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15量子物理基础吴百诗大学物理

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2．经典物理解释的困难 根据波动说，光电子的初动能应决定于入 射光的光强，即决定于光的振幅，而不决定 于光的频率。
无法解释入射光的频率红限的存在。
无法解释：光电效应的产生几乎无须时间 的积累。
3．爱因斯坦光子假说和光电效应方程
光的发射、传播、吸收都是量子化的——光量子 光是一束以 c 运动的粒子流，这些粒子称为光量子 （光子），每一光子的能量为 h。 光的能流密度 S ，决定于单位时间内通过单位面 积的光子数N。 S Nh 按照光子理论，解释光电效应： 金属中的 1个电子吸收 1个光子，获得能量 h。如果 h大于逸出功A，则电子可以从金属中逸出。
例4 一个质量为m 1kg 的球，挂在劲度系数 k 10N/m的弹簧下，作振幅 A 0.04m的谐振 动，求振子能量的量子数。如果量子数改变， 能量变化率是多少？ 解 振子的振动频率为
1 k 1 10 0.503s 1 2π m 2π 振子的能量 1 2 1 kA 10 (4 102 ) 2 8 103 J 2 2
2 4
8
热辐射的功率随着温度的升高而迅速增加。
（2） 维恩位移定律
对于给定温度T ，黑体的单 色辐出度 M0 有一最大值， 对应波长为m 。
M 0 (T )
T m b.
b 2.897 103 m K
0
1
2 m3 m4

5
(m)
热辐射的峰值波长，随着温度的增加，向着短波方 向移动。
7
2
太阳辐射的总功率
2 PS M 0 4RS 6.87 107 4 (6.96 108 )2
4.2 10 W
26
这功率分布在以太阳为中心、以日地距离为半径的 球面上，故地球表面单位面积接受到的辐射功率
4.2 10 PS PE 2 11 2 4d 4 (1.496 10 )
单色反射比： 波长到 + d范围内，反射的能量与入射能量之比， 称为单色反射比，用 r (T) 表示。
M (T ) M (T ) d
0

基尔霍夫辐射定律： 在同样的温度下, 不同物体对相同波长的单色辐出度 与单色吸收比的比值均相等，并等于该温度下黑体对 同一波长的单色辐出度。
普朗克公式……
经典 量子
★ 1900.12.14，Planck把他的理论交到了德国 自然科学会。 这一天后来被定为“量子论的诞生日”。
★普朗克公式的得出，是理论和实验结合的 典范。 ★ 量子论是不附属于经典物理的全新的理论。
★ 1918年Planck 60岁时获得了诺贝尔物理奖。
例3 音叉尖端的质量为 0.05kg，振动频率为 480Hz，振幅为1mm。 求尖端振动的量子数。 解 机械振动能量为：
量子物理基础
一、从经典物理到量子物理
十九世纪末，经典物理已相当成熟。 在喜悦的气氛中，有两朵小小的令人不安的乌云 ★ 寻找以太的零结果 ★ 热辐射的紫外灾难
二、 量子物理发展的几个阶段
1.旧量子论的形成 （1900~）: 能量量子化假设Planck, Einstein, Bohr
2.量子力学的建立（~1926）: 实物粒子的波动性 电子衍射实验 物质波的波动方程 矩阵方程 3.量子力学的应用和发展
能完全吸收各种波长电磁波的物体，叫黑体。
M1 (T ) M 2 (T ) M 0 (T ). a1 (T ) a2 (T )
即：好的吸收体也是好的辐射体。
基尔霍夫 (1824-1887)
室温下，反射光
1100K，自身辐射光
一个黑白花盘子的两张照片 演示： 黑色的M和吸收均较白色的大
1 2 2 1 2 2 E m A m 2π A 0.227 J 2 2
音叉尖端振动能量为ε时的量子数： 0.227 29 n 7.13 10 nh h 6.63 1034 480
宏观振子的量子数非常大, 基元能量非常小：
h 3.18 1031 J
G
V
测量并分 析光电流 的变化


