普通物理串讲提纲市公开课一等奖百校联赛特等奖课件.pptx

普通物理串讲提要普通物理串讲提要_ _注册电气工程师执业资格考试辅导注册电气工程师执业资格考试辅导山东大学王蕴珊山东大学王蕴珊 Shandong University1第1页二物理学内容提要二物理学内容提要2 21 1热学热学 气体状态参量；平衡态；理想气体状态方程；理想气体压强和温度统计解释；自由度；能量按自由度均分原理；理想气体内能；平均碰撞频率和平均自由程；麦克斯韦速率分布律；方均根速率；平均速率；最概然速率；功；热量；内能；热力学第一定律及其对理想气体等值过程应用；绝热过程；气体摩尔热容量；循环过程；卡诺循环；热机效率；净功；致冷系数；热力学第二定律及其统计意义；可逆过程和不可逆过程。2 22 2波动学波动学 机械波产生和传输；一维简谐波表示式；描述波特征量；阵面，波前，波线；波能量、能流、能流密度；波衍射；波干涉；驻波：自由端反射与固定端反射；声波；声强级；多普勒效应。2 23 3光学光学 相干光取得；杨氏双缝干涉；光程和光程差；薄膜干涉；光疏介质；光密介质；迈克尔逊干涉仪；惠更斯一菲涅尔原理；单缝衍射；光学仪器分辨本事；衍射光栅与光谱分析；x射线衍射；喇格公式；自然光和偏振光；布儒斯特定律；马吕斯定律；双折射现象。Shandong University2第2页内容提要内容提要2.12.1热学部分热学部分气体状态参量；平衡态；理想气体状态方程；理想气体压强和气体状态参量；平衡态；理想气体状态方程；理想气体压强和温度统计解释；自由度；能量按自由度均分原理；理想气体内温度统计解释；自由度；能量按自由度均分原理；理想气体内能；平均碰撞频率和平均自由程；麦克斯韦速率分布律；方均能；平均碰撞频率和平均自由程；麦克斯韦速率分布律；方均根速率；平均速率；最概然速率；根速率；平均速率；最概然速率；功；热量；内能；热力学第一定律及其对理想气体等值过程应功；热量；内能；热力学第一定律及其对理想气体等值过程应用；绝热过程；气体摩尔热容量；循环过程；卡诺循环；热机用；绝热过程；气体摩尔热容量；循环过程；卡诺循环；热机效率；净功；致冷系数；效率；净功；致冷系数；热力学第二定律及其统计意义；可逆过程和不可逆过程。热力学第二定律及其统计意义；可逆过程和不可逆过程。Shandong University3第3页2.1热学部分热学部分2.1.1平衡态、气体状态参量平衡态、气体状态参量 基本概念基本概念-热力学系统：由大量分子、原子组成物体系统。热力学系统：由大量分子、原子组成物体系统。平衡态平衡态(equilibrium state):在无外界影响下，系统全部可观察在无外界影响下，系统全部可观察 宏观性质不随时间改变。宏观性质不随时间改变。过程：当系统和外界有能量交换时，系统从一个状态改变到另过程：当系统和外界有能量交换时，系统从一个状态改变到另一个状态过程。一个状态过程。平衡过程：若过程所经历中间状态无限制靠近平衡状态，则此平衡过程：若过程所经历中间状态无限制靠近平衡状态，则此过程称为平衡过程。过程称为平衡过程。状态参量状态参量：描述系统状态宏观物理量：描述系统状态宏观物理量体积体积V：气体分子可到达空间，密闭容器中，气体分子可到达空间，密闭容器中，体积体积指指容器容积。容器容积。单位单位-立方米立方米。Shandong University4第4页压强压强P：气体作用在容器器壁单位面积正压力，是大量分子碰撞器壁宏观表现。气体作用在容器器壁单位面积正压力，是大量分子碰撞器壁宏观表现。单位单位-帕斯卡帕斯卡（Pa),温度温度 T:微观上微观上温度是气体内部分子热运动强弱程度标志，温度是气体内部分子热运动强弱程度标志，宏观上温度是物体冷热程度量度。宏观上温度是物体冷热程度量度。