大学物理光学期末总结.ppt

一一. .机械运动描述机械运动描述 动量和动量守恒动量和动量守恒 一一.模型模型1.质点质点:把物体当做具有质量把物体当做具有质量 的点的点----抽象性抽象性,相对性相对性,普遍性普遍性.2.刚体刚体:任意两个质点间的距离保持不变的质点组任意两个质点间的距离保持不变的质点组.二二.物理量物理量(一一).描述机械运动的物理量描述机械运动的物理量1.位矢位矢:描写运动质点在任意时刻空间位置的矢量描写运动质点在任意时刻空间位置的矢量.直角坐标系直角坐标系:自然坐标系自然坐标系:期末总结期末总结12.位移位移:描写质点在一段时间内位置移动情况的矢量描写质点在一段时间内位置移动情况的矢量.直角坐标系直角坐标系:自然坐标系自然坐标系:3.速度速度:描写运动快慢程度和方向的物理量描写运动快慢程度和方向的物理量.{直角坐标系直角坐标系:自然坐标系自然坐标系:4.加速度加速度：描写速度的大小和方向变化的物理量．：描写速度的大小和方向变化的物理量．2直角坐标系直角坐标系:自然坐标系自然坐标系:（（二二.）量度机械运动的物理量）量度机械运动的物理量动量动量:质点的质量质点的质量m与其速度与其速度v的乘积称为动量的乘积称为动量.3三三.定律定律 定理定理1.牛顿三定律牛顿三定律(1).惯性定律惯性定律:不受任何相互作用的不受任何相互作用的“自由粒子自由粒子”永远保持永远保持 静止或匀速直线运动状态不变静止或匀速直线运动状态不变.(2).物体的动量对时间的变化率与所加的外力成正比物体的动量对时间的变化率与所加的外力成正比,并并 且发生在所加外力的方向上且发生在所加外力的方向上.(3).两物体相互作用时两物体相互作用时,作用力与反作用力大小相等作用力与反作用力大小相等,方向方向 相反相反,作用在同一条直线上作用在同一条直线上.2.动量守恒定律动量守恒定律:当当 F合合=0时时:如果系统所受合外力为零如果系统所受合外力为零,系统的总动量守恒系统的总动量守恒 .43.动量定理动量定理:质点系所受外力的矢量和在质点系所受外力的矢量和在t1到到t2时间内时间内 的冲的冲 量等于质点系的总动量在同一时间内的增量量等于质点系的总动量在同一时间内的增量.四四.习题类型习题类型(1).利用已知求位移利用已知求位移,速度速度,加速度等描述运动状态的物理量加速度等描述运动状态的物理量.(2).利用牛顿三定律来解决问题利用牛顿三定律来解决问题.(3).利用动量守恒定律利用动量守恒定律,动量定理求解问题动量定理求解问题.5二二.角动量和角动量守恒角动量和角动量守恒能量和能量守恒能量和能量守恒一一.概念概念1.角动量角动量(动量矩动量矩)(1).质点角动量质点角动量:(2).定轴转动刚体角动量定轴转动刚体角动量:其中其中:或:2.动能动能(1).质点动能质点动能:(2).质点系动能质点系动能:(3).定轴转动刚体动定轴转动刚体动能能:63.功功功率功率:P=M4.势能势能:任意点任意点A的势能大小为从的势能大小为从A点沿任意路径到势能零点点沿任意路径到势能零点 Q过程中过程中保守力保守力 f 所作的功所作的功.保守力保守力:7二二.定理定理1.角动量定理角动量定理(1).质点的角动量定理质点的角动量定理:质点所受的力矩的角冲量等于质点质点所受的力矩的角冲量等于质点 的角动量的增量的角动量的增量.(2).质点系角动量定理质点系角动量定理:质点系所受的合外力矩的角冲量等质点系所受的合外力矩的角冲量等 于质点系的角动量的增量于质点系的角动量的增量.(3).定轴转动刚体角动量定理定轴转动刚体角动量定理:对转动刚体的轴的合外力矩对转动刚体的轴的合外力矩 在时间上积累等于该刚体对同一轴的角动量的增量在时间上积累等于该刚体对同一轴的角动量的增量.82.动能定理动能定理(1).质点的动能定理质点的动能定理:合力对质点所做的功等于动能的增量合力对质点所做的功等于动能的增量.(2).质点系的动能定理质点系的动能定理:质点系所受外力和内力做功的代数质点系所受外力和内力做功的代数 和等于系统动能的增量和等于系统动能的增量.(3).