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大学物理教程(第四版)上册（一）引言概述:本文主要介绍了《大学物理教程(第四版)上册》的内容。
该教材是大学物理入门教材的经典之作，旨在为学生提供理论基础和实践应用方面的知识。
通过对物理学的学习，学生将能够深入了解物质、能量和力的性质，并将这些知识应用到解决实际问题中。
本文将按照教材的章节顺序，以五个大点来介绍教程的内容和教学要点。
正文:一、力学基础1. 运动学a. 位移、速度和加速度的概念b. 直线运动与曲线运动的区别c. 根据速度图和位移图分析运动状态2. 牛顿力学a. 牛顿三定律的表述与应用b. 重力和摩擦力的研究c. 常见力的合成和分解问题3. 力的做功和能量a. 力对物体做功的定义与计算b. 动能与势能的概念与转化c. 机械能守恒定律的适用范围与实例4. 线性动量与碰撞a. 线性动量的定义与计算b. 弹性碰撞与非弹性碰撞的区别与应用c. 动量守恒定律与碰撞分析5. 刚体力学a. 刚体的基本概念与特性b. 平面运动、平衡状态与运动学分析c. 转动力学与动力学分析二、热学基础1. 温度、热量与热量传递a. 温度的定义与测量方法b. 热量的传递方式：传导、对流和辐射c. 热平衡与热力学循环的应用2. 热力学第一定律a. 内能与热量传递的关系b. 等容、等压、等温过程的特点与计算c. 热力学循环与效率的计算3. 理想气体状态方程a. 状态方程的定义与推导b. 理想气体的性质及其物态变化c. 维尔纳定律的应用与理解4. 热力学第二定律a. 热力学不可逆性的概念与表述b. 熵的概念与计算c. 卡诺循环与热力学效率的极限5. 热力学性质的应用a. 热传导的应用与热绝缘材料的设计b. 热力学循环在能源转换中的应用c. 热力学性质的实验测量与数据处理三、波动光学基础1. 机械波动a. 波的基本概念与性质b. 声波与弹性波的特点与应用c. 波的叠加与干涉的原理与应用2. 光的波动性质a. 光的波动学说与希尔伯特原理b. 光的干涉、衍射与偏振c. 光的干涉与衍射现象在实际应用中的意义3. 光的几何光学a. 光的传播路径与光线追迹法b. 透镜与光学仪器的成像原理与应用c. 光的反射与折射定律的应用4. 光的颜色与色散a. 光的频率与波长与颜色的关系b. 化学荧光与光的颜色效应c. 光的色散与光谱的应用5. 光的波动光学实验a. 光的干涉与衍射实验设计与操作b. 光的波长测量与频率测量c. 光的光谱分析与光度法测量四、电磁学基础1. 静电场与电势a. 电荷、电场与库仑定律的关系b. 高斯定理与电场强度的计算c. 电势能与等势面的特点与应用2. 电流与电阻a. 电流的定义与电荷守恒定律b. 欧姆定律与电阻的概念与计算c. 电源、电动势与电功率的应用3. 磁场与电磁感应a. 磁力与磁场的关系与定向b. 电磁感应的法拉第定律与楞次定律c. 电磁感应与发电机、电动机的应用4. 电磁波的特性与传播a. 电磁波的产生与性质b. 光速的定义与电磁波的传播c. 声光电效应与电磁波与物质的相互作用5. 电磁学实验与应用a. 静电场与电势测量实验b. 电路电流与电压测量实验c. 磁场与电磁感应实验五、现代物理基础1. 光的粒子性与能量子化a. 光子概念与光子能量计算b. 斯托克斯定律与波函数的性质c. 光谱线与能级跃迁的解释2. 相对论与狭义相对论a. 狭义相对论基本假设与论证b. 时空观念的变化与洛仑兹变换c. 质量、能量与动量的相对论性表述3. 原子基本结构与核物理a. 经典模型与量子模型的比较b. 电子的波粒二象性与波函数c. 原子核的结构与强相互作用4. 系统的熵与热力学统计a. 系统宏观状态与熵的概念与计算b. 统计力学与微观粒子的行为c. 量子力学与统计力学的关系与应用5. 现代物理实践与应用a. 材料科学与能源技术的应用b. 物理实验技术与仪器设计c. 当代物理研究与前沿领域的概述总结:《大学物理教程(第四版)上册》涵盖了力学基础、热学基础、波动光学基础、电磁学基础和现代物理基础五个大点的知识内容。
