课程的学习和毕业后的工作打下良好基础 具体说 应使学生具备下述能力 建立物理模型的能力 利用数学方法定量计算的能力 定性分析和估算的能力 自学能力 解决实际问题的能力 力学 质点运动学质点 相对小 代表点参照系为了描述物体的运动而被选作参考的其它物体 直角坐标系 自然坐标系 平面极坐标系 直角坐标系 位置矢量 矢径 速度矢量 加速度矢量 自然坐标系 平面极坐标系 常见运动的分析 一维匀加速运动 抛体运动 圆周运动 角量与线量之间的关系 相对位移与相对速度 狭义相对论 相对论的时间和空间 时间 用表测出来的空间 用尺测出来的 不存在统一的 严格的时间观念 每个观察者用自己的表测出的即真实的时间 即时间是相对的 空间亦然 伽利略力学的相对性原理在一个惯性系的内部所做的任何力学实验都不能够确定这一惯性系本身是在静止状态 还是在做匀速运动 一切彼此做匀速直线运动的惯性系 对于描写机械运动的力学规律来说是完全等价的 经典力学的时空观 物体的运动虽在时间和空间中进行 但是时间和空间的性质与物体的运动彼此没有任何联系 它将物质和运动完全脱离 即为 绝对时 空 间 1 牛顿的绝对时空观 长度与时间的测量与参考系无关 伽利略坐标变换 伽利略速度变换 质量的测量与参考系无关 2 狭义相对论的基本假设 爱因斯坦相对性原理和光速不变原理 狭义相对论的基本原理 1 相对性原理 物理定律在一切惯性参考系中都具有相同的数学表达形式 即所有惯性系对于描述物理现象都是等价的 2 光速不变原理 在彼此相对做匀速直线运动的任一惯性参考系中 所测得的光在真空中的传播速度都是相等的 相对论指出物体的速度不能超过真空中光的速度 现代物理实验的例子都说明 高能粒子的速度都是以光速为极限的 同时性的相对性 在一个惯性系中不同地点同时发生的两个事件在其它惯性系中不再是同时的 时间膨胀 为固有时间 长度收缩 为固有长度 洛仑兹变换 坐标变换式 速度变换式 3 相对论质量和动量 4质量和能量的关系 1 相对论的动能表达式 2 静止的能量 运动时的能量 质能方程 相对论动量 能量关系 具有一定质量的物体必具有和这质量相当的能量 通常所说的物体的能量仅是 广义相对论原理 1 等效原理 在处于均匀的恒定引力场影响的惯性中 所发生的一切物理现象 可以和一个不变引力场影响 但以恒定加速度运动的非惯性系内的物理现象完全相同 2 相对性原理 物理定律在非惯性系中 可以和局部惯性系中要有引力场存在 即所有非惯性系和引力场存在的惯性系对于描述物理现象都是等价的 两点间的四维距离是绝对的 光子的讨论 1 若v c则 2 3 光子 光子的能量 其中h为普郎克常量 v为光子的频率 讨论光速 1 若 则 2 则 结论 以运动的物体在不同参照系中的速度都是以不同速度运动的物体相对于以为运动速度的参照系而言 其速度为总结 从洛仑兹变化角度来看 光速是绝对的 牛顿运动定律 第一定律 惯性和惯性系定义 第二定律 力的概念 第三定律 作用力与反作用力 牛顿运动定律适用条件 宏观 低速运动的物体 且仅适用于惯性系 恢复力胡克定律 k是弹簧的劲度系数 x是位移 摩擦力两个相互接触的物体在沿接触面相对运动时 或有相对运动的趋势时 在接触面之间产生的一对阻止相对运动的力静摩擦力 最大静摩擦力滑动摩擦力 弹力发生形变的物体 要恢复原状 对与它接触的物体有力的作用 正压力或支持力 取决于相互挤压的程度拉力或张力 取决于拉伸或收紧的程度 常见的力和基本力重力地球表面附近的物体所受的地球的吸引力 第三章动量 动量定义 m性质 v 1 2 动量定理 外力 动量守恒 3 积分形式 4 状态 外力对时间的积累效应使质点动量增加 冲量 合外力的冲量 动量的改变量 5 6 动量的分量 7 平均力 质点系 动量定理和动能守恒还用于作用力未知或比较复杂情况 如碰撞 打击 爆炸等方面 内力不改变质点系的动量只有外力才改变动量 机械能 动能 势能 力对时间的积累作用产生动量力对空间的积累作用产生动能 力的投影 位移的投影 1 功 2 动能 3 动能定理 4 势能 保守力作功与路径无关 非保守力作功与路径有关 第四章能量 功能定理 机械能 时间的函数 位置的函数 速度的函数 8 质点系的功与能 机械能守恒 机械能守恒 第四章 刚体力学 对质心呢 a 0 边缘a 0 质点 质点系 刚体 柔体刚体 任意两点间距离不变 有大小 有质量 特点 大小形状不变 可以忽略 4 1刚体的绕轴转动 1质心运动定理 2绕定轴转动无限制则以质心为轴 质点在平面上做圆周运动所有质点角速度相同 对于第 i 个质点 例2匀角加速定轴转动 4 2转动定理 力矩的三要素大小 方向 作用点 向上的力矩产生向上的角加速度 2转动定理 例3质量m 长度L的均匀杆 求转动惯量I 绕质心转动 绕端点转动 4 3角动量与转动惯量 力矩做功 动能定理 