大学物理

董占海

目录

  • 1 绪论
    • 1.1 走进物理
    • 1.2 如何学习物理
  • 2 质点运动学
    • 2.1 质点的位矢
    • 2.2 质点的运动方程和轨道方程
    • 2.3 位移
    • 2.4 速度
    • 2.5 加速度
      • 2.5.1 加速度(一)
      • 2.5.2 加速度(二)
    • 2.6 运动学中的两类问题
      • 2.6.1 已知运动学方程求速度和加速度
      • 2.6.2 已知加速度求速度和运动学方程
  • 3 质点动力学
    • 3.1 四种基本作用力
    • 3.2 牛顿运动定律
    • 3.3 常见的作用力
    • 3.4 牛顿定律的应用
      • 3.4.1 牛顿定律的应用(一)
      • 3.4.2 牛顿定律的应用(二)
      • 3.4.3 牛顿定律的应用(三)
    • 3.5 伽利略相对性原理
      • 3.5.1 伽利略变换
      • 3.5.2 伽利略力学相对性原理
    • 3.6 惯性力
      • 3.6.1 惯性力(一)
      • 3.6.2 惯性力(二)
      • 3.6.3 惯性力(三)
      • 3.6.4 惯性力(四)
    • 3.7 狭义相对论
      • 3.7.1 狭义相对论的建立
      • 3.7.2 相对论效应(一)
      • 3.7.3 相对论效应(二)
      • 3.7.4 狭义相对论原理(一)
      • 3.7.5 狭义相对论原理(二)
      • 3.7.6 洛伦兹坐标变换(一)
      • 3.7.7 洛伦兹坐标变换(二)
      • 3.7.8 洛伦兹时空观
      • 3.7.9 相对论速度变换
  • 4 运动定理
    • 4.1 冲量与动量
      • 4.1.1 冲量和动量
      • 4.1.2 质点的动量定理
      • 4.1.3 质点系动量定理
      • 4.1.4 质点系动量守恒
      • 4.1.5 质心
      • 4.1.6 质心运动定理
      • 4.1.7 火箭飞行问题
    • 4.2 功与能
      • 4.2.1 能量的类型
      • 4.2.2 功和功率(一)
      • 4.2.3 功和功率(二)
      • 4.2.4 动能定理
      • 4.2.5 保守力
      • 4.2.6 势能(一)
      • 4.2.7 势能(二)
      • 4.2.8 内力做功的特点
      • 4.2.9 功能原理
      • 4.2.10 机械能守恒(一)
      • 4.2.11 机械能守恒(二)
    • 4.3 相对论
      • 4.3.1 动量和质量
      • 4.3.2 动能
      • 4.3.3 冲量与功
      • 4.3.4 质能关系
      • 4.3.5 能量与动量的关系
    • 4.4 冲量矩与角动量
      • 4.4.1 角动量
      • 4.4.2 力矩的定义
      • 4.4.3 角动量定理(一)
      • 4.4.4 角动量定理(二)
      • 4.4.5 质点系的角动量
      • 4.4.6 质点系的角动量定理
      • 4.4.7 角动量守恒
    • 4.5 对称性
  • 5 刚体力学
    • 5.1 刚体的基本运动
    • 5.2 刚体定轴转动的描述
    • 5.3 刚体的角动量
      • 5.3.1 刚体的角动量
      • 5.3.2 转动惯量
      • 5.3.3 刚体角动量定理(一)
      • 5.3.4 刚体角动量定理(二)
      • 5.3.5 刚体角动量定理(三)
      • 5.3.6 角动量守恒
    • 5.4 刚体的动能
      • 5.4.1 刚体的动能
      • 5.4.2 刚体转动的功能原理
    • 5.5 刚体定点转动
      • 5.5.1 刚体定点转动
      • 5.5.2 定点转动刚体的角动量守恒
    • 5.6 进动
      • 5.6.1 进动(一)
      • 5.6.2 进动(二)
    • 5.7 刚体平面平行运动
      • 5.7.1 刚体平面平行运动
      • 5.7.2 刚体平面平行运动的应用
  • 6 热力学平衡态
    • 6.1 热力学系统及研究方法
    • 6.2 平衡态