第十章第十章第十章第十章 波动光学波动光学波动光学波动光学思考题思考题思考题思考题10-1 普通光源中原子发光有何特征？答答答：答：：：因为普通光源是大量不同原子在不同时刻发的光，是自然光，因此不满足干涉条件，所以一 般普通光源观察不到干涉现象。
10-2 如何用实验检验一束光是线偏振光、部分偏振光还是自然光？答答答：答：：：拿一块偏振片迎着这束光，转动偏振片，观察透射光。
（1）视场中光强有变化且有消光现象 的为线偏振光；（2）光强有变化但无消光现象的为部分偏振光；（3）光强无变化的为自然光。
10-3 自然光可以用两个独立的、相互垂直的、振幅相等的光振动表示。
那么线偏振光是否也可以用两个相互垂直的光振动表示？如果可以，则这两个相互垂直的光振动之间关系如 何？10-4 如何用实验测定不透明媒质的折射率？答答答：答：：：光线入射到不透明的媒介上，改变入射角i ，并同时用偏振片测定反射光线的偏振化程度。
当反射光线为完全偏振光时，此时入射角i0 即为布儒斯特角，满足tan 可求得不透明介质的折射率n 。
10-5 如图(a)所示，一束自然光入射在方解石晶体的表面上，入射光线与光轴成一定角度；问将有几条光线从方解石透射 出来？如果把方解石切割成等厚的A 、B 两块，并平行地移 开很短一段距离，如图(b)所示，此时光线通过这两块方解石后有多少条光线射出来？如果把B 块沿沿沿沿光线转过一个角度， 此时将有几条光线从B 块射出来？为什么？i 0n ，测得 i0 即考思考思考思考题题题题10-5图图图图10-6 从普通光源获得两束相干光的一般方法是什么？在光的干涉中决定相遇点产生明纹或暗纹的因素是什么？答答答：答：：：分波阵面法和分振幅法。
波源的相位差和波源到相遇点的光程差决定相遇点产生明纹或暗纹。
10-7 如图所示，设光线a 、b 从周相相同的A 、B 点传至P 点，试讨论：（1）在图中的三种情况下，光线a 、b 在相遇处P 是 否存在光程差？为什么？（2）若a 、b 为相干光，那么在相遇处的干涉情况怎 样？考题思考题思考题思考题 10-7 图图图图10-8 在杨氏双缝实验中，当作如下调节时，屏幕上的干涉条纹将如何变化？（要说明理由）（1）使两缝之间的距离逐渐减小；（2）保持双缝的间距不变，使双缝与屏幕的距离逐渐减小；（3）如图所示，把双缝中的一条狭缝遮住，并在两缝的垂直平分线上放置一块平面反射镜。
波动力学基础知识与实践应用波动力学是一种描述粒子运动的理论，它试图揭示微观世界中粒子的行为和宏观的物理规律之间的联系。
波动力学的基本概念包括波函数、薛定谔方程和量子态等。
它广泛应用于物理、化学、材料科学、电子学、计算机科学和生物学等领域。
波函数是波动力学的核心概念，它是描述微观粒子的数学函数。
波函数的平方模长可以表示粒子在某个位置出现的可能性大小。
波函数描述了一个粒子的所有性质和运动状态，包括位置、速度、动量、能量和自旋等。
波函数的形式通常是复数形式，它可以反映出粒子的相位信息。
薛定谔方程是波动力学的基本方程之一，它描述了波函数随时间的演化规律。
薛定谔方程可以用于计算波函数在各种条件下的变化，从而推算出粒子的运动和相互作用。
薛定谔方程的求解是波动力学理论应用的核心问题之一，它通常采用数值计算方法或近似求解方法。
量子态是波动力学中的一个重要概念，它描述了粒子在特定条件下的状态和行为。
量子态分为可观测态和纯态两种情况。
可观测态是指粒子经过测量后所处的状态，而纯态描述了粒子受到外界干扰前的状态。
量子态具有非常奇特的性质，例如叠加态、量子纠缠、量子隧道效应等。
波动力学的应用具有极其广泛的范围，从微观粒子到宏观世界，从基础研究到技术应用都有其身影。
在物理学领域，波动力学解释了量子力学中的量子隧道效应、双缝实验、汤川劈裂等基本现象。
在化学领域，波动力学可以用于计算分子的电子结构和化学反应机理。
