大学物理下(苏万钧)gfzy课件

大学物理下(苏万钧)课件简介本课件是由著名物理学家苏万钧教授编写的大学物理下学期课程资料。涵盖了力学、电磁学、光学等多个重要物理领域,为学生们提供了全面和深入的学习材料。第一章电学基础这一章将深入探讨电学的基础知识,涵盖从电荷、静电场、电势到电流和电路等关键概念。学习电学基础对于理解更复杂的电磁现象和广泛应用至关重要。电荷电荷的发现静电现象最早由古希腊科学家发现,后来通过实验证明了电荷的存在,并发现了正负电荷的概念。电荷的基本单位电荷的基本单位是电子,而电荷有正负两种,分别对应于质子和电子。静电现象摩擦或接触会产生静电现象,两种不同性质的物体接触后分离会产生静电荷。静电场静电场线静电场线是一个描述静电场的重要图像。它们表示电场力的强度和方向,帮助我们理解静电场的性质。电荷与静电场静电场由带电粒子产生,电荷在静电场中会产生电场力。电荷的性质和数量决定了静电场的强度和分布。静电场强度静电场强度是指单位电荷在静电场中受到的电场力的大小。它描述了静电场的强弱程度,是理解静电现象的关键概念。静电场强度定义静电场强度是物体在静电场中单位正电荷所受到的电力作用,用来描述静电场的强弱。计算公式静电场强度等于点电荷产生的电力作用力除以单位正电荷。方向静电场强度的方向与电力作用力的方向相同,指向电场中正电荷的运动方向。单位静电场强度的单位是牛顿/库仑(N/C)。高斯定理定义高斯定理描述了静电场中任意闭合曲面内电通量与其内电荷总量之间的关系。应用高斯定理可简化计算静电场强度,尤其适用于具有高度对称性的电荷分布。特点高斯定理利用微分形式的高斯定理,可推导出麦克斯韦方程组中的高斯定律。意义高斯定理在电磁学中具有广泛应用,是理解电场和磁场的重要工具。电势与电势能1电势概念电势描述了一个点在静电场中的电位能状态,单位为伏特(V)。2电势能计算电势能等于在静电场中移动电荷所做的功,可用电势差和电荷量计算。3电势的应用电势概念广泛应用于电路分析、静电场分析等,是静电场的重要特征。4电势等势面静电场中相同电势的点构成等势面,等势面垂直于电场线。电容与电容器电容器的概念电容器是由两个导体之间隔有绝缘介质而组成的电路元件。它具有存储电荷和储存电能的作用。电容量的定义电容量是描述电容器存储电荷能力的量度,用符号C表示,单位为法拉(F)。平板电容器平板电容器是最简单的电容器结构,由两个平行的导电板和夹在中间的绝缘介质组成。电流与电路1电流的定义电流是指单位时间内通过某一截面的电荷量。它反映了电路中电荷的运动速度。2直流电与交流电直流电流的方向和大小保持不变,而交流电流的方向和大小随时间周期性变化。3电路的分类电路可分为串联电路和并联电路,这决定了电路中各部分电压和电流的关系。4电路元件电流通过的基本电路元件有电阻、电容和电感,它们决定了电路的电学特性。电阻与电阻器电阻电阻是电路中用于限制电流的元件,可以是固定电阻或可变电阻。电阻值的大小决定了电流的大小。电阻器电阻器是由高电阻材料制成的元件,其主要特性是电阻值。常用电阻器包括碳膜电阻、金属膜电阻等。应用电阻器在电路中广泛应用,用于电压分压、电流限制、保护电路等,是电子电路中不可缺少的重要元件。欧姆定律定义欧姆定律描述了电流和电压之间的关系,即电流与电压成正比,电阻保持不变。这是电路分析的基础之一。应用欧姆定律广泛应用于各种电路分析,例如确定电流大小、计算功率、设计电源等。这是理解电学的关键定律。数学表达欧姆定律可以用公式I=V/R来表示,其中I为电流,V为电压,R为电阻。这个简单的关系式揭示了电路的基本规律。局限性但欧姆定律仅适用于某些简单电路,对于更复杂的电路,如非线性元件、高频电路等,需要更精细的电路分析方法。