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第3篇 热学 3

第13章 温度和气体动理论 3

13.1平衡态 3

13.1.1热力学系统 3

13.1.2平衡态与状态参量 3

13.1.3热力学第零定律（热平衡定律） 4

13.2理想气体的状态方程 4

13.2.1气体的实验规律 5

13.2.2理想气体 理想气体的物态方程 5

13.2.3混合理想气体的物态方程 7

13.3气体分子热运动与统计规律 7

13.3.1对物质微观结构的基本认识 7

13.3.2分子热运动服从统计规律 8

13.4理想气体的压强和温度 10

13.4.1理想气体的微观模型 10

13.4.2理想气体的压强 10

13.4.3理想气体的温度 12

13.5能量按自由度均分 12

13.5.1分子运动的自由度 12

13.5.2能量按自由度均分定理 13

13.5.3理想气体的内能 14

13.6麦克斯韦速率分布律 16

13.6.1速率分布概念和速率分布函数 16

13.6.2麦克斯韦速率分布函数和分布曲线 17

13.6.3三种统计速率 18

13.6.4麦克斯韦速率分布律的实验验证 20

13.7玻尔兹曼分布 22

13.7.1玻尔兹曼分布律 22

13.7.2重力场中粒子按高度的分布 23

13.8平均自由程 24

13.8.1分子的平均碰撞频率 24

13.8.2气体分子的平均自由程 25

提要 25

思考题 26

习题 27

第14章 热力学基础知识 29

14.1热力学第一定律 29

14.1.1准静态过程 29

14.1.2内能、热量和功 热力学第一定律的表述 29

14.2理想气体的内能和热容 32

14.2.1焦耳实验 理想气体的内能 32

14.2.2理想气体的摩尔热容、迈耶公式 32

14.3理想气体的典型准静态过程 34

14.3.1等体、等压和等温过程 34

14.3.2绝热过程 36

14.4循环过程 38

14.4.1循环过程 准静态循环过程 38

14.4.2热机及效率 39

14.4.3制冷机及制冷系数 40

14.4.4卡诺循环 41

14.5热力学第二定律 43

14.5.1热力学第二定律的两种表述 43

14.5.2两种表述的等效性 43

14.5.3不可逆过程和可逆过程 44

提要 44

思考题 45

习题 46

第4篇 机械振动与机械波动 51

第15章 机械振动 51

15.1简谐振动的运动学描述 51

15.1.1简谐振动的振动方程 51

15.1.2描述简谐振动的三个特征量 52

15.1.3简谐振动的速度和加速度 52

15.1.4旋转矢量表示法 55

15.2简谐振动的动力学 58

15.2.1简谐振动的动力学方程 58

15.2.2简谐振动的实例 59

15.2.3简谐振动的能量 64

15.3简谐振动的合成 67

15.3.1同一直线上同频率简谐振动的合成 68

15.3.2同一直线上不同频率简谐振动的合成 70

15.3.3两个相互垂直简谐振动的合成 71

15.4阻尼振动 受迫振动 共振 74

15.4.1阻尼振动 74

15.4.2受迫振动 75

15.4.3共振 76

提要 76

思考题 78

习题 78

第16章 机械波 81

16.1机械波的产生与传播 81

16.1.1机械波的产生 81

16.1.2横波与纵波 82

16.1.3波线、波面与波前 83

16.1.4描述波的物理量 84

16.1.5弹性介质的形变与波速 84

16.2平面简谐波 86

16.2.1平面简谐波的波函数 87

16.2.2波函数的物理意义 88

16.2.3平面波的波动微分方程 92

16.3机械波的能量 93

16.3.1机械波的能量与能量密度 93

16.3.2波的能流与波的强度 95

16.3.3声波的声强 96

16.4惠更斯原理 波的反射与折射 97

16.4.1波的衍射现象 97

16.4.2惠更斯原理 97

16.4.3用惠更斯作图法推导反射和折射定律 98

16.5波的干涉 100

16.5.1波的叠加原理 100

16.5.2两列波的干涉 100

16.6驻波 104

16.6.1驻波的形成 104

16.6.2驻波波函数 105

16.6.3驻波的特点 105

16.6.4半波损失 106

16.7多普勒效应 109

16.7.1机械波的多普勒效应 109

16.7.2电磁波的多普勒效应 112

16.7.3冲击波 112

提要 113

思考题 115