刚体定轴转动的动能定理刚体定轴转动的动能定理:转轴合外力矩对刚体作的转轴合外力矩对刚体作的 功等于刚体转动动能的增量功等于刚体转动动能的增量.9三三.守恒定律守恒定律1.角动量守恒定律角动量守恒定律:当质点系所受外力对某参考点的力矩当质点系所受外力对某参考点的力矩 的矢量和为零时的矢量和为零时,质点系对参考点的总角动量保持不变质点系对参考点的总角动量保持不变.2.机械能守恒定律机械能守恒定律:只有保守力做功时只有保守力做功时,系统的机械能保持系统的机械能保持 不变不变.E=恒量恒量10三三. . 相对论相对论一一 . 洛伦兹变换洛伦兹变换1）满足）满足相对性原理相对性原理和和光速不变原理光速不变原理2）当质点速率远小于真空光速）当质点速率远小于真空光速 c 时，该变时，该变 换应能使伽利略变换重新成立。

换应能使伽利略变换重新成立1.满足条件：满足条件：2.坐标变换坐标变换:11二、狭义相对论的时空观二、狭义相对论的时空观1 . 同时性的相对性同时性的相对性2 . 长度收缩长度收缩 （运动的尺收缩）（运动的尺收缩）3 . 时间延缓时间延缓 (运动的时钟变慢运动的时钟变慢)12三、动量三、动量 能量能量 质能关系质能关系1. 动量：动量：3. 能量：能量： 静能静能:总能：总能：4. 能量和动量的关系能量和动量的关系2. 动能：动能：13四四.统计物理学基础统计物理学基础一一. .统计方法的基本概念统计方法的基本概念1.统计规律：统计规律：特点：特点： (1).大量事件的表现大量事件的表现2).与单个粒子所遵循的规律有本质区别与单个粒子所遵循的规律有本质区别3).涨落现象涨落现象4).与宏观状态有关与宏观状态有关2.宏观量与微观量的联系：宏观量与微观量的联系：二二. .麦克斯韦分子速率分布麦克斯韦分子速率分布14vv2vp v~v+dv f (vp)o f (v)v11.麦克斯韦速率分布的物理意义：麦克斯韦速率分布的物理意义：2.三种速率：三种速率：vpvo f (v)(1).最概然速率：最概然速率：(2).平均速率：平均速率：(3).方均根速率：方均根速率：15三三. .能量均分定理能量均分定理1.内容：在温度内容：在温度 T 的平衡态下，粒子的每一个可能的自由度的平衡态下，粒子的每一个可能的自由度 都有相同的平均动能都有相同的平均动能 kT/2。

2.内能：内能：四四. .分子碰撞的统计规律分子碰撞的统计规律1.平均碰撞频率：平均碰撞频率：2.平均自由程：平均自由程：16五五.热力学基础热力学基础一一. .热力学基本概念热力学基本概念1.热力学系统：热力学系统：3.过程量：过程量：热量：热量：内能：内能：2.准静态过程：准静态过程：4.状态量：状态量：功：功：175.热容量：热容量：定压摩尔热容量：定压摩尔热容量：定容摩尔热容量：定容摩尔热容量：对于理想气体：对于理想气体：二二. .热力学定律热力学定律1.热力学第一定律：热力学第一定律：18*3.热力学第二定律热力学第二定律开尔文表述：开尔文表述：克劳修斯表述：克劳修斯表述：三三. .热机效率热机效率 致冷系数致冷系数1.循环过程：循环过程：2.热机效率：热机效率：3.致冷系数：致冷系数：卡诺定理：卡诺定理：(1).工作在两个恒温热源之间卡诺热机的效率最高工作在两个恒温热源之间卡诺热机的效率最高2).工作在两个恒温热工作在两个恒温热 源之间的所有卡诺热机的效率相等，源之间的所有卡诺热机的效率相等， 只与温度有关，与工作物质无关只与温度有关，与工作物质无关19四四. .等值过程等值过程特点特点状态方程状态方程系统吸热系统吸热外界做功外界做功 内能改变内能改变等等温温dT=0pV=C0等等容容dV=00等等压压dP=0绝绝热热020一一.　　简谐振动的条件简谐振动的条件1.动力学条件动力学条件:物体受到的合外力与它对平衡位置的位移物体受到的合外力与它对平衡位置的位移 成正比且反向，成正比且反向， 即即: 2.运动学条件运动学条件:系统相对位置平衡的位移是时间的余弦系统相对位置平衡的位移是时间的余弦 或正弦函数，或正弦函数， 即即:六六.机械振动机械振动有有:213.