在材料科学领域，波动力学可以帮助研究新材料的电子性质和光学性质。
在电子学领域，波动力学可以解释半导体器件的工作原理和量子点的光电特性。
在计算机科学领域，波动力学可以用于量子计算、量子通信和量子密码学。
在生物学领域，波动力学可以帮助研究生物分子的结构和功能，以及生物大分子的相互作用。
总之，波动力学是现代物理学和化学研究中不可或缺的理论基础，它的实践应用涉及各个领域和方面。
尽管波动力学理论具有一定的复杂性和难度，但它为人类认识自然界提供了独特的视角和工具，因此值得我们深入研究和应用。
习题及参考答案第五章 波动学基础参考答案思考题5-1把一根十分长的绳子拉成水平，用手握其一端，维持拉力恒定，使绳端在垂直于绳子的方向上作简谐振动，则（A ）振动频率越高，波长越长； （B ）振动频率越低，波长越长； （C ）振动频率越高，波速越大； （D ）振动频率越低，波速越大。
5-2在下面几种说法中，正确的说法是（A ）波源不动时，波源的振动周期与波动的周期在数值上是不同的； （B ）波源振动的速度与波速相同；（C ）在波传播方向上的任二质点振动位相总是比波源的位相滞后； （D ）在波传播方向上的任一质点的振动位相总是比波源的位相超前 5-3一平面简谐波沿ox 正方向传播，波动方程为010cos 2242t x y ππ⎡⎤⎛⎫=-+ ⎪⎢⎥⎝⎭⎣⎦. (SI)该波在t =0.5s 时刻的波形图是（ ）5-4图示为一沿x 轴正向传播的平面简谐波在t =0时刻的波形，若振动以余弦 函数表示，且此题各点振动初相取-π到π之间的值，则（）（A ）1点的初位相为φ1=0（B ）0点的初位相为φ0=-π/2(m)(A )(m)(m)(B )(C )(D )思考题5-3图思考题5-4图（C ）2点的初位相为φ2=0 （D ）3点的初位相为φ3=05-5一平面简谐波沿x 轴负方向传播。
已知x=b 处质点的振动方程为[]0cos y A t ωφ=+，波速为u ，则振动方程为（ ）(A)()0cos y A t b x ωφ⎡⎤=+++⎣⎦(B)(){}0cos y A t b x ωφ⎡⎤=-++⎣⎦(C)(){}0cos y A t x b ωφ⎡⎤=+-+⎣⎦ (D)(){}0cos y A t b x u ωφ⎡⎤=+-+⎣⎦ 5-6一平面简谐波，波速u =5m·s -1，t =3s 时刻的波形曲线如图所示，则0x =处的振动方程为（ ）（A ）211210cos 22y t ππ-⎛⎫=⨯- ⎪⎝⎭ (SI) （B ）()2210cos y t ππ-=⨯+ (SI) （C ）211210cos 22y t ππ-⎛⎫=⨯+ ⎪⎝⎭ (SI) （D ）23210cos 2y t ππ-⎛⎫=⨯- ⎪⎝⎭ (SI) 5-7一平面简谐波沿x 轴正方向传播，t =0的波形曲线如图所示，则P 处质点的振动在t =0时刻的旋转矢量图是（ ）5-8当一平面简谐机械波在弹性媒质中传播时，下述各结论一哪个是正确的？ （A ）媒质质元的振动动能增大时，其弹性势能减少，总机械能守恒； （B ）媒质质元的振动动能和弹性势能都作周期变化，但两者的位相不相同；（C ）媒质质元的振动动能和弹性势能的位相在任一时刻都相同，但两者的数值不相等； （D ）媒质质元在其平衡位置处弹性势能最大。
物理必修三第十章知识点总结第十章：电磁感应与电磁波电磁感应是指当导体中有磁通量的变化时，导体内产生感应电动势，并产生感应电流的现象。
电磁感应现象是电磁学中的重要基础，也是电磁场理论的重要组成部分。
1. 法拉第电磁感应定律法拉第电磁感应定律是描述电磁感应现象的定律之一，它表明当磁通量的变化率发生变化时，感应电动势的大小与磁通量的变化率成正比。
即感应电动势E等于磁通量变化率dΦ/dt乘以一个常数负号，该常数称为电磁感应系数，通常用负号表示。
2. 楞次定律楞次定律是描述电磁感应现象的另一个定律，它表明当感应电流产生时，其磁场会产生一个方向，使得磁场的变化趋势减弱或抵消感应电流产生的原因。