电功和电功率电功电功是通过电路中电流传递的能量。它能够被转换成其他形式的能量,如热能、光能或机械能。电功的大小由电压、电流和时间决定。电功率电功率是单位时间内转换的电功。它描述了电能转换的速度。电功率越大,电功转换得越快。电功率由电压和电流的乘积决定。电功率应用电功率在日常生活中广泛应用,为我们提供照明、加热和驱动机械等功能。合理控制和管理电功率是提高能源利用效率的关键。磁学基础探讨磁场、磁性材料及电磁感应的物理规律,为后续电磁波理论奠定基础。磁场和磁感应强度磁场的定义磁场是一种由磁性物质产生的物理场,描述了空间中磁性力的分布情况。磁场能够对放在其中的磁性物质产生力的作用。磁感应强度的定义磁感应强度是磁场的一个重要物理量,它描述了磁场在某一点产生的磁性力的大小和方向。磁感应强度的大小决定了磁性物质受到的磁力。磁场线的可视化通过绘制磁场线,我们可以直观地观察到磁场的方向和强度分布。磁场线的密集程度反映了磁感应强度的大小。电流产生的磁场磁场的产生电流通过导体时会产生磁场,磁场的方向由"右手定则"确定。磁场强度磁场强度与电流大小成正比,与距离平方成反比。磁感应线磁感应线环绕导体呈同心圆形,反映了磁场的空间分布。应用电流产生的磁场广泛应用于电动机、变压器、电磁铁等电磁装置。磁感应定律磁场变化变化的磁场会在导体中产生电动势。这就是磁感应定律的核心内容。感应电流感应电流的大小和方向都由磁场变化的大小和方向决定。法拉第电磁感应定律感应电动势等于磁通量变化率的负值。这就是法拉第电磁感应定律。磁性材料分类丰富磁性材料包括铁磁性、反铁磁性、亚铁磁性等不同种类。每种材料都有独特的磁性特性。广泛应用磁性材料被广泛应用于电机、变压器、磁记录、医疗诊断等领域。它们在现代社会中扮演着重要角色。性能可控通过合理的制备和处理,磁性材料的性能可以得到有效控制和调节。这为其应用提供了灵活性。发展前景广阔随着科技的不断进步,新型磁性材料的开发和应用前景广阔,为未来发展带来无限可能。电磁感应定律法拉第电磁感应定律法拉第发现当磁场变化时会在导体中产生感应电流,这就是著名的电磁感应定律。感应电流的大小和方向由磁场变化的速度和方向决定。感应电动势产生当电磁场发生变化时,会在导体中产生感应电动势,这是电磁感应的基本现象。感应电动势的大小与磁通量的变化率成正比。应用场景电磁感应广泛应用于各种发电机、变压器和电动机等电磁装置,也是无线电通信和电磁感应加热技术的基础。法拉第电磁感应定律基本原理电磁感应定律描述了电磁感应现象的物理规律。当磁通量随时间变化时,就会在电路中产生感应电动势。这个过程就是电磁感应。数学表达法拉第电磁感应定律用数学公式表示为：感应电动势等于磁通量变化率的负值。这个定律为很多电磁设备的工作原理提供了理论基础。应用实例根据电磁感应原理设计的发电机广泛应用于发电系统,可以将机械能转化为电能。这种转化过程就遵循法拉第电磁感应定律。自感应和互感应1自感应当电流在一个线圈或电磁体中改变时,会在该装置内部产生感应电动势,这种现象就称为自感应。它是电磁感应的一种特殊形式。2互感应当一个线圈中的电流改变时,会在另一个靠近的线圈中产生感应电动势,这种现象称为互感应。它是电磁感应的另一种形式。3应用自感应和互感应在变压器、自动调节电路、感应加热等中都有广泛的应用。理解这两种现象对于电磁学的学习很重要。交流电路交流电压交流电压是一种周期性变化的电压,与直流电压不同。它的值和方向随时间而周期性变化。交流电流交流电流也是周期性变化的,它的大小和方向随时间而周期性变化。交流电源供给的电路中就会产生交流电流。