第十五章磁共振成像
通过复习后，应该:
1.理解原子核在磁场中的旋进、核磁共振、弛豫过程和弛豫时间、核磁共振谱、化学位移和自旋耦合;
2.了解核磁共振谱的应用、磁共振成像的主要依据和基本方法、磁共振成像的发展现状和前景。
15-1 解释下列名词:核磁矩、旋进、拉莫尔频率、磁化矢量、核磁共振、弛豫过程。
答: ①核磁矩:原子核有一定的正电荷，它像一个小陀螺一样，围绕着自身的轴线作自旋运动，原子核作自旋运动而具有磁矩，称为核磁矩，是一个矢量。②旋进:当原子核（如氢核）处在外磁场B0中时，它的核磁矩要受到外磁场的作用，在自身旋转的同时又以外磁场B0方向为轴旋转，使得它一方面绕本身的自旋轴旋转，另一方面自旋轴又绕外磁场的方向旋转，这种运动称为旋进。③拉莫尔频率:核磁矩在外磁场中旋进（即自旋轴绕外磁场旋转）的频率叫拉莫尔频率，其大小与外磁场的磁感应强度成正比，也因原子核的种类不同而异。④磁化矢量:样品中大量的氢原子核在外磁场B0的作用下，处于低能态（即平行态）的氢核数远多于高能态（反平行态）的氢核数，这时氢核磁矩不能完全互相抵消，整个氢核系统在外磁场B0的方向（z轴方向）上，总的磁矩不等于零，这个总磁矩M称为磁化矢量。其大小随外磁场的增强而增大，但因各核磁矩的相位是随机的，它们在XY平面的横向分量互相抵消，合成的横向分量M xy等于零，这时M=M z，与B0同向。⑤核磁共振:如果在垂直于外磁场B0的方向上对旋进的氢核磁矩施加一射频磁场，当它的频率等于拉莫尔频率时，氢核磁矩可能吸收射频磁场的能量，从能量较低的“平行态”跃迁到能量较高的“反平行态”，在氢核磁矩与射频磁场之间发生共振吸收，这种现象称为核磁共振。⑥弛豫过程:由于受到射频磁场的作用，氢核发生共振吸收后，导致整个核系统的磁化矢量M偏离平衡状态，即偏离B0的方向,这时M xy≠0。在射频磁场消失后，核系统又以一定的时间释放在核磁共振时吸收的射频能量，氢核磁矩及其磁化矢量M要恢复到原来的平衡状态，即M xy =0，M z =M 0，这个恢复过程称为弛豫过程。
15-2 设在MRI系统中主磁场和梯度场之和的磁感应强度在1.500T～1.501T的范围，试估算氢核成像应施加的射频脉冲所包含的频谱范围（氢核的磁旋比为42.58MHz·T -1）。
解: 已知γ=42.58MHz·T -1，B=1.500T～1.501T，由拉莫尔公式f=γB/ 2π，可得f1 =42.58×1.500/6.28MHz=10.170MHz , f 2 =42.58×1.501/6.28MHz=10.177MHz 即射频脉冲的频谱范围为10.170MHz～10.177MHz。
15-3 在磁场为0.5T的核磁共振系统中，13C核的共振频率为853kHz，求13C的磁旋比。
解: 已知f=853kHz=853×10 -3 MHz，B=0.5T，根据拉莫尔公式f=γB/2π，可得13C的磁旋比γ为
γ=2πf/ B=6.28×853×10 -3 /0.5 MHz·T-1 ≈10.71MHz·T-1
15-4 什么是纵向弛豫和横向弛豫?它们分别对应于何种能量交换过程，并说明T1、T2的物理意义。
答: 横向弛豫过程:它是同种原子核之间相互交换能量的过程，在这个过程中各核磁矩
矢量从方向一致到逐渐松散开来，它们之间的相位从一致过渡到不一致，恢复到射频磁场作用前的随机状态，在x y平面上的合成磁化矢量M xy（即横向磁化矢量）逐渐消失。T2是M xy 衰减到最大值的37%时所经历的时间，是横向磁化矢量衰减的时间常数，通常称为横向弛豫时间。
纵向弛豫过程:它是氢核与周围环境进行热交换的过程，纵向磁化矢量M z逐渐恢复到射频磁场作用前的状态，即由零恢复到最大值。T1是M z从零增长达到最大值的63%时所经历的时间，是纵向磁化矢量M z恢复的时间常数，通常叫做纵向弛豫时间。
15-5 在核磁共振成像中，利用氢核密度ρ、弛豫时间T 1 、T 2 三个参数的差别进行成像，其主要依据是什么?
答: 主要有三个方面:①在人体组织中含有大量的水和碳水化合物，氢原子核的密度最大，由它得到的核磁共振的信号最强，灵敏度最高，与氢核相比，其他元素的核磁共振信号很弱，相差1000倍以上，因此氢核是人体磁共振成像的首选核种。②人体内各种组织的含水量不同，这就意味着人体内各组织的氢核密度不同，核磁共振信号的强弱有差异，利用这种差异，可以把不同组织区分开来。③人体不同组织以及同种器官正常组织与其肿瘤组织的弛豫时间T 1、T 2 不同，这就提供了利用T 1、T 2值建立人体组织分布图像以及从图中分辨出病变组织的可能性，为临床诊断提供依据。
15-6 在核磁共振成像中，怎样用磁场值来标记受检体共振核的空间位置?
答: 为了用磁场值来标记受检体共振核的空间位置，一方面将受检体进行空间编码，把它化成一个六面体，分解为n x×n y×n z个正方体小体积元（即体素）。另一方面，在受检体所处的均匀静磁场B0的x、y、z三个坐标轴的方向，分别叠加一个大小随位置坐标而线性变化的梯度磁场G z、G y、G z，它们的方向均与静磁场B0一致。这样，沿着某一坐标轴方向的磁感应强度由小到大均匀地变化，坐标位置不同的体素，其磁场值不同。根据拉莫尔公式f=γB0 /2π，磁场值不同的体素，其磁共振的频率也不同。可见，通过在不同坐标轴方向上叠加不同梯度的线性变化的磁场，可以将核磁共振信号与空间位置联系起来，即核磁共振的频率与体素的坐标位置一一对应，从而用磁场值标记了受检体共振核的空间位置。
15-7 磁共振成像系统主要由哪几部分组成?它们各起什么作用?