    • 6.3 热力学第零定律和状态参量
    • 6.4 温度和温标
    • 6.5 理想气体状态方程
    • 6.6 理想气体压强和温度
      • 6.6.1 理想气体压强和温度(一)
      • 6.6.2 理想气体压强和温度(二)
    • 6.7 分子热运动的速度和速率统计分布规律
      • 6.7.1 分子速率分布函数(一)
      • 6.7.2 分子速度分布函数(二)
      • 6.7.3 麦克斯韦速率分布
      • 6.7.4 分子速率分布
      • 6.7.5 分子热运动的能力统计分布规律
      • 6.7.6 外力场中粒子数密度分布
      • 6.7.7 能量均分定理
    • 6.8 涨落现象
  • 7 热力学
    • 7.1 准静态过程
    • 7.2 内能、功、热和热力学第一定律
    • 7.3 热容
      • 7.3.1 热容(一)
      • 7.3.2 热容(二)
    • 7.4 循环过程
      • 7.4.1 循环过程(一)
      • 7.4.2 循环过程(二)
    • 7.5 热力学第二定律
      • 7.5.1 热力学第二定律(一)
      • 7.5.2 热力学第二定律(二)
    • 7.6 熵
      • 7.6.1 熵的定义
      • 7.6.2 熵增原理
    • 7.7 熵的统计学意义
      • 7.7.1 玻尔兹曼关系
      • 7.7.2 热力学第二定律统计意义
      • 7.7.3 自组织现象
  • 8 静电场
    • 8.1 电荷
    • 8.2 库仑定律
    • 8.3 电场
      • 8.3.1 点电荷电场
      • 8.3.2 线分布电荷电场
      • 8.3.3 面分布电荷电场
    • 8.4 高斯定理
      • 8.4.1 电场线
      • 8.4.2 电通量
      • 8.4.3 高斯定理
      • 8.4.4 高斯定理的应用(一)
      • 8.4.5 高斯定理的应用(二)
    • 8.5 环路定理
    • 8.6 电势
      • 8.6.1 电势(一)
      • 8.6.2 电势(二)
      • 8.6.3 电势梯度
  • 9 导体电学
    • 9.1 导体经典平衡性质
      • 9.1.1 导体的电场与电势
      • 9.1.2 导体上的电荷分布(一)
      • 9.1.3 导体上的电荷分布(二)
    • 9.2 电容及电容器
      • 9.2.1 电容
      • 9.2.2 电容器
    • 9.3 电流
      • 9.3.1 电流密度
      • 9.3.2 稳恒电流
    • 9.4 稳恒电场
      • 9.4.1 稳恒电场(一)
      • 9.4.2 稳恒电场(二)
    • 9.5 电源
  • 10 电介质
    • 10.1 电介质及其极化
      • 10.1.1 电介质
      • 10.1.2 电介质的极化
    • 10.2 极化强度
      • 10.2.1 极化强度
      • 10.2.2 极化电荷密度
    • 10.3 介质中的高斯定理
      • 10.3.1 介质中的静电场
      • 10.3.2 介质中的高斯定理
      • 10.3.3 电介质中高斯定理的应用(一)
      • 10.3.4 电介质中高斯定理的应用(二)
    • 10.4 介质边界两侧的静电场
      • 10.4.1 电介质中边界两侧电场强度关系
      • 10.4.2 电介质中边界两侧电位移矢量关系
    • 10.5 静电场的能量
      • 10.5.1 电场能量密度
      • 10.5.2 电荷系统的静电能
      • 10.5.3 电势能和静电能的对比
  • 11 稳恒磁场
    • 11.1 磁场和磁感应强度
      • 11.1.1 磁场
      • 11.1.2 磁感应强度(一)
      • 11.1.3 磁感应强度(二)
      • 11.1.4 磁感应强度(三)
    • 11.2 毕奥萨伐定律
      • 11.2.1 毕奥萨伐定律
      • 11.2.2 毕奥萨伐定律应用(一)
      • 11.2.3 毕奥萨伐定律应用(二)
      • 11.2.4 毕奥萨伐定律应用(三)
    • 11.3 磁高斯定理和安培环路定理
      • 11.3.1 磁场的高斯定理
