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第1章 热现象及其微观机制1

1.1 描述热现象的物理参量1

1.1.1 体积1

1.1.2 压强1

1.1.3 温度与温标3

1.2 热平衡9

1.2.1 热平衡态9

1.2.2 热力学第零定律10

1.3 理想气体的状态方程10

1.3.1 阿伏伽德罗定律11

1.3.2 玻意耳定律11

1.3.3 盖·吕萨克定律13

1.3.4 查理定律14

1.3.5 理想气体的状态方程15

1.3.6 道尔顿定律19

1.4 分子的热运动20

1.4.1 气体、液体、固体中的分子20

1.4.2 分子的热运动21

1.4.3 建立热平衡的微观过程22

1.5 系统的内能22

1.5.1 分子的动能22

1.5.2 分子间的势能23

1.6 热与功23

1.7 气体分子运动论基础23

1.7.1 理想气体的微观模型24

1.7.2 气体分子运动的特点24

1.7.3 气体压强的微观机制26

1.7.4 气体温度的微观机制27

1.8 实际气体的状态方程30

1.9 热量的测量32

1.10 热传递的各种形式34

1.10.1 热传导34

1.10.2 热对流37

1.10.3 热辐射38

习题43

参考答案45

第2章 物态及物态变化46

2.1 固态46

2.1.1 晶体46

2.1.2 非晶态48

2.1.3 准晶态48

2.1.4 固体的热膨胀48

2.2 液态50

2.2.1 液体的表面张力51

2.2.2 表面张力引起的压强52

2.2.3 液体与固体表面之间的附着力54

2.2.4 浸润55

2.2.5 接触角56

2.2.6 毛细现象56

2.3 熔化与凝固60

2.3.1 熔点61

2.3.2 熔化热61

2.3.3 凝固61

2.4 升华与凝华61

2.5 汽化与液化62

2.5.1 蒸发63

2.5.2 饱和气与饱和蒸气压63

2.5.3 沸腾65

2.5.4 汽化热68

2.5.5 液化与临界温度68

2.5.6 空气的湿度69

2.5.7 露点69

2.6 三相图70

习题72

参考答案72

第3章 准静态过程与热力学第一定律73

3.1 准静态热力学过程73

3.2 功74

3.3 热量75

3.4 内能76

3.5 热力学第一定律76

3.6 热力学第一定律对理想气体的应用77

3.6.1 焦耳实验77

3.6.2 焦耳-汤姆孙实验77

3.6.3 理想气体的内能表达式79

3.6.4 定容过程80

3.6.5 定压过程80

3.6.6 等温过程80

3.6.7 绝热过程81

习题108

参考答案114

第4章 热力学循环与热力学第二定律116

4.1 循环过程116

4.2 热机循环117

4.3 制冷机循环119

4.4 热过程的不可逆性121

4.5 热力学第二定律122

4.5.1 热过程不可逆性的表述122

4.5.2 开尔文表述与克劳修斯表述的等效性123

4.5.3 热力学第二定律的统计解释124

4.6 卡诺定理与热力学温标125

4.6.1 卡诺定理125

4.6.2 关于“可逆热机”与“不可逆热机”126

4.6.3 热力学温标127

4.7 熵与熵变128

4.7.1 克劳修斯等式128

4.7.2 态函数熵129

4.7.3 计算熵变的实例130

4.8 熵增加原理132

4.8.1 不可逆过程的数学表达式132

4.8.2 熵增加的实例133

习题134

参考答案136

第5章 几何光学的物理基础137

5.1 光线与几何光学的实验定律137

5.1.1 光线模型137

5.1.2 几何光学的实验定律138

5.2 费马原理142

5.3 光在平面上的反射143

5.4 光在平面上的折射146

5.4.1 平面折射成像146

5.4.2 棱镜148

5.4.3 全反射151

5.4.4 全反射棱镜157

5.4.5 全反射光纤159

5.4.6 虹与霓163

5.5 变折射率光学164

5.5.1 变折射率介质164

5.5.2 光线方程164

习题169

参考答案172

第6章 透镜与透镜组的成像174

6.1 成像的基本概念174