答: 磁共振成像系统主要由以下四部分组成:①主磁体，是磁共振成像系统的关键部件，使受检体的氢核产生旋进运动，整个氢核系统在主磁体磁场的作用下，在它的方向上形成一个磁化矢量。②梯度磁场线圈，在x、y、z三个坐标轴方向上分别产生线性变化的梯度磁场，与主磁体磁场叠加，以实现核磁共振信号的空间编码。③发射和接收装置，发射部分通过发射线圈产生与主磁体磁场垂直的短而强的射频磁场，以脉冲的形式加于成像体，使它的氢核磁矩产生核磁共振。待射频脉冲过后，接收线圈中感应出核磁共振信号，经放大后送数据采集系统。④计算机图像处理系统，由射频接收装置送来的磁共振模拟信号，经A/D转换，变为计算机可以接收的数字信号，通过数据采集，送计算机分析处理，得到断层像的数据，加于图像显示器，按成像参数的大小用不同的灰度等级，显示出欲观测的断层图像。
15-8 磁共振成像的主磁体有哪三种?它们各自有什么样的性能?
答: 有常导磁体、永久磁体、超导磁体。其中常导磁体，磁场一般可达0.2T，均匀度可达磁共振成像的基本要求，造价低，但耗电量大;永久磁体，磁场可达0.3T，设备简单，造价低，但均匀性差;超导磁体，磁场有0.5T、1.0T、1.5T、2.0T等，均匀性很好，但造价高，维护比较复杂。
15-9 与X射线CT相比较，磁共振成像技术在医学应用上有何特点或优势?
答: MRI的特点或优势有以下几点:①MRI是多参数、多方向断层成像，用作成像的参数有弛豫时间T1、T2和质子密度ρ，此外还有血流速度v，而CT仅有一个参数，即吸收系数μ，所以MRI能够提供更丰富的诊断信息，同时MRI可以重建横断面、冠状面、矢状面这三个标准正交断面，甚至可以显示任意方向的解剖层面。②成像系统的软件较强，MRI配备多种先进的脉冲序列，可以灵活地选择扫描工作参数，用多种方式成像，所以图像质量较优，尤其对比度高，软组织分辨率好，很少伪影，这些特点使得MRI在颅脑和心血管系统疾病的诊断优于CT。③磁共振成像的工作物质是一般电磁波而不是高能射线，因而没有辐射损伤，近年由于技术上迅速发展，MRI的扫描时间已缩短到亚秒级，在实现小视野、薄层和快速成像可以同CT媲美。
第一章 质点运动学 1–1 描写质点运动状态的物理量是 。 解：加速度是描写质点状态变化的物理量，速度是描写质点运动状态的物理量，故填“速度”。 1–2 任意时刻a t =0的运动是 运动；任意时刻a n =0的运动是 运动；任意时刻a =0的运动是 运动；任意时刻a t =0，a n =常量的运动是 运动。 解：匀速率；直线；匀速直线；匀速圆周。 1–3 一人骑摩托车跳越一条大沟，他能以与水平成30°角，其值为30m/s 的初速从一边起跳，刚好到达另一边，则可知此沟的宽度为 （)m/s 102=g 。 解：此沟的宽度为 m 345m 10 60sin 302sin 220=??==g R θv 1–4 一质点在xoy 平面运动，运动方程为t x 2=，229t y -=，位移的单位为m ，试写出s t 1=时质点的位置矢量__________；s t 2=时该质点的瞬时速度为__________，此时的瞬时加速度为__________。 解：将s t 1=代入t x 2=，229t y -=得 2=x m ，7=y m s t 1=故时质点的位置矢量为 j i r 72+=（m ） 由质点的运动方程为t x 2=，229t y -=得质点在任意时刻的速度为 m/s 2d d ==t x x v ，m/s 4d d t t x y -==v s t 2=时该质点的瞬时速度为 j i 82-=v （m/s ） 质点在任意时刻的加速度为 0d d ==t a x x v ，2m/s 4d d -==t a y y v s t 2=时该质点的瞬时加速度为j 4-m/s 2 。
清华大学《大学物理》习题库试题及答案热学习题 一、选择题 1．4251：一定量的理想气体贮于某一容器中，温度为T ，气体分子的质量为m 。根据 理想气体的分子模型和统计假设，分子速度在x 方向的分量平方的平均值 (A) m kT x 32=v (B) m kT x 3312=v (C) m kT x /32=v (D) m kT x /2=v ［ ］ 2．4252：一定量的理想气体贮于某一容器中，温度为T ，气体分子的质量为m 。根据 理想气体分子模型和统计假设，分子速度在x 方向的分量的平均值 (A) m kT π8=x v (B) m kT π831=x v (C) m kT π38=x v (D) =x v 0 ［ ］ 3．4014：温度、压强相同的氦气和氧气，它们分子的平均动能ε和平均平动动能w 有如下关系： (A) ε和w 都相等 (B) ε相等，而w 不相等 (C) w 相等，而ε不相等 (D) ε和w 都不相等 ［ ］ 4．4022：在标准状态下，若氧气(视为刚性双原子分子的理想气体)和氦气的体积比V 1 / V 2=1 / 2 ，则其内能之比E 1 / E 2为： (A) 3 / 10 (B) 1 / 2 (C) 5 / 6 (D) 5 / 3 ［ ］ 5．4023：水蒸气分解成同温度的氢气和氧气，内能增加了百分之几(不计振动自由度和 化学能)？ (A) 66.7％ (B) 50％ (C) 25％ (D) 0 ［ ］ 6．