常见物体的惯量 讨论太阳和地球系统 地球绕太阳运动 轨迹是一个偏心率为的椭圆 太阳在一个焦点上 讨论角动量 能量 1 引力 2 质心 3 能量 4 角动量 5 热学 1热学热现象热力学实验偏导数 偏微分方程热理论统计力学计算牛顿力学 概率论 2统计力学基础热力学系统 简单的如气体 理想气体热力学参量 状态参量气体PVT热力学函数气体ESH状态方程 第五章统计力学基础 平衡态 点平衡过程 曲线 准静态过程 理想气体模型1 满足或玻马定律2 气体由分子构成 分子是一个弹性小球3 分子之间相互作用是完全弹性碰撞4 忽略重力 气体分子运动论 4理想气体分子速率分布 2 1 数学上表示概率密度物理上称为麦氏速率分布函数 11能量按自由度均分定理 12理想气体内能 第七章热力学基础 1热力学基本概念热力学系统 气体状态 平衡态状态参量 PVT 2内能E 功A 热Q 1 热 3热力学第一定律 1 热循环 2 热机效率 5热循环与热机 正过程逆过程可逆过程 逆过程完全消除正过程的影响不可逆过程 逆过程不能消除正过程的影响或逆过程不存在 7可逆过程与不可逆过程 8热力学第二定律 任何一个不可逆过程都可用于表述热力学第二定律 即第二定律反映了自然界的不可逆性 开耳文表述 克劳修斯表述 普朗克表述 9熵 第八章静电场 8 1基本概念 电现象的本质 电子的转移电荷守恒 8 2电场强度 8 3电势 场强与电势 8 5电力线与等势面1 电力线方向 切线方向大小 线密度 2 电通量 3 等势面 2 等势面与电力线处处垂直 且指向电势降低的方向 8 6高斯定理 4 高斯定理的应用 1 点电荷 2 球壳 电荷均匀分布 3 球体 电荷均匀分布 球对称分布 柱对称分布 平面对称分布 第九章导体与电介质 1 静电感应 2 静电平衡 1 导体内无电场2 导体表面电场与表面垂直3 电荷分布 1 无空腔导体内无电荷 导体表面有电荷 2 有空腔导体外表面有电荷 9 1导体 3 有空腔导体腔内有电荷 Q 内表面有电荷 Q 外表面有电荷 Q 9 2电容器 金属球 平板电容器 9 3电介质 9 4电场能量 第十章稳恒电流 1 磁场 电流激发磁场 安培的物质磁性假说指出 一切磁现象的起源是电流 2 磁感应强度 磁场中某点处磁感应强度的方向与该点处实验线圈在平衡位置的法线方向相同 磁感应强度的量值等于具有单位磁矩的实验线圈所受到的最大磁力矩 3 磁力线 磁通量 磁力线的定义和电力线的定义类似 但磁力线是闭合的连续曲线 而电力线是不闭合的连续曲线 磁通量定义为通过曲面的磁力线条数 可用面积分表示 第十一章稳恒磁场 1 基本概念 4 电流元 2 电流激发磁场 3 磁场高斯定理 磁力线条数 磁通量 高斯定理 4 磁场环路定理 安培环路定理的应用 5 安培定律 磁场对电流的作用 载流导线所受的磁场力 平面载流线圈所受的磁力矩 平面载流线圈所受的磁场力F 0 载流线圈磁矩 矩形线圈 6 运动电荷形成的磁场 7 运动电荷在磁场中受力 运动电荷在磁场中受力与速度垂直 所以洛仑兹力不做功 洛仑兹力 运动电荷在匀强磁场中作圆周运动 洛仑兹力与库仑力 第十二章磁介质 三 介质磁化规律 2 磁化曲线 磁滞回线 铁磁质分类 软磁 硬磁 矩磁材料 Hc 四 介质中的安培环路定理 第十三章电磁感应 13 1感生电动势 13 2动生电动势 13 3涡旋电场 13 4自感与互感 13 5磁场能量 第十四章麦氏方程 14 1麦氏方程 14 2位移电流 14 3电磁波的产生 LC电路 电磁波 天线 14 4电磁波的传播 与磁现象有关的功与能 2 安培力 3 电流环磁力矩 4 安培力做功的讨论 5 电感 6 磁场 第十五章机械振动 一 简谐振动表达式 1 谐振动的表达式 三个特征量为振幅A 取决于振动的能量 圆频率 取决于振动系统的性质 初位相 取决于初始振动状态 2 谐振动的旋转矢量表示法 将匀速圆周运动与谐振动联系起来的表示方法 3 谐振动的三个判据 单摆 2 位移 速度 加速度 3 振动能量 15 2振动的合成 1 同方向 同频率 第十六章机械波 16 1机械波的产生和传播条件 1 振动的传递2 在弹性媒介中16 2一维简谐波 16 3波的迭加 16 4声波 电磁波 球面波 3 球面波 第十七章光学 17 1光的本质1 几何光学 光线波动光学 光波量子光学 光子 17 2光的干涉 3 相对光强 2 光的相干条件 1 同向 同频 同相2 两束光必须发自同一光源3 光程差不能太大4 光强差不能太大 17 3分波阵面干涉 1 双缝实验 17 4分振幅干涉 薄膜干涉1 等倾干涉 2 劈尖膜 等厚干涉 3 近似等厚干涉 牛顿环 17 5光程与光程差 光程 双缝 白光入射 沿X轴正向或负向分别为 紫 蓝 青 绿 黄 橙 红 3 缝与屏之间的距离增大 条纹间距增大 4 在非真空的介质中