本書為《大學(xué)物理學(xué)》教材的下冊,主要內(nèi)容有: 機械振動、波動、波動光學(xué)、狹義相對論基礎(chǔ)、量子物理基礎(chǔ)。
本教材是適用培養(yǎng)卓越工程師的大學(xué)物理教材,注重價值引領(lǐng),工程應(yīng)用特色明顯。
前言
物理學(xué)研究物質(zhì)的基本結(jié)構(gòu)、基本相互作用和最普遍的運動規(guī)律,是一切自然科學(xué)和工程技術(shù)的基礎(chǔ)。以物理學(xué)為基礎(chǔ)的大學(xué)物理課程是高等學(xué)校理工科非物理學(xué)類各專業(yè)學(xué)生的一門重要的通識性必修基礎(chǔ)課。
作為一門古老的基礎(chǔ)學(xué)科,物理學(xué)從古至今都對人類的文明和科技進步起到了不可估量的作用。物理學(xué)為科學(xué)技術(shù)提供科學(xué)原理,能夠指導(dǎo)技術(shù)路線的選擇和技術(shù)方案的改進,有助于培養(yǎng)技術(shù)人員的科學(xué)品格和創(chuàng)新能力。物理學(xué)的學(xué)習(xí)使技術(shù)人員的眼光遠、層次高且后勁足。物理學(xué)是科技人才素質(zhì)教育的基礎(chǔ)。世界工科大學(xué)都無一例外將物理學(xué)作為重要的基礎(chǔ)課程。
教育發(fā)展、科技創(chuàng)新、人才培養(yǎng)是實現(xiàn)高水平科技自立自強的迫切要求,是建設(shè)世界科技強國的必由之路。人才培養(yǎng),歸根結(jié)底是要培養(yǎng)高水平創(chuàng)新人才。對于培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維,培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力,激發(fā)學(xué)生求知熱情、探索精神,培養(yǎng)學(xué)生理論聯(lián)系實際以及終身學(xué)習(xí)的科學(xué)素養(yǎng),大學(xué)物理課程都具有不可替代的重要作用。
2020年,教育部頒發(fā)了《高等學(xué)校課程思政建設(shè)指導(dǎo)綱要》(教高〔2020〕3號)。2023年,教育部高等學(xué)校大學(xué)物理課程教學(xué)指導(dǎo)委員會編制了《理工科類大學(xué)物理課程教學(xué)基本要求》(2023版)。為了適應(yīng)國家教育興國戰(zhàn)略、人才強國戰(zhàn)略、創(chuàng)新驅(qū)動發(fā)展戰(zhàn)略的需要,結(jié)合多年的教學(xué)實踐,我們編寫了這套大學(xué)物理教材。本教材的特色之一是突出物理理論的工程應(yīng)用特色,強調(diào)理論與實際相結(jié)合; 特色之二是突出物理學(xué)的科學(xué)思想方法、引入物理學(xué)家科學(xué)精神的介紹以及中國物理學(xué)史等育人內(nèi)容,將價值引領(lǐng)貫穿在專題或者習(xí)題中。
《大學(xué)物理學(xué)》教材分為上、下兩冊,按照工科優(yōu)秀物理教材的體系結(jié)構(gòu),上冊為力學(xué)、電磁學(xué)和熱學(xué)3篇,下冊為波動與波動光學(xué)以及近代物理基礎(chǔ)2篇,包括機械振動、波動、波動光學(xué)、狹義相對論基礎(chǔ)及量子物理基礎(chǔ)5章。
本教材由上海工程技術(shù)大學(xué)數(shù)理與統(tǒng)計學(xué)院大學(xué)物理教學(xué)團隊和江蘇影速集成電路裝備股份有限公司合作編寫。編寫分工為: 徐紅霞和秦立國負(fù)責(zé)力學(xué)篇(第1~4章); 任莉負(fù)責(zé)電磁學(xué)篇的電學(xué)(第5章和第6章); 王順治負(fù)責(zé)電磁學(xué)篇的磁學(xué)(第7章和第8章); 邵輝麗負(fù)責(zé)熱學(xué)篇(第9章和第10章); 張修麗負(fù)責(zé)機械振動和波動(第11章和第12章); 陳光龍負(fù)責(zé)波動光學(xué)(第13章); 劉燁負(fù)責(zé)狹義相對論基礎(chǔ)(第14章); 汪麗莉負(fù)責(zé)量子物理基礎(chǔ)(第15章); 企業(yè)專家崔國棟博士(江蘇影速集成電路裝備股份有限公司)負(fù)責(zé)教材中每個章節(jié)的有關(guān)產(chǎn)教融合內(nèi)容的指導(dǎo)和審核。全書由徐紅霞和秦立國組織策劃,由徐紅霞和陳光龍統(tǒng)稿,對全書進行了審閱和校對。