4058：两瓶不同种类的理想气体，它们的温度和压强都相同，但体积不同，则单位 体积内的气体分子数n ，单位体积内的气体分子的总平动动能(E K /V )，单位体积内的气体质 量ρ，分别有如下关系： (A) n 不同，(E K /V )不同，ρ不同 (B) n 不同，(E K /V )不同，ρ相同 (C) n 相同，(E K /V )相同，ρ不同 (D) n 相同，(E K /V )相同，ρ相同 ［ ］ 7．4013：一瓶氦气和一瓶氮气密度相同，分子平均平动动能相同，而且它们都处于平 衡状态，则它们 (A) 温度相同、压强相同 (B) 温度、压强都不相同 (C) 温度相同，但氦气的压强大于氮气的压强 (D) 温度相同，但氦气的压强小于氮气的压强 ［ ］ 8．4012：关于温度的意义，有下列几种说法：(1) 气体的温度是分子平均平动动能的 量度；(2) 气体的温度是大量气体分子热运动的集体表现，具有统计意义；(3) 温度的高低 反映物质内部分子运动剧烈程度的不同；(4) 从微观上看，气体的温度表示每个气体分子的 冷热程度。这些说法中正确的是 (A) (1)、(2)、(4)；(B) (1)、(2)、(3)；(C) (2)、(3)、(4)；(D) (1)、(3) 、(4)； ［ ］ 9．4039：设声波通过理想气体的速率正比于气体分子的热运动平均速率，则声波通过 具有相同温度的氧气和氢气的速率之比22 H O /v v 为 (A) 1 (B) 1/2 (C) 1/3 (D) 1/4 ［ ］ 10．4041：设图示的两条曲线分别表示在相同温度下氧气和氢气分子的速率分布曲线；
第1章 质点运动学 习 题 一 选择题 1-1 对质点的运动，有以下几种表述，正确的是[ ] (A)在直线运动中，质点的加速度和速度的方向相同 (B)在某一过程中平均加速度不为零，则平均速度也不可能为零 (C)若某质点加速度的大小和方向不变，其速度的大小和方向可不断变化 (D)在直线运动中，加速度不断减小，则速度也不断减小 解析：速度是描述质点运动的方向和快慢的物理量，加速度是描述质点运动速度变化的物理量，两者没有确定的对应关系，故答案选C 。 1-2 某质点的运动方程为)(12323m t t x +-=，则该质点作[ ] (A)匀加速直线运动，加速度沿ox 轴正向 (B)匀加速直线运动，加速度沿ox 轴负向 (C)变加速直线运动，加速度沿ox 轴正向 (D)变加速直线运动，加速度沿ox 轴负向 解析：229dx v t dt = =-，18dv a t dt ==-，故答案选D 。 1-3 一质点在平面上作一般曲线运动，其瞬时速度为v ，瞬时速率为v ，某一段时间内的平均速率为v ，平均速度为v ，他们之间的关系必定有[ ] (A)v =v ，v =v (B)v ≠v ，v =v (C)v ≠v ，v ≠v (D)v =v ，v ≠v
解析：瞬时速度的大小即瞬时速率，故v =v ；平均速率s v t ?=?，而平均速度t ??r v = ，故v ≠v 。答案选D 。 1-4 质点作圆周运动时，下列表述中正确的是[ ] (A)速度方向一定指向切向，所以法向加速度也一定为零 (B)法向分速度为零，所以法向加速度也一定为零 (C)必有加速度，但法向加速度可以为零 (D)法向加速度一定不为零 解析：质点作圆周运动时，2 n t v dv a a dt ρ =+=+ n t n t a e e e e ，所以法向加速度一定不为零，答案选D 。 1-5 某物体的运动规律为 2dv kv t dt =-，式中，k 为大于零的常量。当0t =时，初速为0v ，则速率v 与时间t 的函数关系为[ ] (A)2012v kt v =+ (B)2011 2kt v v =+ (C)2012v kt v =-+ (D)2011 2kt v v =-+ 解析：由于2dv kv t dt =-，所以 02 0()v t v dv kv t dt =-? ? ，得到20 11 2kt v v =+，故答案选B 。 二 填空题 1-6 已知质点位置矢量随时间变化的函数关系为2=4t +( 2t+3)r i j ，则从
大学物理第2章-质点动力学习题(含解答)
2 第2章质点动力学习题解答 2-1 如图所示，电梯作加速度大小为a 运动。物体质量为m ，弹簧的弹性系数为k ，?求图示三种情况下物体所受的电梯支持力（图a 、b ）及电梯所受的弹簧对其拉力（图c ）。 解：（a ）ma mg N =- )(a g m N += （b ）ma N mg =- )(a g m N -= （c ）ma mg F =- )(a g m F += 2-2 如图所示，质量为10kg 物体，?所受拉力为变力21 32 +=t F （SI ），0=t 时物体静止。该物 体与地面的静摩擦系数为 20 .0=s μ，滑动摩擦系数为10.0=μ， 取10=g m/s 2，求1=t s 时，物体的速度和加速度。 解：最大静摩擦力) (20max N mg f s ==μ max f F >，0=t 时物体开始运动。