交流电路阻抗交流电路中存在电阻、电感和电容,合在一起形成的总阻抗被称为交流电路的阻抗。第三章电磁波理论探讨电磁波的理论基础,从产生到传播,以及电磁光谱的应用。麦克斯韦方程组概括电磁现象麦克斯韦方程组是一组基本的微分方程,描述了电场、磁场以及它们之间的相互关系。电磁波的理论基础这些方程奠定了电磁波理论的基础,解释了电磁波如何产生和传播。预言电磁现象这组方程可以用来预测和解释各种电磁现象,如电磁感应、电磁辐射等。推动科学发展麦克斯韦方程组的发现极大地促进了电磁学和现代物理学的发展。电磁波的产生电流产生电磁波当电流在导体中快速变化时,会产生变化的电磁场,从而产生电磁波。这种电磁波可以通过天线或其他设备发射到周围空间。电磁波的特点电磁波可以在真空中以光速传播,并具有振幅、频率和波长等特征。不同频率的电磁波有不同的用途,如无线通信、医疗诊断等。电磁波的产生过程电磁波的产生是由于电场和磁场的相互作用和相互激励,产生了能量在空间传播的电磁振荡过程。这一过程遵循麦克斯韦方程组的理论描述。电磁波的传播传播速度电磁波以光速c(3x10^8m/s)在真空中传播,穿过各种介质时速度会有所降低。波前传播电磁波的波前以同心球面的方式向外扩散,呈现球面波的形式传播。能量传输电磁波携带能量,传播过程中能量密度随距离的增加而减小,遵循反平方定律。电磁波的特性1波动特性电磁波是一种能量传播的波动形式,具有波长、频率和波速等波动特性。2粒子性质电磁波在某些行为中表现为光子等粒子,如光电效应和康普顿效应。3传播方式电磁波可以在真空和物质中传播,并遵循直线传播、反射和折射等规律。4能量传输电磁波能够载荷和传输能量,用于照明、通信、医疗等广泛应用。电磁谱与光的性质电磁谱电磁谱是全部电磁辐射的总称,涵盖从最低频率的无线电波到最高频率的伽马射线。每种类型的电磁辐射具有不同的应用和特性。光的性质光既有波动性,也有粒子性。光可以干涉、衍射和反射等,是一种独特的能量形式,广泛应用于通信、医疗和工业等领域。红外光和微波红外光波长较长,用于远距离热成像,而微波则广泛应用于通信和雷达等领域。这些电磁辐射的特性决定了它们在科技中的不同用途。电磁谱与光的性质从长波的无线电波到短波的X射线和伽马射线,电磁波覆盖了广泛的频谱范围。每种类型的电磁波都有其独特的性质和应用,我们将学习光的重要性及其在现代生活中的广泛应用。光的反射和折射反射定律入射光线、反射光线和法线于同一平面,反射角等于入射角。折射定律光线从一种介质进入另一种介质时,会发生折射,折射角与入射角满足斯涅尔定律。全反射当光线从光密介质进入光疏介质时,若入射角大于临界角,会发生全反射现象。光的干涉与衍射光的干涉光的干涉是波动性质的体现。当两束光线相遇时,会相互作用产生明暗条纹。这是由于光波的相干叠加导致的。光的衍射光的衍射是波动性质的另一个重要表现。当光遇到障碍物或小孔时,会发生弯折现象,这就是光的衍射。衍射效应使光波能够绕过障碍物传播。光的偏振光的波动性光是一种横波,具有电场和磁场的变化,振动方向与传播方向垂直。偏振的产生自然光是非偏振的,通过特殊的光学设备,如偏振片,可以得到偏振光。偏振光的性质偏振光只能沿某一特定方向振动,呈现不同的偏振状态,如直线偏振、圆偏振和椭圆偏振。偏振光的应用偏振光广泛应用于光学、显示技术、光通信、3D技术等领域,为科技发展带来新机遇。光的色散与色散色差光的色散不同波长的光在传播过程中,在同一介质中会表现出不同的折射率,导致光被分散为不同颜色的光谱。色散色差由于色散效应,透镜在焦点处无法将不同颜色的光线聚焦到同一点,产生色差现象。光学应用科学仪器如望远镜、相机等利用色散效应分析光源特性,也可通过特殊镜头设计来补偿色差。光学仪器与应用显微镜