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第四篇 电磁学（磁学部分及电磁场理论）2

第11章 恒定电流2

11.1 电流和电阻2

11.1.1 电流 电流密度矢量2

11.1.2 电流的微观模型 电阻率4

11.2 电流的连续性方程 恒定条件9

11.3 电源及其电动势10

11.3.1 非静电力10

11.3.2 电动势11

11.4 电功率与电路12

11.4.1 电功率12

11.4.2 电路13

思考题14

习题15

第12章 恒定磁场16

12.1 基本磁现象16

12.2 磁场 磁感应强度17

12.3 毕奥-萨伐尔定律20

12.3.1 毕奥-萨伐尔定律20

12.3.2 应用21

12.4 运动电荷的磁场24

12.5 磁场的高斯定理25

12.5.1 磁感应线25

12.5.2 磁通量26

12.5.3 磁场的高斯定理27

12.6 安培环路定理28

12.6.1 安培环路定理28

12.6.2 安培环路定理的应用30

12.7 带电粒子在磁场中的运动33

12.7.1 带电粒子在均匀磁场中的运动规律33

12.7.2 应用35

12.8 载流导线在磁场中的受力40

12.8.1 载流导线在磁场中的受力安培定律40

12.8.2 电流单位安培的定义41

12.8.3 闭合载流线圈在均匀磁场中受力、力矩及其应用42

12.9 应用拓展46

12.9.1 磁约束——托卡马克装置46

12.9.2 电磁炮48

思考题49

习题50

第13章 电磁感应53

13.1 电磁感应的基本定律53

13.1.1 电磁感应现象的发现53

13.1.2 楞次定律56

13.1.3 法拉第电磁感应定律56

13.1.4 感应电动势的指向57

13.1.5 其他相关问题58

13.2 在磁场中运动的导体内的感应电动势——动生电动势60

13.2.1 动生电动势60

13.2.2 用洛伦兹力解释动生电动势60

13.2.3 计算动生电动势的公式61

13.2.4 洛伦兹力不做功61

13.3 感生电动势与感生电场65

13.3.1 问题的提出65

13.3.2 感生电场与感生电动势66

13.3.3 电子感应加速器68

13.4 涡电流69

13.4.1 涡电流69

13.4.2 涡电流的有效利用69

13.5 自感应与自感72

13.5.1 自感现象72

13.5.2 自感与自感电动势72

13.6 互感应与互感74

13.6.1 互感现象74

13.6.2 互感与互感电动势75

13.6.3 变压器78

13.7 磁场的能量80

13.7.1 自感磁能80

13.7.2 磁能密度81

13.7.3 互感磁能83

13.8 应用拓展——水力发电、火力发电及风力发电84

13.8.1 水力发电85

13.8.2 火力发电86

13.8.3 风力发电88

思考题90

习题91

第14章 物质的磁性95

14.1 磁介质的磁化与磁介质的分类95

14.1.1 磁介质及其磁化95

14.1.2 磁介质的分类96

14.2 磁化强度 磁化电流97

14.2.1 分子电流假说97

14.2.2 分子磁矩——顺磁性98

14.2.3 附加磁矩△m——抗磁性99

14.2.4 磁化强度99

14.2.5 磁化电流100

14.3 用磁场强度表示的安培环路定理101

14.3.1 磁场强度 用磁场强度表示的安培环路定理101

14.3.2 磁场强度、磁感应强度、磁化强度之间的关系102

14.4 铁磁质103

14.4.1 铁磁质的磁化规律——磁滞回线104

14.4.2 铁磁质的分类105

14.4.3 铁磁质的磁化机理106

14.5 磁路108

14.5.1 磁路108

14.5.2 磁路的欧姆定律108

14.5.3 磁路与电路的类比109

14.6 2007年诺贝尔物理学奖简介——巨磁电阻效应110

14.6.1 2007年诺贝尔物理学奖110

14.6.2 巨磁矩效应111

14.7 地磁场112