3 ma mg F =-μ，1 .13.02 +=-=t m mg F a μ 1 =t s 时，)/(4.12 s m a = dt dv a = Θ，adt dv =，??+=t v dt t dv 0 2 1.13.0 t t v 1.11.03+= 1 =t s 时，)/(2.1s m v = 2-3 一质点质量为2.0kg ，在Oxy 平面内运动， ?其所受合力j t i t F ρ ρρ232 +=（SI ），0=t 时，速度j v ρ ρ 20 =（SI ），位矢i r ρρ 20=。求：（1）1=t s 时，质点加速 度的大小及方向；（2）1=t s 时质点的速度和位 矢。 解：j t i t m F a ρρρ ρ+==22 3 22 3t a x = ，00=x v ，2 =x ?? =t v x dt t dv x 020 2 3 ， 2 3 t v x = ?? ?==t x t x dt t dt v dx 03 2 02， 2 84 +=t x t a y =，2 0=y v ，0 =y ?? =t v y tdt dv y 2 ， 2 2 2 +=t v y
热学部分 一、选择题 1．4251：一定量的理想气体贮于某一容器中，温度为T ，气体分子的质量为m 。根据理想气体的分子模型和统计假设，分子速度在x 方向的分量平方的平均值 (A) (B) (C) (D) ［ ］ 2．4252：一定量的理想气体贮于某一容器中，温度为T ，气体分子的质量为m 。根据理想气体分子模型和统计假设，分子速度在x 方向的分量的平均值 (A) (B) (C) (D) 0 ［ ］ 3．4014：温度、压强相同的氦气和氧气，它们分子的平均动能和平均平动动能 有如下关系：(A) 和都相等 (B) 相等，而不相等 (C) 相等，而不相等 (D) 和都不相等 ［ ］ 4．4022：在标准状态下，若氧气(视为刚性双原子分子的理想气体)和氦气的体积比V 1 / V 2=1 / 2 ，则其内能之比E 1 / E 2为： (A) 3 / 10 (B) 1 / 2 (C) 5 / 6 (D) 5 / 3 ［ ］ 5．4023：水蒸气分解成同温度的氢气和氧气，内能增加了百分之几(不计振动自由度和化学能)？ (A) 66.7％ (B) 50％ (C) 25％ (D) 0 ［ ］ 6．4058：两瓶不同种类的理想气体，它们的温度和压强都相同，但体积不同，则单位体积内的气体分子数n ，单位体积内的气体分子的总平动动能(EK /V )，单位体积内的气体质量，分别有如下关系：(A) n 不同，(EK /V )不同，不同 (B) n 不同，(EK /V )不同，相同 (C) n 相同，(EK /V )相同，不同 (D) n 相同，(EK /V )相同，相同 ［ ］ 7．4013：一瓶氦气和一瓶氮气密度相同，分子平均平动动能相同，而且它们都处于平衡状态，则它们 (A) 温度相同、压强相同 (B) 温度、压强都不相同 (C) 温度相同，但氦气的压强大于氮气的压强 (D) 温度相同，但氦气的压强小于氮气的压强 ［ ］ 8．4012：关于温度的意义，有下列几种说法：(1) 气体的温度是分子平均平动动能的量度；(2) 气体的温度是大量气体分子热运动的集体表现，具有统计意义；(3) 温度的高低反映物质内部分子运动剧烈程度的不同；(4) 从微观上看，气体的温度表示每个气体分子的冷热程度。这些说法中正确的是 (A) (1)、(2)、(4)；(B) (1)、(2)、(3)；(C) (2)、(3)、(4)；(D) (1)、(3) 、(4)； ［ ］ 9．4039：设声波通过理想气体的速率正比于气体分子的热运动平均速率，则声波通过具有相同 温度的氧气和氢气的速率之比为 (A) 1 (B) 1/2 (C) 1/3 (D) 1/4 ［ ］ 10．4041：设图示的两条曲线分别表示在相同温度下氧气和氢气分子的速率分布曲线；令 和分别表示氧气和氢气的最概然速率，则： (A) 图中ａ表示氧气分子的速率分布曲线； /=4 (B) 图中ａ表示氧气分子的速率分布曲线； /＝1/4 (C) 图中ｂ表示氧气分子的速率分布曲线； /＝1/4 (D) 图中ｂ表示氧气分子的速率分布曲线； /＝ 4 ［ ］ m kT x 32= v m kT x 3312 =v m kT x /32=v m kT x /2 =v m kT π8= x v m kT π831=x v m kT π38= x v =x v εw εw εw w εεw ρρρρρ2 2H O /v v ()2 O p v ()2 H p v ()2 O p v ()2 H p v ()2O p v ()2H p v ()2 O p v ()2 H p v ()2 O p v ()2 H p v
高分子物理学思考题及习题 第1章 思考题 1-1 重要概念：高分子化合物；高分子材料（聚合物）；天然高分子材料；人工合成高分子材料；塑料；橡胶；纤维；功能高分子；结构单元；聚合度；线形分子链（线形高分子）；支化分子链（支化高分子）；交联网络（交联高分子）。 1-2 了解高分子材料的分类法和命名法。 1-3 与小分子化合物和小分子材料相比，高分子化合物与高分子材料的结构有哪些重要特点使之具有独特的性能？将这些特点牢记在心。 1-4 仔细阅读关于高分子材料的“多分散性和多尺度性”、“软物质性”及“标度性”的说明，理解其意义。 1-5 了解高分子物理学的核心内容和主要学习线索，体会“高分子物理学是研究高分子材料结构、分子运动与性能的关系的学说”。 1-6 阅读“高分子物理学发展简史及研究热点”一节，了解当前高分子物理学的热点问题和发展方向。 1-7 根据生活经验，列举一些适合用作塑料、橡胶或纤维的聚合物名称。 1-8 下列一些聚合物（我国的商品名称）：丁苯橡胶，氯丁橡胶，硅橡胶，环氧树脂，脲醛树脂，聚氯乙烯，聚碳酸脂，涤纶，锦纶，腈纶。试分别写出各自结构单元的化学结构式及合成所需单体的化学结构式。 第一章习题可能与高分子化学学习内容重复，可不做。 第2章 思考题及习题 2-1重要概念：近程结构；远程结构；构型；构象；无规线团；内旋转；内旋转