6.1.1 从盲人摸象说起174

6.1.2 光学成像的基本要素174

6.2 傍轴光线经球面折射成像177

6.2.1 轴上物点经单球面折射成像178

6.2.2 轴外物点经单球面折射成像180

6.2.3 像的横向放大率181

6.2.4 焦平面182

6.2.5 成像光学的符号约定185

6.2.6 成像作图法188

6.3 傍轴光线经球面反射成像189

6.3.1 球面反射的物像公式189

6.3.2 球面镜成像的特点191

6.3.3 球面镜成像的作图法192

6.4 傍轴光线经薄透镜成像193

6.4.1 薄透镜193

6.4.2 薄透镜成像的物像公式194

6.4.3 薄透镜成像的作图法199

6.5 光具组成像210

6.5.1 光具组成像的计算210

6.5.2 光具组成像的作图213

6.6 焦距的实验测量231

6.6.1 正镜焦距的测量232

6.6.2 负镜焦距的测量233

6.7 非傍轴光成像234

6.7.1 透镜组的阿贝正弦条件235

6.7.2 球形齐明透镜与齐明点235

6.7.3 齐明透镜组237

习题237

参考答案247

第7章 光学成像仪器250

7.1 眼睛250

7.1.1 眼睛的光学特性250

7.1.2 视力的矫正252

7.2 目镜253

7.2.1 放大镜253

7.2.2 显微镜和望远镜中的目镜255

7.3 物镜257

7.3.1 照相物镜257

7.3.2 显微物镜259

7.4 显微镜259

7.4.1 显微镜的结构259

7.4.2 显微镜的标志260

7.5 望远镜262

7.6 照相机263

习题272

参考答案275

第8章 波动光学基础277

8.1 光波产生的微观机制277

8.2 光波的数学表示278

8.2.1 振动的数学表示278

8.2.2 波的数学表示279

8.2.3 光的辐射通量与光强280

8.2.4 球面光波的数学表达式282

8.2.5 平面光波的数学表达式283

8.3 接收屏上的波函数287

8.3.1 接收屏上的平面波287

8.3.2 接收屏上的球面波288

8.4 光波的复振幅289

8.5 光波的叠加290

8.5.1 光波的独立传播定律291

8.5.2 光波的叠加原理291

8.6 光波的叠加方法291

8.6.1 代数法（瞬时值法）292

8.6.2 复数法292

8.6.3 振幅矢量法293

8.7 光波叠加的强度294

8.7.1 光波叠加的特点294

8.7.2 光波叠加强度的计算方法295

8.7.3 光波的相干叠加与非相干叠加295

8.7.4 光波的相干条件297

8.8 波包与群速度300

8.9 光波的偏振303

8.9.1 横波的偏振性303

8.9.2 起偏与检偏305

8.9.3 光的偏振态305

8.10 利用波片改变光的偏振态313

8.10.1 波片313

8.10.2 波片对光的偏振态的改变315

8.11 偏振光的干涉324

8.11.1 平行偏振光的干涉装置324

8.11.2 干涉分析与实验现象325

8.12 光与物质的相互作用327

8.12.1 光的吸收327

8.12.2 光的色散328

8.12.3 光的散射330

习题331

参考答案336

第9章 光的干涉339

9.1 光的干涉装置概述339

9.2 杨氏干涉339

9.2.1 相干叠加与非相干叠加339

9.2.2 干涉的特点341

9.2.3 干涉花样的特点341

9.3 两列平面波的干涉344

9.4 其他分波前的干涉装置346

9.4.1 菲涅耳双面镜346

9.4.2 劳埃德镜347

9.4.3 菲涅耳双棱镜348

9.5 薄膜干涉354

9.5.1 等倾干涉354

9.5.2 等厚干涉359

9.6 分振幅的干涉装置361

9.6.1 迈克尔孙干涉仪361

9.6.2 马赫-曾特干涉仪363

9.6.3 干涉滤波片364

9.6.4 牛顿环（圈）366

9.7 光的空间相干性与时间相干性367

9.7.1 光波场的空间相干性368

9.7.2 光波场的时间相干性371

习题373

参考答案382

第10章 光的衍射385

10.1 惠更斯-菲涅耳原理385

10.1.1 次波模型385