从功能角度来看从功能角度来看,物体在简谐振动过程中只有弹性力作功物体在简谐振动过程中只有弹性力作功,故故系统的机诫能守恒系统的机诫能守恒.如选平衡位置处势能为零如选平衡位置处势能为零,选最大位移处动选最大位移处动能为零能为零,则则 二二.　简谐振动的运动方程　简谐振动的运动方程22 x表示谐振子的坐标表示谐振子的坐标, ,由于坐标原点选在弹簧原长由于坐标原点选在弹簧原长,故用故用x表示表示 谐振子的位移谐振子的位移三三. . 简谐振动运动方程中各项的物理意义简谐振动运动方程中各项的物理意义1.2. A表示谐振子离开平衡位置的最大位移表示谐振子离开平衡位置的最大位移,叫振幅叫振幅,4. ω叫叫谐振子的圆频率谐振子的圆频率mk=2w 5 .  叫振动的频率叫振动的频率,它表示在一秒钟内做完整振动的次数它表示在一秒钟内做完整振动的次数. . 6. T叫振动的周期叫振动的周期,它表示振子做一次完整振动所需要的时间它表示振子做一次完整振动所需要的时间. .f03.初位相初位相237.  , ,T的关系的关系四四. 谐振子的速度谐振子的速度,加速度加速度结论结论 V 超前超前x  /2 a 与与 x 反相反相24五五. . 谐振动的能量谐振动的能量()()22222222222121cos2121sin2121kAmVEEtmAkxEtmAmVEmpkpk==++==+==fwwfww25六六.振动的合成振动的合成同方向同方向,同频率简谐振动的合成同频率简谐振动的合成:其中其中:26一一 波传播中的基本概念与基本物理量波传播中的基本概念与基本物理量1.波线波线 ,波面波面 (球面波球面波,平面波平面波), 波前波前2.2.波速波速3.波的周期波的周期,频率与波长频率与波长二二 一维简谐波的波函数一维简谐波的波函数三波函数物理的意义三波函数物理的意义1.振动方程与波函数之间的关系令振动方程与波函数之间的关系令x=x1将将x1代入波函数后代入波函数后七七. .机机 械械 波波27此处此处 ’=2 x1/ 是个定值是个定值.令令  -  ’=  1这时波函数回到了振动方程这时波函数回到了振动方程2.将将t=t1代入波函数代入波函数上式表示波线上所有质点在上式表示波线上所有质点在 t1 时刻离开各自平衡位置的位移时刻离开各自平衡位置的位移.283.正行波与逆行波正行波与逆行波当当t2 t1时时,行波的方向沿轴正方向推移行波的方向沿轴正方向推移,则称正行波则称正行波.其波函数其波函数为为波函数中波函数中u用用-u代入代入,得负行波波函数得负行波波函数4.波速波速u与振动速度与振动速度v的区别的区别u由介质性质及受力状态决定的由介质性质及受力状态决定的.29四四 波的能量波的能量(1)波的能量与振动的能量不同波的能量与振动的能量不同.波动过程中能量不守波动过程中能量不守恒恒.设某纵波的波函数为设某纵波的波函数为质元质元dx的振动动能及弹性势能均为的振动动能及弹性势能均为在任意时刻质元的动能与势能相等在任意时刻质元的动能与势能相等,质元的机械能为质元的机械能为30五五 波的干涉波的干涉,驻波驻波1.惠更斯原理惠更斯原理2.波的叠加原理波的叠加原理 ,此原理成立的条件是两种运动的独立性此原理成立的条件是两种运动的独立性.3. 产生相干波的条件产生相干波的条件:两个波源的两个波源的振动频率相同振动频率相同,振动方向相振动方向相同同,振动的初相位为零或相位差是一个恒定值振动的初相位为零或相位差是一个恒定值.4.波的干涉波的干涉S1*S2*Pr2r1S1沿沿r1及及s2沿沿r2的简谐波其波函数分别为的简谐波其波函数分别为32 s1与与s2在在P点的合振幅取决于他们的点的合振幅取决于他们的相位差相位差当当当当振动减弱振动减弱时时 k=0.1.2. 振动加强振动加强时时在在  1= 2k=0.1.2. 振动减弱振动减弱振动加强振动加强335.驻波驻波(1) 驻波的形成驻波的形成:驻波是由两列振幅相等驻波是由两列振幅相等,传播方向相反的相干传播方向相反的相干波叠加而成的波叠加而成的.