14.8 拓展阅读——磁记录与磁记录材料114

14.8.1 磁记录115

14.8.2 磁记录方式116

14.8.3 磁记录材料116

14.8.4 磁记录与日常生活119

14.8.5 磁记录展望120

思考题121

习题121

第15章 麦克斯韦方程组 电磁场与电磁波123

15.1 麦克斯韦电磁场理论125

15.1.1 涡旋电场假说125

15.1.2 位移电流假说126

15.1.3 麦克斯韦-安培环路定理129

15.2 麦克斯韦方程组130

15.2.1 普遍情况下的高斯定理130

15.2.2 麦克斯韦方程组131

15.2.3 电磁场的边界条件132

15.3 电磁场与电磁波133

15.3.1 电磁场与电磁波133

15.3.2 电磁振荡 无阻尼自由电磁振荡方程133

15.3.3 电磁辐射136

15.3.4 平面电磁波137

15.3.5 电磁场的能量 坡印廷矢量138

15.4 赫兹实验 电磁波谱140

15.4.1 赫兹实验140

15.4.2 电磁波谱145

15.5 应用拓展——雷达原理及应用146

15.5.1 雷达分类146

15.5.2 雷达的工作原理148

15.5.3 雷达应用举例151

思考题153

习题154

第五篇 波动光学158

引言158

第16章 光的干涉160

16.1 光是电磁波 光源160

16.1.1 光的电磁特性160

16.1.2 光源161

16.2 光的相干性 光程162

16.2.1 相干光162

16.2.2 光程与光程差163

16.2.3 相干光的获得164

16.3 杨氏双缝实验164

16.3.1 杨氏双缝实验165

16.3.2 菲涅耳双面镜实验167

16.3.3 劳埃德镜实验168

16.4 薄膜干涉169

16.4.1 平行薄膜的干涉169

16.4.2 薄膜干涉的应用 增透膜和增反膜171

16.5 劈尖干涉 牛顿环173

16.5.1 劈尖干涉173

16.5.2 牛顿环176

16.6 迈克耳孙干涉仪177

16.6.1 干涉仪结构及分析177

16.6.2 干涉图样的讨论178

16.7 应用拓展——干涉理论实际应用180

16.7.1 干涉法测量微小量180

16.7.2 OCT光学相干断层扫描技术181

16.7.3 迈克耳孙干涉仪的应用181

思考题182

习题183

第17章 光的衍射185

17.1 光的衍射现象185

17.2 惠更斯-菲涅耳原理186

17.2.1 惠更斯-菲涅耳原理186

17.2.2 菲涅耳衍射和夫琅禾费衍射187

17.3 单缝的夫琅禾费衍射188

17.3.1 衍射装置和现象188

17.3.2 单缝衍射图样分析188

17.3.3 分析与讨论190

17.4 圆孔的夫琅禾费衍射 光学仪器分辨率191

17.5 光栅衍射194

17.5.1 光栅194

17.5.2 光栅衍射条纹的形成195

17.5.3 光栅衍射的讨论196

17.6 X射线的衍射198

17.6.1 X射线199

17.6.2 劳厄实验199

17.6.3 布拉格方程199

17.7 应用拓展——衍射理论实际应用200

17.7.1 全息技术200

17.7.2 光谱仪201

17.7.3 光学信息处理201

思考题202

习题203

第18章 光的偏振205

18.1 光的偏振态 起偏与检偏205

18.1.1 光的偏振态205

18.1.2 起偏与检偏206

18.2 马吕斯定律207

18.3 反射和折射时光的偏振209

18.3.1 反射起偏 布儒斯特定律209

18.3.2 折射起偏 玻璃堆210

18.4 光的双折射211

18.4.1 双折射现象211

18.4.2 晶体的有关概念211

18.4.3 惠更斯原理在双折射中的应用212

18.4.4 晶体双折射应用213

18.5 偏振光的干涉及应用214

18.5.1 波片214

18.5.2 偏振光的干涉及应用215

18.6 应用拓展——偏振理论实际应用217

