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第四篇 电磁学324

第10章 真空中的静电场324

10.1 静电场的基本现象和基本规律325

10.1.1 摩擦起电和两种电荷325

10.1.2 静电感应和电荷守恒定律325

10.1.3 物质的电结构以及导体、绝缘体和半导体326

10.2 真空中的库仑定律327

10.2.1 电荷和库仑定律327

10.2.2 静电场力的叠加原理329

10.2.3 应用库仑定律解题的步骤332

10.3 静电场和电场强度333

10.3.1 静电场333

10.3.2 电场强度矢量333

10.3.3 场强叠加原理336

10.4 电场线、电通量和高斯定理341

10.4.1 电场线341

10.4.2 电通量343

10.4.3 静电场的高斯定理344

10.4.4 高斯定理的应用347

10.4.5 应用高斯定理求场强分布的几点说明351

10.5 静电场力所做的功、电势能、电势差和电势352

10.5.1 静电场力所做的功352

10.5.2 电势能354

10.5.3 电势差355

10.5.4 电势356

10.5.5 电场力所做的功和电势差的关系356

10.5.6 电势叠加原理和电势的计算358

10.6 等势面以及场强与电势的关系362

10.6.1 等势面362

10.6.2 电势与场强的微分关系363

10.7 带电粒子在静电场中受到的力及其运动366

10.7.1 电偶极子在电场中受到的力与力矩366

10.7.2 带电粒子在匀强电场中的运动366

本章内容简介（英文）368

习题10370

第11章 静电场中的导体和电介质377

11.1 静电场中的导体377

11.1.1 金属导体微观结构的特征377

11.1.2 导体的静电平衡条件377

11.1.3 导体处于静电平衡时的性质378

11.1.4 导体面电荷密度和场强的关系379

11.1.5 导体空腔的电荷分布（导体壳）382

11.2 静电场中的电介质384

11.2.1 电介质的极化及微观机制384

11.2.2 极化强度矢量和极化电荷的关系386

11.2.3 电位移矢量和有电介质时的高斯定理388

11.3 电容器和电容392

11.3.1 孤立导体的电容392

11.3.2 电容器和电容器的电容393

11.3.3 电容器电容的计算394

11.3.4 电介质对电容器电容的影响396

11.3.5 电容器的串联和并联397

11.4 静电场的能量400

11.4.1 点电荷系的相互作用能400

11.4.2 电荷连续分布的带电体系的静电能401

11.4.3 电容器的静电能402

11.4.4 电场的能量和能量密度403

本章内容简介（英文）407

习题11409

静电场检测题414

第12章 稳恒电流418

12.1 电流和电流密度418

12.1.1 电流的形成418

12.1.2 电流418

12.1.3 电流密度419

12.1.4 稳恒电流和电场420

12.2 一段不含源电路的欧姆定律420

12.2.1 欧姆定律和电阻420

12.2.2 电阻定律和电阻率421

12.2.3 欧姆定律的微分形式423

12.2.4 金属导电的经典电子理论423

12.3 电流的功、功率和焦耳定律425

12.3.1 电流的功和功率425

12.3.2 焦耳定律426

12.4 电阻的串联和并联426

12.4.1 电阻的串联426

12.4.2 电阻的并联427

12.4.3 分压电路和分流电路427

12.5 电源和电动势428

12.5.1 电源428

12.5.2 电动势429

12.6 闭合电路和一段含源电路的欧姆定律430

12.6.1 闭合电路的欧姆定律430

12.6.2 一段含源电路的欧姆定律431

12.7 基尔霍夫定律432

12.7.1 基尔霍夫第一定律432

12.7.2 基尔霍夫第二定律433

本章内容简介（英文）436

习题12438

第13章 真空中稳恒电流的磁场440

13.1 基本的磁现象440

13.1.1 早期对磁现象的认识440

13.1.2 磁场442

13.2 磁感应强度、磁感应线、磁通量和磁场中的高斯定理443

13.2.1 磁感应强度443

13.2.2 磁感应线444

13.2.3 磁感应通量445

13.2.4 磁场的高斯定理446