势垒；分子链柔顺性（静态和动态）；链段；均方末端距；均方旋转半径；自由连接链；自由旋转链；等效自由连接链；Kuhn等效链段；高斯链；θ条件/θ状态；Flory特征比（刚性因子）。 （1）近程结构：包括构造和构型。构造是指链中原子的种类和排列，取代基和端基的种类，单体单元的排列顺序，支链的类型和长度等。构型是指由化学键所固定的链中原子或基团在空间的排列。 注意：近程结构相当于“链的细节”。构造着重于链上的原子的种类、数目比例、相互连接关系。构型涉及空间立体异构（顺反异构、旋光异构）。 （2）远程结构：包括分子的大小、构象和形态，链的柔顺性。 注意：因为高分子的长链形状，才产生了如此多的结构层次。 （3）无规线团：高斯链的空间形态。换言之，无规蜷曲的柔性链的空间形态。（4）内旋转：sigma键的电子云轴对称，因此形成sigma键的两个原子可以绕键对称轴旋转。 注意：无论高分子或小分子，只要是sigma键就可内旋转。小分子的三维尺寸差不多，内旋转意义不大；而高分子的长短与粗细相差悬殊，故内旋转能导致高分子链出现天文数字的空间形态。我们一般只关注“主链上单键的内旋转”，不太关心侧基上单键。 （5）内旋转势垒：顺式构象与反式构象的位能差。 注意：参考图2-5。相当于内旋转活化能，内旋转势能峰高度。是ΔE而不是Δε。 （6）柔顺性：大分子链通过主链上单键的内旋转可以改变构象和形态的性质。（7）链段：大分子链上由相邻几个单键组成的能够自由取向的最小单位。 注意：链段实际上不存在，是一个人为的划分。很多时候算出来的链段长度是个非整数（譬如聚乙烯，le=倍单键投影长度）。但是链段有明确的物理意义，即链越柔顺，le越小。 （8）均方末端距：末端距平方的平均值。 注意：如何理解“平均值”？有两种“平均”方法，（1）可只对一个链进行时间平均；（2）也可对所有链（某一时刻）作平均。根据统计力学原理，二者的结果相同。
第1章质点的运动与牛顿定律 一、选择题 易１、对于匀速圆周运动下面说法不正确的是（） （A）速率不变；（B）速度不变；（C）角速度不变；（D）周期不变。易：２、对一质点施以恒力，则；（） （A）质点沿着力的方向运动；（ B）质点的速率变得越来越大； （C）质点一定做匀变速直线运动；（D）质点速度变化的方向与力的方向相同。易：３、对于一个运动的质点，下面哪种情形是不可能的（） (A)具有恒定速率，但有变化的速度；(B)加速度为零，而速度不为零；(C)加速度不为零，而速度为零。(D) 加速度恒定(不为零)而速度不变。中：４、试指出当曲率半径≠0时，下列说法中哪一种是正确的（） (A) 在圆周运动中，加速度的方向一定指向圆心； (B) 匀速率圆周运动的速度和加速度都恒定不变； (C)物体作曲线运动时，速度方向一定在运动轨道的切线方向，法线分速度 恒等于零，因此法问加速度也一定等于零； (D) 物体作曲线运动时，一定有加速度，加速度的法向分量一定不等于零。 难：５、质点沿x方向运动，其加速度随位置的变化关系为:．如在x = 0处，速度，那么x=3m处的速度大小为 (A) ；(B) ；(C) ；(D) 。 易：６、一作直线运动的物体的运动规律是，从时刻到间的平
均速度是 (A) ； (B) ； (C) ； (D) 。 中7、一质量为m 的物体沿X 轴运动，其运动方程为t x x ωsin 0=，式中0x 、ω均为正的常量，t 为时间变量，则该物体所受到的合力为：（ ） （A ）、x f 2ω=； （B ）、mx f 2ω=； （C ）、mx f ω-=； （D ）、mx f 2ω-=。 中：８、质点由静止开始以匀角加速度沿半径为R 的圆周运动．如果在某一时刻此质点的总加速度与切向加速度成 角，则此时刻质点已转过的角度 为 (A) ； (B) ； (C) ； (D) 。 难９、一质量为本10kg 的物体在力f=（120t+40）i （SI ）作用下沿一直线运动，在t=0时，其速度v 0=6i 1-?s m ，则t=3s 时，它的速度为： （A ）10i 1-?s m ； （B ）66i 1-?s m ； （C ）72i 1-?s m ； （D ）4i 1-?s m 。 难：1０、一个在XY 平面内运动的质点的速度为，已知t = 0时，它 通过(3，-7) 位置处，这质点任意时刻的位矢为 (A) ； (B) ； (C) ； (D) 。 易１1、下列说法正确的是： （ ） （A ）质点作圆周运动时的加速度指向圆心； （B ）匀速圆周运动的速度为恒量； （C ）、只有法向加速度的运动一定是圆周运动； （D ）直线运动的法向加速度一定为零。 易：1２、下列说法正确的是： （ ） （A ）质点的速度为零，其加速度一定也为零；
精密仪器与机械学系 精密仪器系
光学工程基础Ⅱ ——物理光学
孙利群 教授
办公室：3104# 62783033 sunlq@https://www.doczj.com/doc/0212345508.html,
2013-4-22
1
2 精密仪器与机械学系 精密仪器系
物理光学与几何光学的关系
? 几何光学：不涉及光的物理本性 ? 将光视为传输能量的几何线（光线） ? ? 物理光学在波长趋于0时的一种近似 ? ? 光学 ? ? ?光的干涉 ? ? ? ? ? 波动光学 ?光的衍射 ?物理光学： 研究光的本质 ? ?光的偏振 ? ? ? ? ?量子光学 ? ?