楞次定律是能量守恒定律的一个推论，它保证了感应电流产生时系统的能量不会凭空消失。
3. 磁通量磁通量是描述磁场穿过一个给定面积的量度，它是磁感应强度B与该面积A的乘积。
磁通量是一个标量，单位是韦伯(Wb)。
当磁场垂直于给定面积时，磁通量的大小等于磁感应强度的大小乘以该面积。
4. 电磁感应的应用电磁感应现象在现实生活中有着广泛的应用。
例如，电磁感应技术广泛应用于电力工业中的发电、变压器、电动机等设备中。
此外，电磁感应还常被应用于磁悬浮列车、电磁炉、感应加热器等领域。
5. 自感与互感自感是指导体中产生感应电流时，该导体本身产生的感应电动势。
互感是指在多个线圈之间产生的感应电动势。
自感和互感是电磁感应中的两个重要概念，它们在电路设计和电磁设备中起着重要的作用。
6. 电磁波的产生与传播当电场和磁场相互作用时，就会产生电磁波。
电磁波是一种能够在真空中传播的波动现象，其传播速度等于光速。
电磁波包括可见光、无线电波、微波等。
电磁波的传播是通过电场和磁场的相互作用不断地传递能量。
7. 电磁波的特性电磁波具有波长、频率、振幅等特性。
波长是指电磁波在垂直于传播方向的一个完整周期的长度，单位是米。
频率是指单位时间内经过一个点的电磁波的周期数，单位是赫兹。
第10章 波动学基础10.1 波动与振动有何区别和联系？答：振动的传播就是波。
振动是一质点（或某一物量）在平衡位置附近的机械运动，而波是多个质点在平衡位置附近的振动，它是通过媒质的弹性（或场量的相互激发）把波源的振动状态传递给其他质点。
振动中，质点的动能和势能互相交换，其总能量保持不变。
而在波动中动能和势能大小相等，相位相同，都是时间的周期函数。
它不断地接受来自波源的能量，同时也不断地把能量释放出去。
10.2 机械波形成的条件是什么？答：机械波形式的条件有：1）存在波源(即物体的振动）；2) 存在传播机械波的弹性媒质。
10.3 在同一种介质中传播着两列不同频率的简谐波,它们的波长是否可能相等？为什么？如果这两列波分别在两种介质中传播,它们的波长是否可能相等？为什么？答：它们的波长不可能相等。
因为根据波的叠加原理（独立性原理）可知，一列波的状态不因其它波的存在与否，故两列不同频率的简谐波在同一种介质中频率仍然不同，但在同一种介质中，波速是相同的，所以它们的波长也不可能相等。
若这两列波分别在两种介质中传播，它们的波长则可能相等。
这是因为，它们的频率和波速都不相同，据λν=u 知，它们的波长可能相等。
10.4 当波从一种介质进入另一种介质中时,波长、频率、波速、振幅各量中哪些量会改变？哪些量不会改变？答：当波从一种介质进入另一种介质时，波的频率不变（等于波源的频率）；波速（由介质决定）、波长（νλu =）、振幅都会发生改变。
10.5 根据波长、频率、波速的关系式 ,有人认为频率高的波传播的速度大,你认为对否？ 答：由λν=u 认为频率高的波传播速度大是错误的。
波的传播速度是由介质的性质决定的，与波的频率无关。
10.6波传播时,介质质点是否“随波逐流”?“长江后浪推前浪”这句话从物理上说,是否有根据？答：波传播时，介质质点并不“随波逐流”。
“长江后浪推前浪”这句话从物理上说是无根据的，前浪并不因后浪（波）的存在而改变其传播。
10.7（1）为什么有人认为驻波不是波？（2）驻波中,两波节间各个质点均作同相位的简谐振动,那么,每个振动质点的能量是否保持不变？答：（1）有人认为驻波不是波，是因为在驻波中，波腹附近的动能与波节附近的势能之间不断进行互相转换和转移，但没有能量的定向传播，同时也看不到波形的定向移动。
（2）驻波中，两波节各质点虽作同相位简谐振动，但每个振动质点的能量并非保持不变。