10.1.2 次波的相干叠加386

10.2 夫琅禾费单缝和矩孔衍射389

10.2.1 夫琅禾费衍射装置389

10.2.2 单缝衍射强度分布390

10.2.3 单缝衍射花样的特点391

10.2.4 夫琅禾费矩孔衍射393

10.3 夫琅禾费圆孔衍射394

10.3.1 圆孔衍射的强度分布394

10.3.2 圆孔衍射花样的特点395

10.3.3 望远镜的分辨本领395

习题399

参考答案399

第11章 狭义相对论400

11.1 物理规律与参考系400

11.2 光速不变与相对性原理401

11.3 洛伦兹变换404

11.3.1 时空坐标的洛伦兹变换404

11.3.2 同时的相对性405

11.3.3 运动时钟的延缓406

11.3.4 运动尺度的缩短407

11.3.5 相对论的速度变换公式408

11.4 相对论多普勒效应413

11.4.1 经典的多普勒效应413

11.4.2 光的多普勒效应414

11.5 相对论力学421

习题428

参考答案429

第12章 原子的结构与能级430

12.1 汤姆孙的原子模型430

12.1.1 电子的发现430

12.1.2 葡萄干布丁模型432

12.2 卢瑟福的原子模型432

12.2.1 α粒子的散射实验433

12.2.2 对汤姆孙模型的否定433

12.2.3 卢瑟福的原子核式结构模型434

12.2.4 原子核大小的估算435

12.2.5 卢瑟福散射公式的意义436

12.3 氢原子的光谱436

12.3.1 光谱436

12.3.2 氢原子的光谱438

12.4 玻尔的氢原子模型440

12.4.1 经典理论解释氢原子光谱的困难440

12.4.2 玻尔的氢原子模型441

12.4.3 氢的里德伯常数实验值与理论值的偏差444

12.5 类氢离子的光谱445

12.5.1 类氢离子与皮克林线系445

12.5.2 氘的发现447

12.6 弗兰克-赫兹实验447

12.6.1 基本思想447

12.6.2 弗兰克-赫兹实验的装置与结果447

12.6.3 改进的弗兰克-赫兹实验装置448

12.6.4 阴极射线激发光源450

习题460

参考答案461

第13章 量子力学初步462

13.1 量子论的实验依据463

13.1.1 黑体辐射与普朗克能量子463

13.1.2 光电效应与爱因斯坦光量子467

13.1.3 康普顿效应468

13.1.4 电子的衍射469

13.1.5 电子的干涉471

13.1.6 分子的衍射471

13.2 物质的波粒二象性472

13.2.1 德布罗意的物质波472

13.2.2 物质的波动性与粒子性472

13.3 波粒二象性的必然结果——量子态474

13.3.1 轨道角动量的量子化474

13.3.2 刚性匣子中的粒子474

13.4 不确定关系475

13.4.1 几个典型的例子476

13.4.2 不确定关系的严格表述477

13.4.3 不确定关系的物理含义478

13.5 波函数及其统计解释479

13.5.1 波粒二象性的数学描述479

13.5.2 电子的双缝干涉实验480

13.5.3 波函数的统计解释482

习题489

参考答案491

第14章 原子核物理概论492

14.1 原子核的基本情况492

14.1.1 物质的天然放射性492

14.1.2 原子核的组成493

14.1.3 原子核的大小496

14.1.4 原子核的电荷与质量497

14.1.5 核素498

14.1.6 原子核的结合能499

14.2 核力501

14.2.1 核力的概念501

14.2.2 核力的介子理论502

14.3 放射性核衰变504

14.3.1 放射性衰变的一般规律504

14.3.2 α衰变511

14.3.3 β衰变513

14.3.4 γ衰变517

14.4 核反应519

14.4.1 反应能与Q方程519

14.4.2 核反应的阈能521

14.5 核裂变521

14.5.1 核裂变的发现及其特点521

14.5.2 实现核裂变的主要方式523

14.6 核聚变526

14.6.1 核聚变的能量526

14.6.2 核聚变的条件527

习题536

参考答案537

参考文献538