(2)驻波的波函数表达式驻波的波函数表达式(3)驻波的波函数表达式的物理意义驻波的波函数表达式的物理意义(4) 驻波的特点驻波的特点 两波腹或两波节之间的距离恒为两波腹或两波节之间的距离恒为 /2,相邻两波节之间的所相邻两波节之间的所有点具有相同的相位有点具有相同的相位.波节两侧各波节两侧各 /2之间的所有点具有相反之间的所有点具有相反的相位的相位.(5) 半波损失半波损失 当波从波疏媒质入射到波密媒质时当波从波疏媒质入射到波密媒质时,反射波较入射波有半反射波较入射波有半波损失波损失.(即相位发生了即相位发生了 的突变的突变).342.光程光程L及光程差及光程差 (1)光程光程L的物理意义的物理意义:在相同时间内在相同时间内,将光在介质中传播的几将光在介质中传播的几何路程折算到此光波在真空中的传播路程何路程折算到此光波在真空中的传播路程. (2)光程光程差差 (3)光程差与位相差的关光程差与位相差的关系系一一.光的干涉光的干涉1.光的相干性光的相干性分波阵面法分波阵面法分振幅法分振幅法四四.波动光学波动光学353.光的干涉光的干涉(1)光产生干涉现象的条件是两束光光产生干涉现象的条件是两束光同频率同频率,同方向振动同方向振动,具有固具有固定的相位差定的相位差.(2)获得相干光的方法获得相干光的方法(分波振面法分波振面法,分振幅法分振幅法)分波振面法有杨氏双缝分波振面法有杨氏双缝,菲涅尔双面镜菲涅尔双面镜,洛埃镜洛埃镜分振幅法有薄膜干涉分振幅法有薄膜干涉(等倾干涉等倾干涉,等厚干涉等厚干涉)4.典型的干涉实例典型的干涉实例(1)杨氏双缝实验杨氏双缝实验 其特点干涉条纹是明暗相间且等宽其特点干涉条纹是明暗相间且等宽,其宽度其宽度为为注意注意,条纹间距是指两相邻明条纹间距是指两相邻明条纹或两相邻暗条纹中心位置条纹或两相邻暗条纹中心位置之间的距离之间的距离.36132n(2)等倾干涉等倾干涉 设设n2   n1(3)等厚干涉等厚干涉,为研究问题方便为研究问题方便,常用常用垂直光照射垂直光照射37(a)劈尖干涉的特点劈尖干涉的特点说明说明,明暗条纹等宽明暗条纹等宽.此处是明纹还是暗纹由劈尖性此处是明纹还是暗纹由劈尖性质决定质决定.(b)牛顿环干涉的特点牛顿环干涉的特点相邻两条纹间对应劈尖的高度相邻两条纹间对应劈尖的高度差为一恒量差为一恒量.说明条纹不均匀分布说明条纹不均匀分布,靠靠近圆心处近圆心处 r大大.38说明相邻两暗环说明相邻两暗环(或明环或明环)之之间对应的膜的厚度差为一恒间对应的膜的厚度差为一恒量量.39光的衍射现象是光具有波动性的又一特性光的衍射现象是光具有波动性的又一特性.本节主要介绍了三种衍射本节主要介绍了三种衍射,单缝衍射单缝衍射,圆孔衍射圆孔衍射,光栅衍射光栅衍射.一一.单缝夫琅合费衍射单缝夫琅合费衍射,用半波带法来讨论衍射的条纹分布位用半波带法来讨论衍射的条纹分布位置置.明纹明纹暗纹暗纹 (3)中央明纹对应于中央明纹对应于 =0,其半角宽度其半角宽度  o, tg o=x1/f x1是第是第1级暗纹的坐标级暗纹的坐标 解上面式子解上面式子,并考虑到并考虑到 二二.光的衍射光的衍射40二二. 光学仪器的分辨率光学仪器的分辨率光学仪器的分辨率光学仪器的分辨率al»D01很小时当41(1)衍射光栅方程衍射光栅方程明纹明纹(2)光栅衍射的特点光栅衍射的特点:k=0对应的是对应的是 =0称称“零级主级大零级主级大”,其他其他级主级大与级主级大与  k一一 一一 对应对应,,即即 k=1称称“第一级主级大第一级主级大”………..光栅衍射是多缝干射光栅衍射是多缝干射,同时受到单缝衍射的限制同时受到单缝衍射的限制.存存在着缺级现象在着缺级现象.光栅衍射为暗纹光栅衍射为暗纹多缝干涉为明纹多缝干涉为明纹缺级发生在缺级发生在三三 .光栅衍射光栅衍射421.要区分自然光要区分自然光,部分偏振光部分偏振光,完全偏振光完全偏振光如何获得偏振光如何获得偏振光(吸收起偏吸收起偏,反射反射,折射起偏折射起偏,布儒斯特定布儒斯特定律律)2.偏振光的检验偏振光的检验………马吕斯定理马吕斯定理马吕斯定理是关于偏振光传播过程中的马吕斯定理是关于偏振光传播过程中的一条重要定理一条重要定理三三.光的偏振光的偏振43。