13.3 毕奥—萨伐尔—拉普拉斯定律448

13.3.1 毕奥—萨伐尔—拉普拉斯定律448

13.3.2 磁场叠加原理448

13.3.3 关于毕奥—萨伐尔—拉普拉斯定律的几点说明449

13.3.4 毕奥—萨伐尔—拉普拉斯定律的应用449

13.4 安培环路定理及其应用454

13.4.1 安培环路定理454

13.4.2 安培环路定理的证明455

13.4.3 安培环路定理的应用456

13.5 运动电荷的磁场460

13.6 磁场对电流的作用461

13.6.1 安培定律461

13.6.2 两无限长直载流导线间的作用力464

13.6.3 载流线圈在磁场中所受的力和力矩465

13.7 带电粒子在磁场中的运动466

13.7.1 洛仑兹力467

13.7.2 带电粒子在均匀磁场中的运动468

13.7.3 带电粒子在均匀电场和均匀磁场中的运动469

本章内容简介（英文）472

习题13474

第14章 磁介质482

14.1 磁介质的磁化和磁导率482

14.1.1 磁场中磁介质的磁化482

14.1.2 磁介质的磁导率482

14.1.3 磁介质的分类483

14.1.4 磁介质磁化的微观机制483

14.1.5 磁化强度矢量485

14.1.6 磁化强度与分子电流的关系485

14.2 磁场强度矢量、有磁介质时的安培环路定理和高斯定理486

14.3 磁介质的磁化规律以及磁化率与磁导率488

14.4 铁磁质489

14.4.1 铁磁质的一般特性489

14.4.2 铁磁质的磁化规律489

14.4.3 铁磁质的分类和应用491

14.4.4 铁磁性的起因493

本章内容简介（英文）495

习题14497

第15章 电磁感应500

15.1 法拉第电磁感应定律500

15.1.1 电磁感应现象500

15.1.2 法拉第电磁感应定律502

15.1.3 楞次定律503

15.2 动生电动势和交流发电机原理506

15.2.1 动生电动势和洛仑兹力506

15.2.2 动生电动势的计算507

15.3 感生电动势和涡旋电场511

15.3.1 感生电动势和涡旋电场511

15.3.2 感生电动势的计算512

15.4 自感和互感515

15.4.1 自感现象及其实验观察515

15.4.2 自感系数和自感电动势516

15.4.3 互感现象和互感系数517

15.5 自感磁能和互感磁能520

15.5.1 自感磁能520

15.5.2 互感磁能521

15.5.3 磁场的能量522

15.6 位移电流和麦克斯韦方程组523

15.6.1 静电场、静磁场的基本方程524

15.6.2 涡旋电场所满足的方程525

15.6.3 位移电流525

15.6.4 麦克斯韦方程组的积分形式529

15.6.5 麦克斯韦方程组的微分形式531

15.6.6 麦克斯韦方程组的意义532

本章内容简介（英文）533

习题15535

第16章 电磁振荡和电磁波540

16.1 电磁振荡540

16.1.1 无阻尼自由振荡回路540

16.1.2 无阻尼自由振荡的规律541

16.2 电磁波的产生和传播543

16.2.1 振荡回路的改进543

16.2.2 振荡电偶极子发射的电磁波544

16.2.3 E和H的表达式545

16.3 电磁波的性质和能量546

16.3.1 电磁波的性质546

16.3.2 电磁波的能量547

16.3.3 振荡偶极子的发射总功率549

16.3.4 赫兹实验549

16.4 电磁波谱550

16.4.1 无线电波550

16.4.2 红外线550

16.4.3 可见光551

16.4.4 紫外线551

16.4.5 X射线551

16.4.6 γ射线552

本章内容简介（英文）553

习题16555

阅读材料科学家系列简介（三）557

静磁学和电磁场检测题560

第五篇 光学的物理基础567

第17章 波动光学基础567

第一部分 光的干涉567

17.1 光波、光源、光的相干叠加和非相干叠加567

17.1.1 光的电磁理论567

17.1.2 光源及其发光特征568

17.1.3 光波叠加原理569

17.1.4 光波的相干叠加和非相干叠加570

17.1.5 相干条件、相干光和相干光源571

17.1.6 获得相干光源的基本方法572

17.1.7 光程、相差和光程差572

17.1.8 干涉条纹的可见度573

17.1.9 光通过薄透镜的等光程性574