      • 11.3.2 安培环路定理
      • 11.3.3 安培环路定理的应用(一)
      • 11.3.4 安培环路定理的应用(二)
    • 11.4 磁场对运动电荷的作用
      • 11.4.1 磁场对载流导体的作用(一)
      • 11.4.2 磁场对载流导体的作用(二)
      • 11.4.3 磁矩
      • 11.4.4 安培力的功
      • 11.4.5 霍尔效应
  • 12 磁介质
    • 12.1 顺磁性和抗磁性
    • 12.2 磁化强度和磁化电流
      • 12.2.1 磁介质的磁化强度
      • 12.2.2 磁化电流(一)
      • 12.2.3 磁化电流(二)
      • 12.2.4 磁化电流(三)
    • 12.3 介质中的磁场和磁场强度
      • 12.3.1 介质中磁场的高斯定理
      • 12.3.2 介质中磁场的安培环路定理
      • 12.3.3 磁介质的磁化率和磁导率
    • 12.4 铁磁质
    • 12.5 电场和磁场的相对性
  • 13 变化的电磁场
    • 13.1 电磁感应定律
      • 13.1.1 电磁感应现象
      • 13.1.2 法拉第电磁感应定理和楞次定律
      • 13.1.3 电磁感应的应用
    • 13.2 动生电动势
      • 13.2.1 动生电动势
      • 13.2.2 动生电动势的应用
    • 13.3 感生电动势 感应电场
      • 13.3.1 感生电动势
      • 13.3.2 感生电动势的性质
      • 13.3.3 感生电动势的计算(一)
      • 13.3.4 感生电动势的计算(二)
      • 13.3.5 感生电动势的应用
    • 13.4 自感和互感
      • 13.4.1 互感现象
      • 13.4.2 自感现象(一)
      • 13.4.3 自感现象(二)
    • 13.5 电容和电感电路中的暂态电流
      • 13.5.1 RL电路
      • 13.5.2 RC电路
      • 13.5.3 LC电路
      • 13.5.4 LRC电路
    • 13.6 磁场能量
      • 13.6.1 自感磁能
      • 13.6.2 互感磁能
    • 13.7 位移电流
      • 13.7.1 位移电流
      • 13.7.2 全电流
      • 13.7.3 全电流定律
  • 14 振动
    • 14.1 简谐振动
    • 14.2 简谐振动的运动学描述和特征量
      • 14.2.1 简谐振动的运动学特征量
      • 14.2.2 简谐振动的运动学描述(一)
      • 14.2.3 简谐振动的运动学描述(二)
    • 14.3 振动的合成
      • 14.3.1 同方向同频率简谐振动的合成
      • 14.3.2 同方不向同频率简谐振动的合成
      • 14.3.3 同频率垂直简谐振动的合成
      • 14.3.4 不同频率垂直简谐振动的合成
    • 14.4 阻尼振动
    • 14.5 受迫振动
      • 14.5.1 受迫振动
      • 14.5.2 共振
  • 15 机械波
    • 15.1 机械波运动学描述和特征量
      • 15.1.1 机械波运动学特征量
      • 15.1.2 机械波运动学描述
      • 15.1.3 机械波运动学描述的应用
    • 15.2 波动方程
    • 15.3 波的能量
      • 15.3.1 波的能量
      • 15.3.2 波的能流密度
    • 15.4 多普勒效应
      • 15.4.1 多普勒效应
      • 15.4.2 多普勒效应的应用
    • 15.5 惠更斯原理
      • 15.5.1 惠更斯原理
      • 15.5.2 折射和反射
      • 15.5.3 透射波和反射波的相位关系
    • 15.6 波的叠加干涉
      • 15.6.1 波的叠加干涉
      • 15.6.2 波的叠加和干涉的应用
      • 15.6.3 驻波
      • 15.6.4 简正模
  • 16 电磁波
    • 16.1 电磁波的性质
      • 16.1.1 光速
      • 16.1.2 横波性
    • 16.2 电磁波的能量和动量
      • 16.2.1 能流密度
      • 16.2.2 动量、辐射、压强