习题 115

第5篇 光学 121

第17章 几何光学 121

17.1几何光学的基本概念 121

17.2光的反射与折射 122

17.2.1反射和折射定律 122

17.2.2反射率与透射率 123

17.2.3全反射 123

17.3光在平面界上的反射与折射 124

17.3.1平面反射成像 124

17.3.2光在平面上的折射 单心性的破坏 125

17.4球面反射镜 126

17.4.1球面镜成像公式 126

17.4.2球面镜成像几何作图方法（光路图法） 127

17.4.3像的横向放大率 128

17.5光在球面上的折射 129

17.5.1球面对任意光线的折射 129

17.5.2球面对近轴光线的折射 129

17.6薄透镜 130

17.6.1透镜 130

17.6.2薄透镜的焦距 131

17.6.3薄透镜成像 132

17.7常用光学仪器简介 134

17.7.1照相机和投影仪的光学原理 134

17.7.2助视仪器 134

提要 137

思考题 139

习题 139

第18章 光的干涉 141

18.1相干光的获取 141

18.1.1光是一种电磁波 141

18.1.2光的相干条件 142

18.1.3普通光源的发光特点 142

18.1.4相干光的获取方法 143

18.2相干点光源的干涉 143

18.2.1光程与光程差 143

18.2.2两个相干点光源的干涉 145

18.2.3条纹的对比度 146

18.2.4振幅比对条纹对比度的影响 147

18.3杨氏干涉实验与分波前干涉方法 147

18.3.1杨氏双孔干涉 147

18.3.2杨氏双缝干涉 148

18.3.3杨氏干涉条纹的特点 149

18.3.4与杨氏双缝类似的分波前干涉实验 151

18.4薄膜干涉 153

18.4.1薄膜干涉概述 153

18.4.2等厚干涉 156

18.4.3等倾干涉 161

18.4.4增透膜和高反射膜 164

18.5迈克耳孙干涉仪 166

18.5.1仪器结构 166

18.5.2干涉条纹 167

18.5.3补偿板的作用 168

18.5.4白光的零级条纹 168

18.5.5迈克耳孙干涉仪的应用 168

提要 169

思考题 171

习题 171

第19章 光的衍射 173

19.1光的衍射和惠更斯-菲涅耳原理 173

19.1.1光的衍射现象 173

19.1.2惠更斯-菲涅耳原理 173

19.1.3衍射分类 174

19.2单缝夫琅禾费衍射 174

19.2.1点光源的单缝夫琅禾费衍射的强度分布 174

19.2.2单缝衍射因子的特点 178

19.2.3线光源的单缝夫琅禾费衍射 180

19.3圆孔夫琅禾费衍射 光学仪器的像分辨本领 181

19.3.1圆孔夫琅禾费衍射 181

19.3.2光学仪器的像分辨本领 182

19.4光栅衍射 185

19.4.1光栅衍射原理 185

19.4.2光栅方程 185

19.4.3强度分布公式 186

19.4.4缝间干涉因子的特点 187

19.4.5单缝衍射因子的作用 缺级现象 189

19.4.6光栅光谱 191

19.4.7平行光斜入射时的光栅衍射 193

19.5X射线衍射 196

19.5.1劳厄实验 196

19.5.2布拉格方程 196

提要 198

思考题 199

习题 199

第20章 光的偏振 201

20.1光的偏振特性 201

20.1.1光的偏振现象 201

20.1.2光的偏振态 202

20.2线偏振光的获得与检验 205

20.2.1偏振片的起偏与检偏 205

20.2.2马吕斯定律 206

20.3反射光和折射光的偏振态 207

20.3.1s波p波的反射率与透射率 207

20.3.2反射和折射时光的偏振态 208

20.3.3布儒斯特定律 209

20.3.4偏振的应用 210

20.4晶体的双折射 211

20.4.1光在晶体中的双折射 211

20.4.2惠更斯作图法求双折射光 214

20.5晶体光学器件 218

20.5.1偏振棱镜 218

20.5.2波片（相位延迟片） 220

20.6偏振态的检定 221

20.6.1椭圆偏振光与圆偏振光的获取方法 221

20.6.2偏振态的检定方法 221

20.7偏振光的干涉 223

20.7.1平行线偏振光通过波片的干涉强度 223

20.7.2平行线偏振光干涉的特点 224

20.7.3偏光显微镜的工作原理 225

20.7.4人工双折射 226

20.8旋光现象简介 227

提要 228