本書在注重學(xué)生的工程意識和工程能力培養(yǎng)的基礎(chǔ)上,增加了“物理應(yīng)用”內(nèi)容,不僅注重學(xué)生的科學(xué)思維的培養(yǎng),設(shè)置有章節(jié)前的思考模塊、章節(jié)中的討論模塊以及章節(jié)后的開放類型練習(xí)題,還注重學(xué)生的價值引領(lǐng),在篇章中增加了物理學(xué)的科學(xué)思想、科學(xué)方法以及物理學(xué)家科學(xué)精神的閱讀材料或者相關(guān)習(xí)題,并有意識地融入了中國物理學(xué)史部分內(nèi)容。在本書的編寫過程中,我們參考和借鑒了許多國內(nèi)外的相關(guān)教材、書籍以及互聯(lián)網(wǎng)信息資源,在此向所有給予啟迪、提供素材的作者們表示謝意。
由于編者水平有限,書中難免存在錯誤和不妥之處。我們衷心希望廣大讀者在使用過程中批評指正,提出寶貴意見,以便再版時及時改進。
編者
2024年10月于上海工程技術(shù)大學(xué)
陳光龍,博士,光學(xué)專業(yè),碩士生導(dǎo)師,主要從事大學(xué)物理教學(xué)和激光與物質(zhì)相互作用相關(guān)研究、主持和參與多項教學(xué)研究項目和國家自然科學(xué)基金科研項目。
目錄
第4篇波動與波動光學(xué)
第11章 機械振動
11.1簡諧振動 /
11.1.1簡諧振動的特征及其表達式 /
11.1.2簡諧振動的振幅、周期及頻率 /
11.1.3簡諧振動的x-t圖線 /
11.1.4簡諧振動的速度和加速度 /
11.1.5簡諧振動的相位 /
11.2旋轉(zhuǎn)矢量法 /
11.3簡諧振動系統(tǒng)的能量 /
11.4簡諧振動的合成 /
11.4.1兩個同方向、同頻率的簡諧振動的合成 /
11.4.2兩個同方向、不同頻率的簡諧振動的合成 /
11.5阻尼振動受迫振動 /
11.5.1阻尼振動 /
11.5.2受迫振動 /
11.6共振及其應(yīng)用 /
11.6.1共振 /
11.6.2共振的防止 /
11.6.3共振的應(yīng)用 /
第12章 波動
12.1機械波的幾個概念 /
12.1.1機械波的產(chǎn)生 /
12.1.2機械波的分類 /
12.1.3波動的幾何描述 /
12.1.4波動的物理描述 /
12.2平面簡諧波的波函數(shù) /
12.2.1平面簡諧波的波函數(shù)的描述 /
12.2.2波函數(shù)的物理意義 /
12.3波的能量能流密度 /
12.3.1波的能量 /
12.3.2能量密度 /
12.3.3波的能流 /
12.4惠更斯原理波的衍射、反射和折射 /
12.4.1惠更斯原理波的衍射現(xiàn)象 /
12.4.2波的反射與折射 /
12.5波的疊加波的干涉 /
12.5.1波的疊加原理 /
12.5.2波的干涉 /
12.6駐波 /
12.6.1駐波現(xiàn)象及其特點 /
12.6.2駐波的形成 /
12.6.3駐波方程 /
12.6.4駐波能量 /
12.6.5半波損失 /
12.6.6弦線上的駐波 /
12.7多普勒效應(yīng) /
12.7.1多普勒公式 /
12.7.2沖擊波 /
12.7.3電磁波的多普勒效應(yīng) /
12.8超聲波與次聲波技術(shù) /
12.8.1超聲波 /
12.8.2次聲波 /
12.9電磁波簡介 /
12.9.1電磁波譜的產(chǎn)生 /
12.9.2電磁波譜 /
12.10引力波簡介 /
12.10.1引力波的產(chǎn)生 /
12.10.2引力波的探測 /
第13章 波動光學(xué)
13.1相干光 /
13.1.1光源 /
13.1.2普通光源獲得相干光的途徑 /
13.2楊氏雙縫干涉實驗菲涅耳雙面鏡和洛埃鏡 /
13.2.1楊氏雙縫干涉實驗及其干涉條紋分析 /
13.2.2楊氏雙縫干涉條紋的光強分布 /
13.2.3菲涅耳雙面鏡和洛埃鏡實驗 /
13.3光程薄膜干涉 /
13.3.1光程和光程差 /
13.3.2透鏡不會引起附加光程差 /