2013-4-22 2
3 精密仪器与机械学系 精密仪器系
绪论：物理光学的研究对象
光（物质）的基本属性 光的传播规律 光与其它物质之间的相互作用
量子光学 电磁光学 波动光学 几何光学
2013-4-22
3
4 精密仪器与机械学系 精密仪器系
物理光学（波动光学）研究内容
光在各向同性媒质中的传播规律（折射、反射、 现 象 & 规 律 吸收、色散、散射）； 传播过程中光波叠加（干涉）时、 光波受阻（衍射）时的现象、规律； 在各向异性媒质中的传播规律（偏振、双折射）
2013-4-22 4
5 精密仪器与机械学系
物理光学的应用
2013-4-22
5
6 精密仪器与机械学系 精密仪器系
物理光学的应用
2013-4-22
6
第一章 质点运动学 1．已知一质点的运动方程为2 2(2)r ti t j =+- （SI 制）。(1) 求出1t s =，和2t s =时质点的位矢； (2) 求出1s 末和2s 末的速度； (3) 求出加速度。 解：（1）1t s =时 12r i j =+ ，2t s =时 242r i j =- （2）质点的运动的速度22dr v i t j dt ==- ：1t s =时 122v i j =- ， 2t s =时 224v i j =- （3）质点运动的加速度2dv a j dt = =- 2.一质点沿y 轴作直线运动，其速度大小2 83y v t =+，单位为SI 制。质点的初始位置在y 轴正方向10m 处，试求：（1）2t s =时,质点的加速度；（2）质点的运动方程。 解：根据题意可知，0t s =时，1 08m s v -=，010m y = （1） 质点在2t s =时的加速度y a 为2 612ms y y dv a t dt -= == （2） 质点的运动方程y 为y dy v dt =，两边积分 2 10 (83)y t dy t dt = +? ? ，因此 3108y t t =++ 3.某质点在xoy 平面上作加速运动，加速度2 32(m /s )a i j =+ 。在零时刻的速度为零，位置矢量 05m r i = 。试求： （1） t 时刻的速度和位矢；（2） 质点在平面上的轨迹方程。 解：（1）t 时刻的速度v 为(32)dv adt i j dt ==+ ，积分得 0 (32)v t dv i j dt = +? ? 因此 1 (32)m s v ti tj -=+ ； t 时刻的位矢r 为(32)dr vdt ti tj dt ==+ 积分得 00(32)r t r dr ti tj dt =+?? ，因此2222 013(32)(5)22r r t i t j t i t j =++=++ （2）由r 的表达式可得质点的运动方程 22 352x t y t ? =+???=? 消去两式中的t ，便得轨迹方程 210 33y x =- 4.一汽艇以速率0v 沿直线行驶。发动机关闭后，汽艇因受到阻力而具有与速度v 成正比且方向相反的加速度a kv =-，其中k 为常数。求发动机关闭后，（1） 在时刻t 汽艇的速度；（2） 汽艇能滑行的距离。 解：本题注意根据已知条件在计算过程中进行适当的变量变换。 （1）因为dv a kv dt = =-， 可得 kdt v dv -=，所以?? -= t v v kdt v dv 0 ， 积分得 kt v v -=0 ln ，即：kt e v v -=0
第一章 质点运动学 1．已知质点运动方程即位矢方程（k t z j t y i t x t r )()()()(++=），求轨迹方程、位矢、位 移、平均速度、平均加速度。 [解题方法]： （1）求轨迹方程-----------------从参数方程形式 。t t z z t y y t x x 得轨迹方程消去→?? ?? ?===)()() ( （2）求位矢------------------------将具体时间t 代入。 （3）求位移------------------------A B r r r -=? （4）求平均速度 （5）求平均加速度 2．已知质点运动方程即位矢方程（k t z j t y i t x t r )()()()(++=），求速度、加速度。 [解题方法]：（求导法） （1）求速度（2）求加速度 3．已知加速度和初始条件，求速度、质点运动方程（位矢方程）。 [解题方法]：（积分法） （1）求速度------------------------ （2）求位矢------------------------ 注意： （1）看清加速度若不是常数，只能用积分法，而不能随便套用中学的匀加速直线运动三公式。 （2）一维直线运动中，或者分量式表示中，可去掉箭头。
（3）二维平面运动则必须加矢量箭头，矢量表示左右要一致。 4．圆周运动中已知路程)(t s ，求：速度、角速度、角加速度、切向加速度、法向加速度、总加速度。 [解题方法]： （1）求速度 （2）求角速度（3）求角加速度（4）求切向加速度（5）求法向加速度（6）求总加速度------------------n a a a +=τ，? ? ? ? ?=+=）a a a artg ：a a ：a n n 与切向夹角方向大小(2 2ττθ 5．圆周运动中已知角位置)(t θ，求：速度、角速度、角加速度、切向加速度、法向加速度、总加速度。 [解题方法]： （1）求角速度 （2）求速度（3）求角加速度（4）求切向加速度（5）求法向加速度（6）求总加速度------------------n a a a +=τ，?? ? ? ?=+=） a a a artg ：a a ：a n n 与切向夹角方向大小(2 2ττθ *注意：若圆周运动中已知角加速度α，求：角速度、速度、角位置)(t θ、切向加速度、 法向加速度、总加速度。则逆向用积分法来求解，要注意角量和线量的对应关系。