单位单位-开尔文（开尔文（K）.Shandong University5第5页2.1.2 理想气体状态方程理想气体状态方程理想气体遵照玻意尔定律、查理定律、盖理想气体遵照玻意尔定律、查理定律、盖吕萨克试验定律吕萨克试验定律当系统处于平衡态时，三个状态参量存在一定函数关系：当系统处于平衡态时，三个状态参量存在一定函数关系：MM质量质量,-摩尔质量摩尔质量,R-,R-普适气体常量普适气体常量,普适气体常量普适气体常量n-分子数密度分子数密度 Shandong University6第6页2.1.3 理想气体压强、温度统计解释理想气体压强、温度统计解释2.1.3.1理想气体微观图景理想气体微观图景 -分子处于永不停息热运动中分子处于永不停息热运动中2.1.3.2理想气体分子模型理想气体分子模型理想气体分子模型理想气体分子模型可视为大小能够忽略可视为大小能够忽略,含有一定质量弹性小球含有一定质量弹性小球,能够视为能够视为质点质点,小球与容器器壁碰撞可视为完全弹性碰撞小球与容器器壁碰撞可视为完全弹性碰撞.2.1.3.3压强统计解释压强统计解释气体对器壁压强应该是大量分子对容器不停碰撞统计平均结果。气体对器壁压强应该是大量分子对容器不停碰撞统计平均结果。n=N/VN-分子总数分子总数2.1.3.4 温度统计解释温度统计解释理想气体状态方程理想气体状态方程 Shandong University7第7页可得可得:温度是气体分子平均平动动能大小量度温度是气体分子平均平动动能大小量度温度是气体内部分子热运动强弱程度标志，温度越高，分子热运动越猛烈。温度是气体内部分子热运动强弱程度标志，温度越高，分子热运动越猛烈。温度是大量分子热运动集体表现，含有统计意义。温度是大量分子热运动集体表现，含有统计意义。2.1.4 能量按自由度均分原理能量按自由度均分原理2.1.4.1气体分子自由度气体分子自由度 确定一个物体空间位置确定一个物体空间位置 所需要独立坐标数目称为物体自由度所需要独立坐标数目称为物体自由度.单原子分子只有平动单原子分子只有平动自由度自由度i=3;刚性双刚性双原子分子有平动原子分子有平动3,转动转动2,自由度自由度i=5;刚性三刚性三原子分子有平动原子分子有平动3,转动转动3,自由度自由度i=6。2.1.4.2能量按自由度均分原理能量按自由度均分原理平衡态下，不论何种运动，对应于每一个可能自由度平均动能平衡态下，不论何种运动，对应于每一个可能自由度平均动能都是都是-能量按自由度均分原理能量按自由度均分原理 Shandong University8第8页假如气体分子有假如气体分子有i个自由度，则分子平均动能为个自由度，则分子平均动能为2.1.5 理想气体内能理想气体内能理想气体内能理想气体内能=全部分子热运动动能之总和。全部分子热运动动能之总和。(因为理想气体分子间作用力能够忽略因为理想气体分子间作用力能够忽略,故分子间无势能故分子间无势能)1mol理想气体内能为理想气体内能为一定质量理想气体内能为一定质量理想气体内能为2.1.6 麦克斯韦速率分布律麦克斯韦速率分布律 2.1.6.1麦克斯韦速率分布函数麦克斯韦速率分布函数内能仅与温度相关，与压强和体积无关，是温度单值函数。内能仅与温度相关，与压强和体积无关，是温度单值函数。平衡态下气体系统中以平衡态下气体系统中以分子速率分子速率为随机变量气体分子速度分布函数。为随机变量气体分子速度分布函数。气体分子速率分布曲线气体分子速率分布曲线单位速率区间内分子数占总单位速率区间内分子数占总分子数百分比分子数百分比表示速率在表示速率在v v区间内区间内分子数占总分子数百分分子数占总分子数百分比比9第9页麦克斯韦速率分布函数麦克斯韦速率分布函数2.1.6.2 麦克斯韦速率分布曲线麦克斯韦速率分布曲线(3)对于相同速率区间而言，速率在包含对于相同速率区间而言，速率在包含vp那个区间内分子数占总分那个区间内分子数占总分子数百分比最大。子数百分比最大。