思考题 229

习题 229

第6篇 近代物理学基础 233

第21章 狭义相对论基础 233

21.1伽利略变换和经典力学时空观 233

21.1.1伽利略变换 233

21.1.2绝对时空观 234

21.1.3伽利略相对性原理和经典物理学的困难 235

21.2狭义相对论的基本概念 洛伦兹变换 237

21.2.1狭义相对论基本原理 237

21.2.2洛伦兹变换 237

21.3狭义相对论时空理论 241

21.3.1“同时”的相对性 241

21.3.2时间延缓效应 242

21.3.3运动尺度收缩 243

21.3.4因果律与信号传递速度 245

21.4狭义相对论动力学基础 246

21.4.1相对论质量 246

21.4.2相对论能量 248

21.4.3质能关系 250

21.4.4动量能量关系式 251

提要 252

思考题 253

习题 253

第22章 波粒二象性 255

22.1黑体辐射 255

22.1.1热辐射基本概念 黑体辐射 255

22.1.2普朗克量子假设 257

22.2光电效应 爱因斯坦光量子理论 258

22.2.1光电效应的实验规律 258

22.2.2爱因斯坦光量子假设 259

22.2.3光的波粒二象性 260

22.3康普顿效应 261

22.3.1康普顿效应的实验规律 261

22.3.2康普顿效应的光子理论解释 262

22.4玻尔的氢原子理论 263

22.4.1氢原子光谱的实验规律 263

22.4.2玻尔的氢原子假设 264

22.5实物粒子的波粒二象性 266

22.5.1德布罗意物质波假设 266

22.5.2德布罗意波的统计解释 267

22.6不确定关系 268

提要 270

思考题 271

习题 272

第23章 量子力学基础 274

23.1波函数 薛定谔方程 274

23.1.1波函数 274

23.1.2薛定谔方程 275

23.2薛定谔方程在几个定态问题上的应用 276

23.2.1一维无限深势阱中的粒子 276

23.2.2一维势垒和隧道效应 278

23.2.3线性谐振子 279

提要 280

思考题 280

习题 281

第24章 原子中的电子 282

24.1氢原子中的电子 282

24.2原子的壳层结构 286

24.3X射线 288

24.3.1连续谱韧致辐射 288

24.3.2特征谱 289

提要 289

思考题 290

习题 290

第25章 固体中的电子 291

25.1金属中的自由电子气 291

25.1.1金属的自由电子气模型 291

25.1.2金属中自由电子的能量与波函数 291

25.1.3态密度 292

25.1.4自由电子的基态 费米能 293

25.1.5自由电子的热激发态 293

25.1.6晶体的热容和电子的热容 293

25.2能带理论 294

25.2.1晶体中电子的波函数 布洛赫定理 294

25.2.2晶体中电子的能量 准自由电子近似 295

25.2.3导体 半导体 绝缘体 295

25.2.4半导体中的杂质和缺陷 296

25.2.5PN结 297

提要 298

思考题 298

习题 299

第26章 激光 300

26.1爱因斯坦受激辐射理论 300

26.1.1自发辐射、受激吸收和受激辐射的概念 300

26.1.2三个爱因斯坦系数之间的关系 301

26.1.3受激辐射的相干性 302

26.2粒子数反转与光放大 302

26.2.1粒子数按能级的统计分布 302

26.2.2粒子数反转的概念 302

26.2.3能实现粒子数反转的激活介质 303

26.2.4泵浦的几种方法 304

26.2.5增益系数G 305

26.3谐振腔 光的自激振荡 306

26.3.1激光自激振荡概念 306

26.3.2谐振腔的作用 307

26.3.3能输出线偏振光的激光器 309

26.4激光的单色性 309

26.4.1谱线宽度 309

26.4.2激光的纵模 310

26.4.3激光的横模 311

26.5激光的特性及其应用 311

26.5.1激光器的三个基本组成部分及其作用 312

26.5.2激光的优秀特性 312

26.5.3激光的应用 312

26.6激光器举例 312

26.6.1固体激光器 312

26.6.2气体激光器 314

26.6.3自由电子激光器 316

26.6.4其他激光器 317

提要 318

思考题 319

参考文献 320

习题答案 321

附录 327

基本物理常数表 327

几个保留单位和换算关系 328