习题2 选择题 (1) 一质点作匀速率圆周运动时， (A)它的动量不变，对圆心的角动量也不变。 (B)它的动量不变，对圆心的角动量不断改变。 (C)它的动量不断改变，对圆心的角动量不变。 (D)它的动量不断改变，对圆心的角动量也不断改变。 [答案：C] (2) 质点系的内力可以改变 (A)系统的总质量。 (B)系统的总动量。 (C)系统的总动能。 (D)系统的总角动量。 [答案：C] (3) 对功的概念有以下几种说法： ①保守力作正功时，系统内相应的势能增加。 ②质点运动经一闭合路径，保守力对质点作的功为零。 ③作用力与反作用力大小相等、方向相反，所以两者所作功的代数和必为零。 在上述说法中： (A)①、②是正确的。 (B)②、③是正确的。 (C)只有②是正确的。 (D)只有③是正确的。 [答案：C] 填空题 (1) 某质点在力i x F )54( （SI ）的作用下沿x 轴作直线运动。在从x=0移动到x=10m 的过程中，力F 所做功为 。 [答案：290J ] (2) 质量为m 的物体在水平面上作直线运动，当速度为v 时仅在摩擦力作用下开始作匀减速运动，经过距离s 后速度减为零。则物体加速度的大小为 ，物体与水平面间的摩擦系数为 。 [答案：2 2 ;22v v s gs ] (3) 在光滑的水平面内有两个物体A 和B ，已知m A =2m B 。（a ）物体A 以一定的动能E k 与静止的物体B 发生完全弹性碰撞，则碰撞后两物体的总动能为 ；（b ）物体A 以一定的动能E k 与静止的物体B 发生完全非弹性碰撞，则碰撞后两物体的总动能为 。
[答案：2; 3 k k E E ] 在下列情况下，说明质点所受合力的特点： （1）质点作匀速直线运动； （2）质点作匀减速直线运动； （3）质点作匀速圆周运动； （4）质点作匀加速圆周运动。 解：（1）所受合力为零； （2）所受合力为大小、方向均保持不变的力，其方向与运动方向相反； （3）所受合力为大小保持不变、方向不断改变总是指向圆心的力； （4）所受合力为大小和方向均不断变化的力，其切向力的方向与运动方向相同，大小恒定；法向力方向指向圆心。 举例说明以下两种说法是不正确的： （1）物体受到的摩擦力的方向总是与物体的运动方向相反； （2）摩擦力总是阻碍物体运动的。 解：（1）人走路时，所受地面的摩擦力与人的运动方向相同； （2）车作加速运动时，放在车上的物体受到车子对它的摩擦力，该摩擦力是引起物体相对地面运动的原因。 质点系动量守恒的条件是什么？在什么情况下，即使外力不为零，也可用动量守恒定律近似求解？ 解：质点系动量守恒的条件是质点系所受合外力为零。当系统只受有限大小的外力作用，且作用时间很短时，有限大小外力的冲量可忽略，故也可用动量守恒定律近似求解。 在经典力学中，下列哪些物理量与参考系的选取有关：质量、动量、冲量、动能、势能、功？ 解：在经典力学中，动量、动能、势能、功与参考系的选取有关。 一细绳跨过一定滑轮，绳的一边悬有一质量为1m 的物体，另一边穿在质量为2m 的圆柱体的竖直细孔中，圆柱可沿绳子滑动．今看到绳子从圆柱细孔中加速上升，柱体相对于绳子以匀加速度a 下滑，求1m ，2m 相对于地面的加速度、绳的张力及柱体与绳子间的摩擦力(绳轻且不可伸长，滑轮的质量及轮与轴间的摩擦不计)． 解：因绳不可伸长，故滑轮两边绳子的加速度均为1a ，其对于2m 则为牵连加速度，又知2m 对绳子的相对加速度为a ，故2m 对地加速度，
习题2 2、1 选择题 (1) 一质点作匀速率圆周运动时, (A)它的动量不变,对圆心的角动量也不变。 (B)它的动量不变,对圆心的角动量不断改变。 (C)它的动量不断改变,对圆心的角动量不变。 (D)它的动量不断改变,对圆心的角动量也不断改变。 [答案:C] (2) 质点系的内力可以改变 (A)系统的总质量。 (B)系统的总动量。 (C)系统的总动能。 (D)系统的总角动量。 [答案:C] (3) 对功的概念有以下几种说法: ①保守力作正功时,系统内相应的势能增加。 ②质点运动经一闭合路径,保守力对质点作的功为零。 ③作用力与反作用力大小相等、方向相反,所以两者所作功的代数与必为零。 在上述说法中: (A)①、②就是正确的。 (B)②、③就是正确的。 (C)只有②就是正确的。 (D)只有③就是正确的。 [答案:C] 2、2填空题 (1) 某质点在力i x F )54( (SI)的作用下沿x 轴作直线运动。在从x=0移动到x=10m 的 过程中,力F 所做功为 。 [答案:290J ] (2) 质量为m 的物体在水平面上作直线运动,当速度为v 时仅在摩擦力作用下开始作匀减速运动,经过距离s 后速度减为零。则物体加速度的大小为 ,物体与水平面间的摩擦系数为 。 [答案:2 2;22v v s gs ] (3) 在光滑的水平面内有两个物体A 与B,已知m A =2m B 。(a)物体A 以一定的动能E k 与静止的物体B 发生完全弹性碰撞,则碰撞后两物体的总动能为 ;(b)物体A 以一定的动能E k 与静止的物体B 发生完全非弹性碰撞,则碰撞后两物体的总动能为 。 [答案:2;3 k k E E ] 2、3 在下列情况下,说明质点所受合力的特点: (1)质点作匀速直线运动; (2)质点作匀减速直线运动; (3)质点作匀速圆周运动;
一、选择题 1．4251：一定量的理想气体贮于某一容器中，温度为T ，气体分子的质量为m 。根据理想气体的分子模型和统计假设，分子速度在x 方向的分量平方的平均值 (A) m kT x 32=v (B) m kT x 3312=v (C) m kT x /32=v (D) m kT x /2=v ［ ］ 2．4252：一定量的理想气体贮于某一容器中，温度为T ，气体分子的质量为m 。根据 理想气体分子模型和统计假设，分子速度在x 方向的分量的平均值 (A) m kT π8=x v (B) m kT π831=x v (C) m kT π38=x v (D) =x v 0 ［ ］ 3．4014：温度、压强相同的氦气和氧气，它们分子的平均动能ε和平均平动动能w 有如下关系： (A) ε和w 都相等 (B) ε相等，而w 不相等 (C) w 相等，而ε不相等 (D) ε和w 都不相等 ［ ］ 4．4022：在标准状态下，若氧气(视为刚性双原子分子的理想气体)和氦气的体积比V 1 / V 2=1 / 2 ，则其内能之比E 1 / E 2为： (A) 3 / 10 (B) 1 / 2 (C) 5 / 6 (D) 5 / 3 ［ ］ 5．4023：水蒸气分解成同温度的氢气和氧气，内能增加了百分之几(不计振动自由度和 化学能)？ (A) 66.7％ (B) 50％ (C) 25％ (D) 0 ［ ］ 6．4058：两瓶不同种类的理想气体，它们的温度和压强都相同，但体积不同，则单位 体积内的气体分子数n ，单位体积内的气体分子的总平动动能(E K /V )，单位体积内的气体质 量ρ，分别有如下关系： (A) n 不同，(E K /V )不同，ρ不同 (B) n 不同，(E K /V )不同，ρ相同 (C) n 相同，(E K /V )相同，ρ不同 (D) n 相同，(E K /V )相同，ρ相同 ［ ］ 7．4013：一瓶氦气和一瓶氮气密度相同，分子平均平动动能相同，而且它们都处于平 衡状态，则它们 (A) 温度相同、压强相同 (B) 温度、压强都不相同 (C) 温度相同，但氦气的压强大于氮气的压强 (D) 温度相同，但氦气的压强小于氮气的压强 ［ ］ 8．4012：关于温度的意义，有下列几种说法：(1) 气体的温度是分子平均平动动能的 量度；(2) 气体的温度是大量气体分子热运动的集体表现，具有统计意义；(3) 温度的高低 反映物质内部分子运动剧烈程度的不同；(4) 从微观上看，气体的温度表示每个气体分子的 冷热程度。这些说法中正确的是 (A) (1)、(2)、(4)；(B) (1)、(2)、(3)；(C) (2)、(3)、(4)；(D) (1)、(3) 、(4)； ［ ］ 9．4039：设声波通过理想气体的速率正比于气体分子的热运动平均速率，则声波通过 具有相同温度的氧气和氢气的速率之比22 H O /v v 为 (A) 1 (B) 1/2 (C) 1/3 (D) 1/4 ［ ］ 10．4041：设图示的两条曲线分别表示在相同温度下氧气和氢气分子的速率分布曲线；令()2O p v 和()2H p v 分别表示氧气和氢气的最概然速率，则：