称为归一化条件称为归一化条件vp符合极值条件符合极值条件10第10页(4)温度越高，分布曲线中最概然速率温度越高，分布曲线中最概然速率vp增大，但归一增大，但归一化条件要求曲线下总面积不变，所以分布曲线宽度增化条件要求曲线下总面积不变，所以分布曲线宽度增大，高度降低。大，高度降低。f(v)f(vp3)vvpf(vp1)f(vp2)T1T3T2 Shandong University11第11页2.1.6.3由麦克斯韦速率分布函数求由麦克斯韦速率分布函数求分子速率统计值分子速率统计值与分布函数与分布函数F(v)极大值相对应速率极大值相对应速率极值条件极值条件22、平均速率、平均速率、平均速率、平均速率大量分子速率统计平均值大量分子速率统计平均值1、最概然最概然(可几可几)速率速率对于连续分布对于连续分布12第12页3、方均根速率、方均根速率大量分子速率平方平均值平方根大量分子速率平方平均值平方根2.1.7 平均平均碰撞频率和平均碰撞频率和平均自由程自由程平均平均自由程自由程 :气体分子在连续两次碰撞之间自由经过旅程平均值。气体分子在连续两次碰撞之间自由经过旅程平均值。平均平均碰撞频率碰撞频率 :一秒钟内与其它分子发生碰撞平均次数。一秒钟内与其它分子发生碰撞平均次数。d-分子有效直径为分子有效直径为d13第13页设氢气温度为设氢气温度为3000C,求速率在求速率在3000-3010m/s之间分子数之间分子数N1与与速率在速率在1500-1510m/s之间分子数之间分子数N2之比。之比。解：温度为解：温度为3000C对应对应 T=300+273=573K，v1=3000 m/s,v1=10 m/s,v2=1500 m/s,v2=10 m/s,据据麦克斯韦速率分布律，麦克斯韦速率分布律，N1=N f(v1)v1,N2=N f(v2)v2;N1与与N2之比之比:96.9%Shandong University14第14页速率速率介于介于v1v2之间气体分子平均速率计算之间气体分子平均速率计算对于对于v某个函数某个函数g(v)，普通地，普通地，其平均值能够表示为其平均值能够表示为 Shandong University15第15页公共基础考试部分试题公共基础考试部分试题-无答案无答案16第16页2.2热力学热力学2.2.1 内能内能.功和热量功和热量（1）内能：热力学系统在一定状态下含有能量。）内能：热力学系统在一定状态下含有能量。一定质量理想气体内能为一定质量理想气体内能为温度改变，内能改变量为温度改变，内能改变量为（2）功）功在热力学系统中，作功定义：在热力学系统中，作功定义：注意注意:上述上述作功定义式只适合用于准静态过程作功定义式只适合用于准静态过程,准静态过程准静态过程-过程中任意状态均可视为平衡态过程中任意状态均可视为平衡态.作功是个过程量作功是个过程量,过程不一样过程不一样,作功不一样作功不一样.（3）热量）热量:当热力学系统与外界接触时当热力学系统与外界接触时,经过经过分子间作用力传递热量分子间作用力传递热量.Shandong University17第17页2.2.2 热力学第一定律热力学第一定律当热力学系统与外界接触时当热力学系统与外界接触时,外界对系统传热外界对系统传热Q,系统内能从系统内能从E1 E2,同时系统同时系统对外界对外界作功作功A,则则-热力学第一定律表示式热力学第一定律表示式说明说明:系统吸热系统吸热Q(Q0),一部分用来增加系统内能一部分用来增加系统内能,一部分对外界一部分对外界作功作功A.2.2.3 热力学第一定律在理想气体等值过程和绝热过程应用热力学第一定律在理想气体等值过程和绝热过程应用若状态若状态(P1,V1,T1)变到变到状态状态(P2,V2,T2)-等容过程等容过程:dV=0,A=0.据热力学第一定律据热力学第一定律,吸热吸热Q完全用于增加系统内能完全用于增加系统内能.