实验规律 (1)饱和电流
I
光强较强
在单色光照射下，饱 I 'H 和电流 IH 随着光强 饱和电流 IH 度的增加而增大。
结论1：单位时间内 ，受光照的金属板 释放出来的电子数 ，与入射光的强度 成正比。
Ua
O
U
光电效应的伏安特性曲线
实验规律
（2）遏止电势差 ①存在遏止电势差Ua。
2
5
1
hc kT
普朗克公式
M. Planck 德国 1858-1947
e 1 h 6.6260755 1034 J s
普朗克常数
普朗克公式与实验结果符合得很好 ―幸运地猜出来的内插公式”
―这属于物理方面的基本问题”
―一定要不惜任何代价，找到一个理论根据”.
普朗克公式和实验数据的比较：
1. 光电效应的实验规律 光电效应：当波长较短的可见光或紫外光照射到 某些金属表面上时，金属中有电子逸出的现象。
金属板释放的电子称为光电子，光电子在电场作 用下在回路中形成光电流。
此现象最早由 赫兹 发现
光电效应
实验装置
入射光线
金属板释放的电子 称为光电子。
阳极
阴极
光 电子在电 场作用 下 在回路中 形成光 电流。
I
I 'H
IH
光强较强
光强较弱
1 mvm 2 eU a 2
②遏止电势差 Ua ， 与光的强度无关。
Ua
O
U
结论2：光电子从金属表面逸出时具有一定的动能；
最大初动能与入射光的强度无关。
实验规律
（3）遏止频率（红限） 若改变入射光的频率，则发现：遏止电势差 Ua 和 入射光的频率之间具有线性关系。
M 0 ( , T )
实验点
普 朗 克 线
0
1

3
4
5
6
7
8
/ m
普朗克能量子假说： 辐射黑体中分子、原子的振动可看作谐振子。
振子能量的最小能量单元是“能量子”
对于频率为 的谐振子能量子为
h
能量
振子能量E只能是能量子 的整数倍， 即：E= n =n h，n为正整数。
完全吸收
黑体
黑体是理想模型
P
L2
A
L1
B1
B2
C
A为黑体
B1PB2为分光系统
C为热电偶
测定黑体辐出度的实验简图
实验曲线
M 0 (T ) / (Wcm-2 μm-1 )
/ m
0 1 2 3 4 5
绝对黑体的辐出度按波长分布曲线
• 宇宙微波背景辐射（又称3K背景辐射）是一种充满 整个宇宙的电磁辐射。特征和绝对温标2.725K的黑 体辐射相同。频率属于微波范围。宇宙微波背景辐 射产生于大爆炸后的三十万年。大爆炸宇宙学说认 为，发生大爆炸时，宇宙的温度是极高的，之后慢 慢降温，刚到现在约 150亿年后大约还残留着 3K左 右的热辐射。
例题：实验测得太阳辐射波谱的m 490nm，若把 太阳视为黑体，试计算 (1)太阳每单位表面积上所发 射的功率， (2)地球表面阳光直射的单位面积上接受 到的辐射功率， (3)地球每秒内接受的太阳辐射能。 (太阳半径RS6.96108m，地球半径RE6.37106m， 日地距离d 1.4961011m。) 解：根据维恩位移定律
红限（遏止频率）
结论3：光电子从金属表面逸出时的最大初动能与 入射光的频率成线性关系。
当入射光的频率小于n0 时，不管照射光的强度多 大，不会产生光电效应。
实验规律 （4）弛豫时间
从入射光开始照射金属，到金属释放出电子，无论 光的强度如何，这段时间很短，不超过10-9 s. 结论4：光电效应具有瞬时性。
M 0 (T ) C3 4T .
在波长很长处与实验曲线比较相近，但在短波 区， M 0 将随波长0，而趋向无穷大。
——―紫外灾难”
③ 理论公式和实验曲线的比较：
瑞利-金斯公式：在波长很长处与实验比较相近，但 维恩公式：在波长短处符合得很好，但在波长很 长处与实验曲线相差较大。 在短波区， 将随波长→0，而趋向无穷大。
mT b
3 3 b 2 . 897 10 T 5 . 9 10 K 9 m 490 10
根据斯特藩-玻尔兹曼定律可求出辐出度，即单位表 面积上的发射功率
M 0 T 5.67 10 (5.9 10 )
4
8
3 4
6.87 10 W/m
④ 经典物理的困境
维恩公式和瑞利 - 金斯公式都是用经典物理学 的方法来研究热辐射所得的结果，都与实验结 果不符，明显地暴露了经典物理学的缺陷。
黑体辐射实验是物理学晴朗天空中一朵令人 不安的乌云。 经典理论遇到不可克服的困难
5．普朗克量子假设 普朗克利用内插法，提出了一个新的公式：
M 0 2 hc
d E ( d )
d E (T ) M (T ) d
surface T , , material，
辐射出射度: 单位时间内，从物体单位面积上所发射的，各种波长 的总辐射能，称为物体的辐射出射度。
单色吸收比： 在波长到 + d范围内，被物体吸收的能量，与入 射能量之比，称为单色吸收比，用 a (T) 表示。
三、学习量子物理应注意的问题
处理好两个关系:形象和抽象(抽象思维的能力),
物理和数学（理解物理内涵）
四、主要内容: ★量子物理的基本概念 电磁辐射的量子性 实物粒子的波动性 几率波 不确定性关系
★量子力学的基本方法 物质波的波动方程——薛定谔方程及其解 ★量子理论的应用: 氢原子中的电子 电子自旋、原子的壳层结构