    • 16.3 电磁波谱
  • 17 光的偏振
    • 17.1 原子发光
      • 17.1.1 原子发光模型
      • 17.1.2 光波列的频谱宽度
    • 17.2 自然光和偏振光
    • 17.3 偏振片 马吕斯定律
      • 17.3.1 偏振片
      • 17.3.2 马吕斯定律
    • 17.4 反射和折射时光的偏振
      • 17.4.1 布儒斯特定律
      • 17.4.2 偏振片的应用
    • 17.5 双折射现象
      • 17.5.1 双折射现象
      • 17.5.2 寻常光和非寻常光
      • 17.5.3 晶体的主折射率正晶体、负晶体
      • 17.5.4 用惠更斯作图法说明双折射现象(一)
      • 17.5.5 用惠更斯作图法说明双折射现象(二)
    • 17.6 光振动的叠加 波片
      • 17.6.1 玻片(一)
      • 17.6.2 玻片(二)
      • 17.6.3 圆和椭圆偏振光的检偏
    • 17.7 人工双折射旋光
  • 18 光的干涉和衍射
    • 18.1 光波的相干叠加
    • 18.2 双缝干涉
    • 18.3 薄膜干涉
      • 18.3.1 薄膜干涉(一)
      • 18.3.2 薄膜干涉(二)
      • 18.3.3 相干条件
    • 18.4 薄膜的等倾干涉
      • 18.4.1 等倾干涉(一)
      • 18.4.2 等倾干涉(二)
      • 18.4.3 增透膜增反膜
    • 18.5 薄膜的等厚干涉
      • 18.5.1 劈尖干涉(一)
      • 18.5.2 劈尖干涉(二)
      • 18.5.3 牛顿环
    • 18.6 偏振光的干涉
      • 18.6.1 偏振光的干涉(一)
      • 18.6.2 偏振光的干涉(二)
    • 18.7 光栅干涉
      • 18.7.1 光的衍射
      • 18.7.2 惠更斯夫琅禾费衍射
      • 18.7.3 单缝夫琅禾费衍射(一)
      • 18.7.4 单缝夫琅禾费衍射(二)
      • 18.7.5 单缝夫琅禾费衍射(三)
      • 18.7.6 双缝夫琅禾费衍射(一)
      • 18.7.7 双缝夫琅禾费衍射(二)
    • 18.8 夫琅禾费衍射
      • 18.8.1 光栅衍射(一)
      • 18.8.2 光栅衍射(二)
      • 18.8.3 光栅衍射(三)
      • 18.8.4 光栅分辨本领
    • 18.9 夫琅禾费圆孔衍射
  • 19 量子光学基础
    • 19.1 热辐射
    • 19.2 普朗克的能量子假说
    • 19.3 光电效应和康普顿散射
    • 19.4 氢原子理光谱 玻尔理论
  • 20 量子力学基础
    • 20.1 德布罗意物质波
      • 20.1.1 德布罗意物质波假设
      • 20.1.2 德布罗意波的实验验证
    • 20.2 波函数
      • 20.2.1 波函数的统计解释
      • 20.2.2 波粒二象性
      • 20.2.3 态叠加原理
    • 20.3 不确定性关系
      • 20.3.1 位置和动量的不确定关系
      • 20.3.2 不确定关系与粒子的零点能
      • 20.3.3 能量和时间的不确定关系
    • 20.4 薛定谔方程
      • 20.4.1 薛定谔方程的建立
      • 20.4.2 定态薛定谔方程
    • 20.5 力学量算符的本征值问题
    • 20.6 薛定谔方程的应用
      • 20.6.1 一维无限深势阱(一)
      • 20.6.2 一维无限深势阱(二)
      • 20.6.3 一维谐振子
      • 20.6.4 一维散射
      • 20.6.5 扫描隧穿显微镜
    • 20.7 氢原子量子理论
      • 20.7.1 氢原子的薛定谔方程
      • 20.7.2 氢原子的量子数、能量和角动量
      • 20.7.3 塞曼效应
      • 20.7.4 氢原子的径向波函数
      • 20.7.5 氢原子的角向波函数
    • 20.8 电子自旋 泡利不相容原理
      • 20.8.1 电子自旋
      • 20.8.2 泡利不相容原理
电荷
  • 1 视频
  • 2 试题