13.3.3薄膜干涉 /
13.3.4增透膜和增反膜 /
13.4劈尖牛頓環(huán) /
13.4.1劈尖 /
13.4.2牛頓環(huán) /
13.5光的衍射 /
13.5.1光的衍射現(xiàn)象 /
13.5.2惠更斯菲涅耳原理 /
13.5.3菲涅耳衍射和夫瑯禾費衍射 /
13.6夫瑯禾費單縫衍射 /
13.6.1夫瑯禾費單縫衍射分析——半波帶法 /
13.6.2夫瑯禾費單縫衍射條紋光強分布 /
13.6.3夫瑯禾費單縫衍射條紋分布特征 /
13.7圓孔的夫瑯禾費衍射與光學(xué)儀器的分辨本領(lǐng) /
13.7.1圓孔的夫瑯禾費衍射 /
13.7.2光學(xué)儀器的分辨本領(lǐng) /
13.8光柵衍射 /
13.8.1光柵 /
13.8.2光柵的夫瑯禾費衍射 /
13.8.3光柵的多光束干涉 /
13.8.4光柵衍射的光強分布 /
13.8.5光線斜入射時的光柵方程 /
13.8.6光柵光譜 /
13.9光的偏振馬呂斯定律 /
13.9.1自然光和偏振光 /
13.9.2線偏振光的獲得和檢驗 /
13.9.3馬呂斯定律 /
13.10反射光和折射光的偏振 /
13.10.1反射和折射時光的偏振 /
13.10.2布儒斯特定律 /
13.11雙折射現(xiàn)象 /
13.11.1光的雙折射現(xiàn)象 /
13.11.2波片 /
13.12光學(xué)在工程中的應(yīng)用 /
13.12.1光學(xué)瓦斯檢測器 /
13.12.2光柵光譜儀 /
13.12.3激光的調(diào)Q技術(shù) /
13.12.4激光加工技術(shù)應(yīng)用簡介 /
第5篇近代物理基礎(chǔ)
第14章 狹義相對論基礎(chǔ)
14.1經(jīng)典時空觀及其局限性 /
14.1.1伽利略相對性原理 /
14.1.2絕對時空觀 /
14.1.3光速不變與邁克耳孫莫雷實驗 /
14.2狹義相對論的時空觀 /
14.2.1狹義相對論的基本原理 /
14.2.2同時的相對性 /
14.2.3時間膨脹效應(yīng) /
14.2.4長度收縮效應(yīng) /
14.2.5洛倫茲變換 /
14.2.6洛倫茲速度變換 /
14.2.7狹義相對論的時空觀總結(jié) /
14.2.8狹義相對論的時空幾何 /
14.3相對論動力學(xué) /
14.3.1相對論質(zhì)量 /
14.3.2相對論動量及動力學(xué)方程 /
14.3.3質(zhì)能關(guān)系 /
14.3.4核能 /
14.3.5核技術(shù)應(yīng)用 /
第15章 量子物理基礎(chǔ)
15.1黑體輻射普朗克量子假說 /
15.1.1熱輻射黑體 /
15.1.2黑體輻射的實驗定律 /
15.1.3黑體輻射的經(jīng)典理論與實驗曲線的矛盾 /
15.1.4普朗克量子假說 /
15.2光電效應(yīng)光的波粒二象性 /
15.2.1光量子 /
15.2.2光電效應(yīng) /
15.2.3愛因斯坦光電效應(yīng)方程 /
15.2.4光的波粒二象性 /
15.2.5光電效應(yīng)在近代技術(shù)中的應(yīng)用 /
15.3康普頓效應(yīng) /
15.3.1康普頓散射實驗 /
15.3.2康普頓效應(yīng)的理論解釋 /
15.3.3康普頓散射的意義和討論 /
15.4玻爾的氫原子理論 /
15.4.1玻爾理論的實驗基礎(chǔ) /
15.4.2玻爾理論 /
15.4.3玻爾的氫原子理論的意義和困難 /
15.5弗蘭克-赫茲實驗 /
15.6德布羅意波實物粒子的二象性 /
15.6.1實物粒子的波動性——德布羅意假設(shè) /
15.6.2對粒子波動性的實驗驗證 /
15.6.3物質(zhì)波的解釋——概率波 /
15.7海森伯不確定關(guān)系 /
15.8量子力學(xué)簡介 /
15.8.1波函數(shù)和概率密度 /
15.8.2薛定諤方程 /
15.8.3一維勢阱問題 /
15.9氫原子的量子理論 /
15.9.1氫原子的薛定諤方程 /
15.9.2量子化條件和量子數(shù) /
15.9.3多電子原子 /
15.10近代物理技術(shù)在工程中的應(yīng)用 /
15.10.1掃描隧道顯微鏡 /
15.10.2激光技術(shù) /
15.10.3超導(dǎo)技術(shù) /
部分練習(xí)參考答案
參考文獻