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大学物理(吴百诗)第三版答案

大学物理(吴百诗)第三版答案

大学物理习题及解答第一章1-1 ｜r ∆｜与r ∆有无不同?t d d r 和t d d r有无不同? t d d v 和t d d v有无不同?其不同在哪里?试举例说明． 解：（1）r∆是位移的模，∆r 是位矢的模的增量，即r ∆12r r -=，12r r r-=∆； （2）t d d r 是速度的模，即t d d r ==v tsd d . t rd d 只是速度在径向上的分量.∵有r r ˆr =（式中r ˆ叫做单位矢），则t ˆrˆt r t d d d d d d r r r +=式中t rd d 就是速度径向上的分量，∴t rt d d d d 与r 不同如题1-1图所示.题1-1图(3)t d d v 表示加速度的模，即t v a d d=，t vd d 是加速度a 在切向上的分量.∵有ττ (v =v 表轨道节线方向单位矢），所以t v t v t v d d d d d d ττ =式中dt dv就是加速度的切向分量.(t tr d ˆd d ˆd τ 与的运算较复杂，超出教材规定，故不予讨论)1-2 设质点的运动方程为x =x (t )，y =y (t )，在计算质点的速度和加速度时，有人先求出r ＝22y x +，然后根据v =t rd d ，22d d t r v =22d d d d ⎪⎭⎫⎝⎛+⎪⎭⎫ ⎝⎛t y t x 及a =222222d d d d ⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛+⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛t y t x 你认为两种方法哪一种正确？为什么？两者差别何在？解：后一种方法正确.因为速度与加速度都是矢量，在平面直角坐标系中，有j y i x r +=，jt y i t x t r a jt y i t x t r v222222d d d d d d d d d d d d +==+==∴故它们的模即为222222222222d d d d d d d d ⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛+⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛=+=⎪⎭⎫⎝⎛+⎪⎭⎫ ⎝⎛=+=t y t x a a a t y t x v v v y x yx而前一种方法的错误可能有两点，其一是概念上的错误，即误把速度、加速度定义作22d d d d t r a t r v == 其二，可能是将22d d d d t r t r 与误作速度与加速度的模。