第2章牛顿运动定律 习题 一选择题 2-1 关于惯性有下面四种表述，正确的为[ ] （A）物体静止或作匀速运动时才具有惯性 （B）物体受力作变速运动才具有惯性 （C）物体受力作变速运动时才没有惯性 （D）物体在任何情况下均有惯性 解析：惯性是物体具有的固有特性，因此物体在任何情况下均有惯性，答案选D。 2-2 下列表述中正确的是[ ] （A）质点运动的方向和它所受的合外力方向相同 （B）质点的速度为零，它所受的合外力一定为零 （C）质点作匀速率圆周运动，它所受的合外力必定与运动方向垂直 （D）摩擦力总是阻碍物体间的相对运动，它的方向总是与物体的运动方向相向 解析：根据牛顿第二定律，质点所受的合外力等于动量随时间的变化率，因此A、B错误。质点作匀速率圆周运动，合外力指向圆心，运动方向沿切线方向，二者垂直，因此选项C正确。摩擦力总是阻碍物体间的相对运动或相对运动趋势，它的方向沿着物体运动或运动趋势的切线方向，但并不是总与物体的运动方向相向，因此选项D错误。
2-3 一质点在力5(52)()F m t SI =-的作用下，0t =时从静止开始作直线运动，式中，m 为质点质量，t 为时间。则当5t s =，质点的速率为[ ] （A ）25m s （B ）50m s - （C ）0 （D ）50m s 解析：根据牛顿第二定律dv F ma m dt ==可得，5(52)dv F t dt m ==-，所以5(52)dv t dt =-，两边积分可得2255v t t =-，即得50v =。答案选C 。 2-4 如图2-4（A ）所示，A B m m μ>时,算出B m 向右的加速度为a ，今去掉A m 而代之以拉力A T m g =，如图2-4(B)所示，算出B m 的加速度a '，则[ ] （A ）a a '> （B ）a a '< （C ）a a '= （D ）无法判断 解析：去掉A m 前，{A A B B m g T m a T m g m a μ-=-=，联立求得A B A B m m a g m m μ-=+； 去掉A m 后，B A B B T m g m g m g m a μμ'-=-=，求得A B B m m a g a m μ-'=>。故答案选B 。 习题2-4图 习题2-5图
第2章 质点动力学 2．1 牛顿运动定律 一、牛顿第一定律 任何物体都保持静止或匀速直线运动状态，直到其他物体所作用的力迫使它改变这种状态为止。 二、牛顿第二定律 物体所获得的加速度的大小与合外力的大小成正比，与物体的质量成反比， 方向与合外力的方向相同。表示为 a m f = 说明: ⑴ 物体同时受几个力n f f f Λ21,的作用时，合力f 等于这些力的矢量和。 ∑=+++==n i n i f f f f f 121Λ 力的叠加原理 ⑵ 在直角坐标系中，牛顿方程可写成分量式 x x ma f =，y y ma f =，z z ma f =。 ⑶ 在圆周运动中，牛顿方程沿切向和法向的分量式 t t ma f = n n ma f = ⑷ 动量：物体质量m 与运动速度v 的乘积，用p 表示。 v m p = 动量是矢量，方向与速度方向相同。 由于质量是衡量，引入动量后，牛顿方程可写成 dt d dt d m a m f === 当0=f 时， 0=dt p d ，=p d 常量，即物体的动量大小和方向均不改变。此结论成为质点动量守恒定律。
三、牛顿第三定律：物体间的作用力和反作用力大小相等，方向相反，且在同一直线上。 说明：作用力和反作用力是属于同一性质的力。 四、国际单位制量纲 基本量与基本单位 导出量与导出单位 五、常见的力 力是物体之间的相互作用。 力的基本类型：引力相互作用、电磁相互作用和核力相互作用。 按力的性质来分，常见的力可分为引力、弹性力和摩擦力。 六、牛顿运动定律的应用 用牛顿运动定律解题时一般可分为以下几个步骤： （1）隔离物体，受力分析。 （2）建立坐标，列方程。 （3）求解方程。 （4）当力是变力时，用牛顿第二定律得微分方程形式求解。
第二章 牛顿运动定律 一、选择题 1.下列说法中哪一个是正确的？（ ） （A ）合力一定大于分力 （B ）物体速率不变，所受合外力为零 （C ）速率很大的物体，运动状态不易改变 （D ）质量越大的物体，运动状态越不易改变 2.用细绳系一小球，使之在竖直平面内作圆周运动，当小球运动到最高点时（ ） （A ）将受到重力，绳的拉力和向心力的作用 （B ）将受到重力，绳的拉力和离心力的作用 （C ）绳子的拉力可能为零 （D ）小球可能处于受力平衡状态 3.水平的公路转弯处的轨道半径为R ，汽车轮胎与路面间的摩擦因数为μ，要使汽车不致于发生侧向打滑，汽车在该处的行驶速率（ ） （A ）不得小于gR μ （B ）不得大于gR μ （C ）必须等于 gR μ2 （D ）必须大于 gR μ3 4.一个沿x 轴正方向运动的质点，速率为51 s m -?，在0=x 到m 10=x 间受到一个如图所示的y 方向的力的作用，设物体的质量为1. 0kg ，则它到达m 10=x 处的速率为（ ） （A ）551s m -? （B ）1751 s m -? （C ）251s m -? （D ）751 s m -? 5.质量为m 的物体放在升降机底板上，物体与底板的摩擦因数为μ，当升降机以加速度a 上升时，欲拉动m 的水平力至少为多大（ ） （A ）mg （B ）mg μ（C ）)(a g m +μ （D ）)(a g m -μ 6 物体质量为m ，水平面的滑动摩擦因数为μ，今在力F 作用下物体向右方运动，如下图所示，欲使物体具有最大的加速度值，则力F 与水平方向的夹角θ应满足（ ） （A ）1cos =θ （B ）1sin =θ