17.2 由分波前法产生的光的干涉574

17.2.1 杨氏双缝实验574

17.2.2 洛埃镜实验577

17.3 由分振幅法产生的光的干涉——薄膜干涉578

17.3.1 平行平面膜产生的干涉579

17.3.2 等厚干涉583

17.4 迈克耳孙干涉仪588

17.4.1 迈克耳孙干涉仪588

17.4.2 相干长度和相干时间589

第二部分 光的衍射590

17.5 光的衍射现象和惠更斯—菲涅耳原理590

17.5.1 光的衍射现象与衍射的分类590

17.5.2 惠更斯菲涅耳原理591

17.6 单狭缝夫琅和费衍射592

17.6.1 夫琅和费衍射的实验592

17.6.2 菲涅耳半波带法593

17.6.3 单缝衍射图样及光强分布594

17.7 圆孔夫琅和费衍射596

17.7.1 圆孔夫琅和费衍射596

17.7.2 光学仪器的分辨本领597

17.7.3 人眼的分辨本领599

17.7.4 光谱仪器的色分辨本领599

17.8 衍射光栅600

17.8.1 平面透射光栅600

17.8.2 光栅光谱603

1 7.8.3 光栅光谱仪的色分辨本领603

17.8.4 光栅的色散本领603

第三部分 光的偏振605

17.9 自然光和偏振光606

17.9.1 光的偏振现象606

17.9.2 偏振片、起偏器和检偏器608

17.9.3 马吕斯定律608

17.10 光在各向同性介质分界面上反射和折射时的偏振610

17.10.1 反射和折射时的偏振现象610

17.10.2 布儒斯特定律611

17.10.3 玻璃片的检偏611

17.11 光的双折射现象613

17.11.1 晶体的双折射现象613

17.11.2 双折射现象的物理解释614

17.11.3 偏振器件615

本章内容简介（英文）617

习题17620

阅读材料 科学家系列简介（四）628

波动光学检测题631

第六篇 近代物理和现代工程技术简介635

第18章 狭义相对论基础635

18.1 力学相对性原理、伽利略变换和经典力学时空观635

18.1.1 伽利略时空坐标变换636

18.1.2 力学相对性原理636

18.1.3 牛顿的绝对时空观637

18.2 狭义相对论的两个基本假设和洛仑兹变换639

18.2.1 相对论产生的历史背景639

18.2.2 相对论实验基础639

18.2.3 狭义相对论的两个基本假设641

18.2.4 洛仑兹变换642

18.3 狭义相对论时空观645

18.3.1 相对论时空结构645

18.3.2 长度收缩646

18.3.3 同时性的相对性647

18.3.4 时钟变慢648

18.3.5 狭义相对论时空观650

18.4 狭义相对论动力学基础651

18.4.1 相对论动量、能量651

18.4.2 质能关系653

18.4.3 质能关系的物理意义654

18.4.4 相对论力学方程655

本章内容简介（英文）657

习题18660

第19章 量子物理基础662

19.1 热辐射和普朗克的辐射量子论662

19.1.1 热辐射及其描述方法662

19.1.2 绝对黑体辐射和基尔霍夫定律664

19.1.3 绝对黑体辐射的实验规律665

19.1.4 绝对黑体辐射的经典理论解释667

19.1.5 普朗克的量子论667

19.1.6 光测高温方法669

19.2 光电效应和爱因斯坦光量子理论671

19.2.1 光电效应的发现671

19.2.2 光电效应的实验规律672

19.2.3 光电效应的经典解释673

19.2.4 光电效应的量子解释673

19.2.5 爱因斯坦的光量子理论675

19.2.6 光子676

19.3 康普顿效应和光的波粒二象性677

19.3.1 X射线677

19.3.2 康普顿散射的实验装置678

19.3.3 康普顿散射的实验结果678

19.3.4 经典考虑678

19.3.5 康普顿的量子解释679

19.3.6 光的波粒二象性681

19.4 氢原子光谱规律和玻尔的氢原子理论683

19.4.1 氢原子的光谱683

19.4.2 玻尔的氢原子理论684

19.4.3 玻尔模型的实验验证687

19.4.4 玻尔理论所得的结论689

19.4.5 玻尔理论的局限性690

19.5 实物粒子的波粒二象性691

19.5.1 光的波粒二象性691

19.5.2 实物粒子的波粒二象性691