《大学物理学》吴百诗电子教案 大学物理电子教案

《大学物理学》吴百诗电子教案 大学物理电子教案

2.本软件用 PowerPoint XP 制作而成，使用本软件教学 的教师可根据授课对象及自身的授课特点，对内容进行 取舍，亦可链入其它媒体信息，以便充分发挥多媒体教 学的良好效果. 为了提高教学质量，授课教师应在本软 件基础上形成具有自己教学风格的电子教案.
3.多媒体教学信息量大，传递速度快，用本软件授课时， 应熟悉播放顺序，注意控制播放速度，使学生有充足的 考时间.
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顾 问： 吴百诗 主 编： 张孝林 副 主 编： 罗春荣 编写制作：
（上册） 侯建平 （中册） 刘丹东 （下册） 刘 萍 美术设计： 李普选 责任编辑： 庞永江
田蓬勃
郑建邦 徐忠锋 张孝林
罗春荣 田蓬勃 徐忠锋
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西安交通大学、西北工业大学大学物理 《电子教案》编写制作组
（2006年元月）
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目录
大学物理电子教案
第13章 机械波
第14章 几何光学
第15章 波动光学 第16章 量子物理基础 第17章 原子核和粒子物理简介 使用说明
制作群体
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使用说明
1.本电子教案以吴百诗教授主编的《大学物理》教材（高 等教育出版社出版）为蓝本，章节划分与之完全对应； 适用于大学本科非物理专业物理课程的多媒体教学, 也 可作为学生课后自学的参考软件.
高等教育出版社 高等教育电子音像出版社
目录
第 1 章 质点运动学 第 2 章 质点动力学 第 3 章 刚体力学基础 第 4 章 狭义相对论基础 第 5 章 气体动理论 第 6 章 热力学基础
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大学物理电子教案
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吴百诗,大学物理习题解析答案1,2,3,4目录

吴百诗,大学物理习题解析答案1,2,3,4目录

吴百诗，《大学物理(下册)(第3次修订本B)》荣获国家教委优秀教材一等奖
大学物理习题解析答案2_西安交通大学出版社_吴百诗
文件（一）页码顺序P.1，10；P.100～109；P.11，P.110~119；P.12；P.120~129；P.13；P.130~139；P.14；P.140~149; P.15；P150~159；P.16；P.160~169；P.17。

第2章牛顿运动定律习题
第3章功和能习题（文件四）
第4章冲量和动量习题（文件四）
第5章刚体力学基础动量矩习题（文件四）
第6章机械振动基础习题第11章（文件二）
第7章机械波习题第12章（文件二）
第8章热力学习题第9章（文件二）
第9章气体动理论习题第10章（文件二）
《大学物理(下册)(第3次修订本B)》。

第10章静电场习题第6章（文件一、四）
第11章恒定电流的磁场习题第7章（文件一）
第12章电磁感应与电磁场习题第8章（文件一）
第13章波动光学基础习题（文件三）
第14章狭义相对论力学基础习题（文件三）
第15章量子物理基础习题（文件三）
第16章原子核物理和粒子物理简介习题（文件三）
第17章固体物理简介激光习题（文件三）。