10.8 为什么在振动过程中振动物体在平衡位置时动能最大,而势能为零；在最大位移处动能为零,而势能最大？为什么在波动过程中参与波动的质点在振动时,却是在平衡位置动能和势能同时达到最大值,在最大位移处又同时为零？答：在振动过程中振动物体在平衡位置时其速率最大，位移为零，故动能最大而势能为零；在最大位移处，由于振动物体位移最大，速率为零，故其动能为零，而势能最大。
在波动过程中参与波动的质点在振动时，在平衡位置，质点的速率最大，同时此处媒质的弹性形变也最大，故平衡位置处动能和势能同时达到最大值；在最大位移处，质点的速率为零，同时弹性形变也为零，故动能和势能同时为零。
10.９ 在某一参考系中,波源和观察者都是静止的,但传播的介质相对与参考系是运动的.假设发生了多普勒效应,问接收到的波长和频率如何变化？答：接收到的波长和频率均不改变。
10.10 某一声波在空气中的波长为0.30m ，波速为340m/s 。
当它进入第二种介质后，波长变为0.81m 。
求它在第二种介质中的波速。
解：由λν=u 可求得这波的频率 Hz u 31013.13.0340⨯===λν 而波的频率不因所传播的介质而变，再由λν=u 可求得该波在第二种介质中的波速s m u /1015.91013.181.02322⨯=⨯⨯==νλ10.11 已知平面简谐波的角频率为s rad /102.152⨯=ω，振幅为m A 21025.1-⨯=。
波长为m 10.1=λ，求波速u ，并写出此波的波函数。
解：s m u /1066.214.32102.151.1222⨯=⨯⨯⨯===πωλλν 由波的一般形式便可写出此波的波函数为m )266(1052.1cos 1025.1)(cos 32⎥⎦⎤⎢⎣⎡+-⨯⨯=-=-ϕωx t u x t A y 其中ϕ是初相位。
10.12 一平面简谐波沿x 轴的负方向行进，其振幅为1.00cm ，频率为550Hz ，波速为330m/s.求波长，并写出此波的波函数。
解：波长为：m 6.0550330===νλu 由于波是沿x 轴负方向传播的，故在波的一般式中x 前取正号，则由本题所给数据可写出波函数为m )330(101.1cos 100.1)(cos 32⎥⎦⎤⎢⎣⎡++⨯⨯=+=-ϕπωx t u x t A y10.13 在平面简谐波传播的波射线上有相距3.5cm 的A ，B 两点，B 点的相位比A 点落后450。
已知波速为15cm/s ，试求波的频率和波长。
解：波长可看成是沿波射线相位差π2的两点间的距离，则由题知其波长为cm 284/5.32=⋅=ππλ ， 进而可求得波的频率为 Hz u 54.02815===λν 10.14 证明)c o s (t kx A y ω-=可写成下列形式：)(cos t u x k A y -=，)(2cos t x A y νλπ-=，)1(2cos T xA y -=λπ，以及)(cos t u x A y -=ω。
证明：)()/22()(ut x k t x k t k x k t kx -=-=-=-λππνωω 所以波函数可写为：)(cos ut x k A y -= 又 )(222t x t x t kx νλππνλπω-=-=-，则波函数还可写为)(2cos t x A y νλπ-= 由T1=ν 则还可得： )(2c o s T t x A y -=λπ )()(t u x t x k t kx -=-=-ωωωω，则波函数还可写为)(cos t ux A y -=ω 10.15 波源做简谐振动，位移与时间的关系为m 240cos )1000.4(3t y π-⨯=，它所激发的波以30.0m/s 的速率沿一直线传播。
求波的周期和波长，并写出波函数。
解：由波源的振动方程m 240cos )1000.4(3t y π-⨯=知振动角频率πω240=.而波的频率就等于波源的振动频率，所以波的频率和周期分别为Hz 1202==πων ， s 1033.8120113-⨯===νT 进一步计算波长为 m 25.01200.30===νλu 最后可写出波函数为 m )30(240cos )1000.4()(cos 3x t u x t A y -⨯=-=-πω 10.16 沿绳子行进的横波波函数为)201.0cos(10t x y ππ-=，式中长度的单位是cm ，时间的单位是s 。