19.5.3 德布罗意波693

19.6 不确定关系695

19.6.1 不确定关系的简单导出695

19.6.2 不确定关系的表述和含义695

19.7 波函数及其统计解释697

19.7.1 波函数697

19.7.2 波函数的统计解释698

19.7.3 薛定谔方程699

19.8 一维无限深势阱700

19.9 量子隧道效应703

19.10 氢原子的量子力学处理和电子自旋707

19.10.1 氢原子的量子力学处理707

19.10.2 电子自旋709

19.11 多电子原子和原子的壳层结构710

19.11.1 氦原子的光谱和能级710

19.11.2 泡利不相容原理712

19.11.3 原子的电子壳层结构712

本章内容简介（英文）720

习题19723

阅读材料 科学家系列简介（五）727

相对论和量子物理检测题731

第20章 能源和核能技术简介734

20.1 能源概念简述734

20.1.1 能源的类型734

20.1.2 能源的转化735

20.1.3 能源的利用736

20.2 原子核的性质和裂变737

20.2.1 原子核的基本性质737

20.2.2 原子核的裂变745

20.3 链式反应和核能的利用748

20.3.1 链式反应748

20.3.2 实现链式反应的条件749

20.3.3 原子核反应堆750

20.3.4 原子反应堆的应用751

20.3.5 原子弹752

20.4 轻原子核的聚变反应和核能的利用752

20.4.1 轻原子核的聚变752

20.4.2 太阳中的原子核聚变753

20.4.3 热核反应754

20.5 其他能源简介757

20.5.1 太阳能及其利用757

20.5.2 风能及其利用758

20.5.3 海洋能的开发和利用759

20.5.4 地热能760

20.5.5 氢能的利用761

习题20763

第21章 激光原理及其应用764

21.1 激光的基本原理764

21.1.1 粒子数按能级的分布764

21.1.2 光与物质的作用765

21.1.3 粒子数反转分布766

21.1.4 光振荡767

21.2 激光器770

21.2.1 激光器种类770

21.2.2 固体激光器770

21.2.3 气体激光器771

21.3 激光的特性773

21.4 激光技术的应用774

21.4.1 激光在工业方面的应用774

21.4.2 激光在能源方面的应用775

21.4.3 激光在医学方面的应用776

21.4.4 激光在军事上的应用777

21.4.5 激光在农业方面的应用777

21.4.6 激光的其他应用777

习题21778

第22章 红外辐射技术原理及其应用简介779

22.1 红外线及红外辐射源779

22.1.1 红外线的发现和红外波段的划分779

22.1.2 红外辐射源的类型及特点779

22.2 红外辐射的传输特性781

22.2.1 红外辐射在传输媒质中的衰减规律781

22.2.2 红外辐射在大气中的传输特性781

22.2.3 红外辐射在凝聚态媒质中的传播783

22.3 红外辐射的探测特性783

22.3.1 红外探测器的特性参数783

22.3.2 红外辐射探测器的种类784

22.3.3 红外成像器件785

22.4 红外技术的应用785

22.4.1 红外测温技术785

22.4.2 红外遥感技术786

22.4.3 红外加热技术及其应用787

22.4.4 红外新技术成果的应用788

习题22790

第23章 纳米科技及应用简介791

23.1 纳米科学技术及其产生791

23.1.1 纳米科技791

23.1.2 纳米科技的诞生791

23.1.3 发展纳米科技的意义792

23.2 蓬勃发展中的纳米科技793

23.2.1 纳米材料学（nanometer materials science）794

23.2.2 纳米电子学（nanoeletronics）797

23.2.3 纳米生物学（nanobiology）798

23.3 纳米科技研究的工具801

23.3.1 高分辨透射电镜（HRTEM）801

23.3.2 扫描隧道显微镜（STM）802

23.3.3 原子力显微镜（AFM）802

23.4 纳米科技的安全性问题804

23.4.1 纳米技术与人体健康的安全问题804

23.4.2 纳米生物技术与生态安全问题805

23.4.3 纳米技术与社会安全问题805

习题23806