人类对电的认识,可以追溯到遥远的古代。据说早在公元前2750多年,古埃及的书籍中就有了发电鱼的记载。公元前585年左右,希腊的哲学家泰勒斯记录过,用毛皮与琥珀相互摩擦后,琥珀会吸引羽毛之类的轻微物体,假如摩擦时间足够长,甚至会出现火花。中国晋代张华的《博物志》对人们生活中的电现象有明确的记载:“今人梳头,解着衣,有随梳解结,有光者,亦有喧声。”15世纪以前,阿拉伯人就了解了雷闪的本质是电,并提出“闪电”这个词,他们可能是最先认识到闪电本质的。

1600年英国医生威廉·吉尔伯特发明了一种可以探测静电的验电器,即静电验电器。他对电磁现象做过很仔细的研究,指出琥珀不是唯一可以经过摩擦而产生静电的物质,并且给出了电与磁的区别。他撰写了人类历史上第一本阐述电和磁的科学著作《论磁石》。吉尔伯特创建了术语“electricus”(源于希腊文的“琥珀”),意指摩擦后能吸引轻小物体的性质。

英文词汇“electric”和“electricity”,最先出现于1646年托马斯·布朗的著作《Pseudodoxia Epidemica》(英文书名《Enquries into very many receivedtenets and commonly presumed truths》)。1660年,奥托·冯·格里克发明了静电发电机,这可能是历史上第一台静电发电机。他将一个硫磺球固定于一根铁轴的一端,一边旋转硫磺球,一边用干燥的手摩擦硫磺球,使硫磺球产生电荷,能够吸引轻小的物体。

对电进行量化研究,是18世纪以后才开始的。1732年美国科学家本杰明·富兰克林认为电是一种没有重量的流体,存在于所有物体中。当物体得到比正常份量多的电就称其带正电;若少于正常份量,就称其带负电,所谓“放电”就是正电流向负电的过程。该理论并不完全正确,但是正电、负电两种名称则被保留下来并沿用到现在。富兰克林做了多次实验,进一步揭示了电的性质,并提出了“电流”这一术语。

1752年富兰克林做了风筝实验,他把绑上钥匙的风筝用金属线放到云层中,被雨淋湿的金属线连结着风筝和钥匙,手指触碰钥匙时能感受到电击,这说明闪电沿金属线被引到了钥匙与手指之间,证明了空中的闪电与地面上的电是同一回事。这个新奇的结论让风筝实验成为轰动一时的大事,一年后富兰克林根据风筝实验的原理,发明了世界上第一个避雷针。

最早针对电流进行研究的是意大利的解剖学教授伽伐尼。他的发现源自于1780年的一次闪电现象,闪电使伽伐尼解剖台上一只两端分别与钳子和镊子相接触的青蛙腿产生了痉挛。严谨的科学态度使他对这个“偶然”的怪异现象展开了研究。伽伐尼花费了整整12年,研究类似青蛙腿这种肌肉运动中的电流动作。他发现如果使神经和肌肉与两种不同的金属(例如铜丝和铁丝)接触,青蛙腿就会发生痉挛,伽伐尼认为蛙腿的痉挛现象是“动物电”的表现。

伽伐尼的看法在科学界引起了巨大波动,而另一位意大利科学家伏特(有的翻译成伏打)不同意伽伐尼的看法,他认为电存在于金属之中,不是存在于肌肉中。两种说法引起了争论,并使科学界分成两大派。1799年伏特以浸过盐水的湿布夹在银和锌制成的圆形板中间,堆积成圆柱状,制造出世界上最早的电池——伏打电池。1800年初,伏特在英国皇家学会发表了关于伏打电池的论文。

有关电流的研究,对于人们深入探索电的本质和电磁现象具有重要的意义。1820年丹麦物理学家奥斯特以电流使小磁针发生偏转的实验证实了电流的磁效应。英国的法拉第从中得到启发,设想假如磁铁固定,其附近的通电线圈就可能发生运动。1821年法拉第根据自己的设想,成功地发明了最简单的电动机,就是通电线圈绕着一块磁铁不停地转动。这是世界上第一台电动机,是第一台利用电流驱动物体运动的装置,虽然简陋,但却是当今世界上所有电动机的祖先。

1831年法拉第又发明了世界上最早的发电机。他发现当一块磁铁穿过一个闭合线路时,线路内就会有电流产生,这个效应叫电磁感应。法拉第的电磁感应定律一般被认为是他最伟大的发现。

1866年德国的西门子制成世界上第一台工业用发电机,此后电气技术的发展带来了电气化工业革命,将人类历史推进到“电气时代”。直到今天,人类生活的方方面面都已经与电力及电器密不可分。