试求：（1）波的振幅、频率、传播速率和波长；（2）绳上某质点的最大横向振动速率。
解：（1）由 )100.5(2cos 10)201.0cos(103x t t x y -⨯-=-=πππ 知：振幅 m cm A 1.010== ；频率 z H 1222===πππων；波长 m 23100.2100.51⨯=⨯=-λ 波速s m u /100.21100.222⨯=⨯⨯==λν（2）振动速率)100.5sin(1023x t ty -⨯-⨯-=∂∂=πυ 则绳上某质点的最大恒向振动速率为：m/s 63.0cm/s 63102==⨯=πυm10.17 证明公式ku =ω证明：ku u u ====λπλππνω222 10.18 用横波的波动方程2222x y G t y ∂∂⋅=∂∂ρ和纵波的波动方程2222x y Y t y ∂∂⋅=∂∂ρ，证明横波的波速和纵波的波速分别为ρG u =和ρY u =。
证明：任何横波均要满足横波的波动方程 ，现考虑平面简谐波 )cos(kx t A y -=ω 将其代入横波波动方程便得：22k G ωρ= ，再由ku =ω 便得横波的传播速度为ρG u = 同理可证纵波的速度 ρY u = . 10.19 在某温度下测的水中的声速为s m /1046.13⨯，求水的体变摸量。
解：由横波的波速关系ρ/G u =得水的体变横量为a P u G 923321013.2)1046.1(100.1⨯=⨯⨯⨯==ρ10.20 频率为300Hz 、波速为330m/s 的平面简谐声波在直径为16.0cm 的管道中传播，能流密度为213100.10---⋅⨯m s J 。
求：（1）平均能量密度；（2）最大能量密度；（3）两相邻同相位波面之间的总能量。
解：（1）由u w I =得平均能量密度 353m J 1003.3330100.10---⋅⨯=⨯==u I w （2）最大能量密度 35m a x m J 1006.62--⋅⨯==w w（3）两相邻同相波面之间的距离为：m 1.1300330====νλul 其间的总能量 J 1070.6)21016(1.11003.3)2(72252---⨯=⨯⨯⨯===ππd l w ls w w 10.21 P 和Q 是两个以相同相位、相同频率和相同振幅在振动并处于同一介质中的相干波源，其频率为ν 、波长为λ，P 和Q 相距2/3λ。
R 为P 、Q 连线延长线上的任意一点，试求：（1）自P 发出的波在R 点引起的振动与自Q 发出的波在R 点引起的振动的相位差；（2）R 点的合振动的振幅。
解：如图取PQ 连线的延长线方向为x 轴正向，以P 点为坐标原点，设两振动的初相为0ϕ自P 和Q 发出的波在R 点引起的振动的相位分别为 λπωϕϕ102x t p -+= ；λπωϕϕ202x t Q -+= 则相位差 πλλπλπϕϕφ3232)(221==-=-=∆x x p Q （2）由于πφ3=∆， 1cos -=∆φ。
而21A A = ， 021=-=∴A A A即R 点由于πφ3=∆与R 点在Q 外侧的具体位置无关（不含x ），则在Q 右侧任一点均有πφ3=∆，同时A =0，即沿x 轴在Q 右侧的所有点都是干涉相消的。
10.22 弦线上的驻波相邻波节的距离为65cm ，弦的振动频率为Hz 2103.2⨯。
求波的传播速率u 和波长λ。
解：驻波相邻波节的距离为半波长，则m cm 65.0652/==λ，m 3.165.02 =⨯=∴λ波长 波速为 m /s 100.3103.23.122⨯=⨯⨯==λνu10.23 火车汽笛的频率为ν，当火车以速度V 通过车站上的静止观察者身边时，观察者所接受到的笛声频率的变化为多大？已知声速为u 。