18.6.1 立体电影217

18.6.2 摄影用偏光镜217

18.6.3 偏光显微镜218

思考题219

习题219

第六篇 近代物理学222

引言222

第19章 狭义相对论224

19.1 相对性原理224

19.1.1 牛顿力学满足相对性原理224

19.1.2 伽利略变换225

19.1.3 电磁学规律“不”满足相对性原理227

19.2 迈克耳孙-莫雷实验228

19.3 狭义相对论的基本原理 洛伦兹变换式230

19.3.1 物理学面临的困境230

19.3.2 狭义相对论的基本原理231

19.3.3 洛伦兹变换232

19.3.4 洛伦兹速度变换232

19.4 狭义相对论时空观233

19.4.1 时间延缓234

19.4.2 长度收缩235

19.4.3 同时性的相对性236

19.4.4 一般情形下的时空237

19.5 相对论动力学237

19.5.1 相对论的动量、质量238

19.5.2 狭义相对论力学的基本方程238

19.5.3 质量与能量的关系239

19.5.4 动量与能量的关系240

19.6 质能相当关系在核物理方面的应用241

19.6.1 原子核的结合能241

19.6.2 重核裂变242

19.6.3 热核聚变244

19.7 应用拓展245

19.7.1 辐射的利用与危害245

19.7.2 宇宙大爆炸理论247

思考题248

习题249

第20章 光的量子性252

20.1 热辐射252

20.1.1 热辐射现象252

20.1.2 绝对黑体 基尔霍夫辐射定律253

20.2 黑体辐射实验及理论困难普朗克的能量量子假设255

20.2.1 黑体辐射实验定律255

20.2.2 经典理论对黑体辐射的解释256

20.2.3 普朗克的能量量子假说普朗克黑体辐射公式257

20.3 光电效应259

20.3.1 光电效应的实验规律259

20.3.2 爱因斯坦的光子假说与光电效应的解释261

20.3.3 光的波粒二象性263

20.4 康普顿效应264

20.4.1 实验现象264

20.4.2 康普顿效应的理论解释265

20.5 原子概念发展的历史 原子结构267

20.5.1 早期的原子理论267

20.5.2 支持原子理论的实验证据267

20.5.3 物质的原子结构269

20.5.4 卢瑟福原子模型271

20.6 玻尔氢原子理论272

20.6.1 原子光谱及其规律272

20.6.2 玻尔氢原子理论275

20.6.3 玻尔理论的局限和意义277

20.7 弗兰克-赫兹实验277

20.8 应用拓展——钠元素的黄光之谜279

思考题280

习题281

第21章 量子物理学基础283

21.1 德布罗意波 实物粒子的波粒二象性283

21.1.1 德布罗意假说284

21.1.2 德布罗意波的实验证实285

21.1.3 电子波动性的实际应用286

21.2 海森伯不确定关系287

21.3 波函数及其统计学诠释 薛定谔方程291

21.3.1 物质波波函数及其统计学诠释291

21.3.2 薛定谔方程292

21.4 一维定态薛定谔方程的应用296

21.4.1 一维无限深势阱问题296

21.4.2 一维势垒 隧道效应298

21.5 氢原子结构301

21.5.1 氢原子的薛定谔方程301

21.5.2 三个量子数302

21.6 空间量子化的进一步讨论：空间量子化实验验证 施特恩-格拉赫实验307

21.6.1 电子的轨道磁矩307

21.6.2 空间量子化的表现308

21.6.3 施特恩-格拉赫实验309

21.7 电子的自旋 原子的壳层结构310

21.7.1 电子自旋310

21.7.2 原子的壳层结构311

21.7.3 能量最低原理312

21.8 应用拓展——电子隧道效应的应用313

思考题315

习题316

附录1 参考文献319

附录2 基本天文数据320

附录3 数学基础——矢量321

附录4 级数展开和近似公式323

附录5 基本积分公式324