吴百诗《大学物理基础》电子教案ch

吴百诗《大学物理基础》电子教案ch

吴百诗《大学物理基础》电子教案ch 第一章：引言1.1 课程介绍理解大学物理基础课程的重要性了解课程的目标和内容1.2 物理学的发展历程回顾物理学的历史发展了解著名物理学家的贡献1.3 物理学的应用领域探讨物理学在现代科技中的应用了解物理学在其他学科中的作用第二章：力学2.1 牛顿运动定律掌握牛顿三定律的内容理解定律的应用和实际意义2.2 动量和能量学习动量和能量的概念掌握守恒定律的应用2.3 引力定律和天体力学学习万有引力定律了解天体力学的基本概念第三章：热学3.1 热力学基本概念理解温度、热量和内能的概念学习热力学第一定律3.2 热传递和热能转换学习热传递的方式和机制了解热能转换的原理和技术3.3 理想气体状态方程掌握理想气体的状态方程学习气体的压强、体积和温度之间的关系第四章：波动与光学4.1 波动的基本概念学习波的传播和波动方程理解波的干涉和衍射现象4.2 声学基础学习声波的产生和传播了解声学在实际应用中的重要性4.3 光学原理与技术学习光的传播和反射、折射现象了解光学在现代科技中的应用第五章：现代物理简介5.1 量子力学基础了解量子力学的基本概念学习量子态和量子纠缠等现象5.2 相对论简介学习爱因斯坦的相对论原理理解时间、空间和质量的相对性5.3 现代物理技术的应用探讨现代物理技术在科学研究和实际应用中的作用了解物理学在未来的发展前景第六章：电磁学6.1 静电学学习静电荷和静电场的概念掌握库仑定律和电场强度6.2 稳恒电流和稳恒磁场学习电流和磁场的产生原理理解安培定律和法拉第电磁感应定律6.3 电磁波学习电磁波的产生和传播掌握电磁波的能量和动量第七章：原子与核物理7.1 原子结构学习原子的组成和电子结构理解原子的能级和光谱线7.2 原子核结构学习原子核的组成和核力了解核反应和核衰变7.3 核物理应用探讨核物理在能源和医学等领域的应用了解核技术的发展和挑战第八章：量子力学8.1 量子态学习量子态的表示和叠加理解量子态的测量和坍缩8.2 量子力学方程掌握薛定谔方程和解的性质学习量子跃迁和能级分布8.3 量子纠缠和量子信息理解量子纠缠的概念和性质探讨量子信息科学的发展前景第九章：固体物理9.1 晶体结构学习晶体的基本概念和分类理解晶体的空间点阵和晶胞9.2 固体物理性质学习固体的导电性、热导性和磁性了解半导体和超导体的特殊性质9.3 纳米技术和材料科学探讨纳米技术在现代科技中的应用了解材料科学的研究方向和发展趋势第十章：物理实验方法10.1 实验误差与数据处理学习实验误差的来源和减小方法掌握数据处理的基本技巧和原则10.2 常用物理实验仪器了解物理实验中常用的仪器和设备学习仪器的使用和维护方法10.3 实验设计与分析培养实验设计和分析的能力第十一章：物态方程与相变11.1 物态方程学习理想气体状态方程的推导和应用理解物态方程在描述物质状态变化中的作用11.2 相变理论学习相变的基本概念和分类理解相变理论的基本原理和数学描述11.3 相变的实验观察学习实验观察相变的方法和技术探讨相变在材料科学和凝聚态物理中的应用第十二章：非线性动力学12.1 非线性方程和解学习非线性方程的基本概念和解法理解非线性系统的特点和复杂性12.2 混沌现象学习混沌的基本概念和特性理解混沌在自然界和人工系统中的应用12.3 非线性动力学的实验研究学习实验研究非线性动力学的方法和技术探讨非线性动力学在物理和工程领域中的应用第十三章：宇宙学与天体物理学13.1 宇宙学基本概念学习宇宙学的基本原理和理论理解宇宙的起源、演化和结构13.2 宇宙背景辐射学习宇宙背景辐射的发现和特性理解宇宙背景辐射在宇宙学中的重要性13.3 天体物理现象学习恒星、黑洞和星系等天体物理现象理解天体物理学在探索宇宙中的作用第十四章：环境物理学14.1 环境物理学基本概念学习环境物理学的基本原理和内容理解环境物理学在保护环境和可持续发展中的重要性14.2 大气物理与气候变化学习大气物理的基本现象和气候变化的原因理解气候变化对环境和社会的影响14.3 环境污染与治理学习环境污染的来源和影响探讨环境保护和污染治理的技术和方法第十五章：现代物理探测技术15.1 粒子加速器与探测器学习粒子加速器和探测器的基本原理理解粒子加速器在现代物理研究中的重要性15.2 核磁共振与成像技术学习核磁共振的基本原理和应用理解成像技术在医学和生物学中的重要性15.3 光学探测技术与激光应用学习光学探测技术的原理和应用探讨激光在科学研究和工业中的应用前景重点和难点解析第一章：引言重点：理解物理学的重要性、发展历程和应用领域。