等压过程等压过程:dP=0,18第18页据热力学第一定律据热力学第一定律,等温过程等温过程:dT=0,E=0,据热力学第一定律据热力学第一定律,绝热过程绝热过程:dQ=0,据热力学第一定律据热力学第一定律,系统对外界系统对外界作功作功A,消耗本身消耗本身内能内能.有以下有以下绝热方程绝热方程:式中式中称为比热容。称为比热容。等容过程等容过程等压过程等压过程等温过程等温过程绝热过程绝热过程 Shandong University19第19页2.2.4气体摩尔热容气体摩尔热容（1）热容定义：）热容定义：系统每升高一度所吸收热量，称为热容量。记为系统每升高一度所吸收热量，称为热容量。记为摩尔热容摩尔热容-1mol理想气体理想气体热容量称为摩尔热容量。热容量称为摩尔热容量。（2）定容摩尔热容）定容摩尔热容CV：1mol理想气体在理想气体在等容过程中，每升高一度所吸收热量。等容过程中，每升高一度所吸收热量。定压摩尔热容定压摩尔热容CP：1mol理想气体在理想气体在等压过程中，每升高一度所吸收热量。等压过程中，每升高一度所吸收热量。对于对于1mol理想气体，理想气体，20第20页（2）比热容）比热容2.2.5 循环过程和卡诺过程循环过程和卡诺过程2.2.5.1循环过程和效率循环过程和效率循环过程循环过程:物质系统经历一系列改变过程又回到初始状态物质系统经历一系列改变过程又回到初始状态,这么周期过程这么周期过程 称为循环过程。称为循环过程。正循环：在正循环：在P-V图上为顺时针方向循环称为正循环过程。图上为顺时针方向循环称为正循环过程。逆循环：在逆循环：在P-V图上为逆时针方向循环称为逆循环过程。图上为逆时针方向循环称为逆循环过程。正循环过程正循环过程:循环过程中循环过程中E=0,系统对外界系统对外界作功作功-A=A1-A2据热力学第一定律据热力学第一定律,A=Q1-Q2定义热机效率定义热机效率-Shandong University21第21页2.2.5.2卡诺循环过程和效率卡诺循环过程和效率卡诺循环过程卡诺循环过程:物质系统经历两个等温过程物质系统经历两个等温过程(高温高温T1,低温低温T2),两个绝热过两个绝热过程又回到初始状态程又回到初始状态,这么周期过程称为卡诺循环过程。这么周期过程称为卡诺循环过程。卡诺热机效率卡诺热机效率-卡诺循环过程是无摩擦准静态理想循环。卡诺循环过程是无摩擦准静态理想循环。2.2.6 热力学第二定律及其统计解释热力学第二定律及其统计解释热力学第二定律两种经典表述：热力学第二定律两种经典表述：开尔文开尔文表述表述不可能制成一个循环动作热机，只从一个热源吸收热量，不可能制成一个循环动作热机，只从一个热源吸收热量，使之完全变为有用功，而其它物体不发生任何改变。使之完全变为有用功，而其它物体不发生任何改变。22第22页克劳修斯克劳修斯表述表述热量不能自动地从低温热源传向高温热源。热量不能自动地从低温热源传向高温热源。开尔文开尔文表述实质是关于热功转换不可逆性；表述实质是关于热功转换不可逆性；克劳修斯克劳修斯表述实质是热传导过程不可逆性；表述实质是热传导过程不可逆性；热力学第二定律热力学第二定律实质是自然界过程方向性。实质是自然界过程方向性。热力学第二定律统计意义热力学第二定律统计意义-揭示了孤立系统中发生过程总是由包含微观状态数目少宏观态向包含微观状揭示了孤立系统中发生过程总是由包含微观状态数目少宏观态向包含微观状态数目多宏观态进行，由几率小宏观态向几率大宏观态进行。态数目多宏观态进行，由几率小宏观态向几率大宏观态进行。一切实际过程总是向无序性增大方向进行。一切实际过程总是向无序性增大方向进行。2.2.7 可逆过程和不可逆过程可逆过程和不可逆过程可逆过程可逆过程:设在某一过程设在某一过程P中中,一切物体从状态一切物体从状态A变为状态变为状态B,假如能使物体进假如能使物体进行逆向改变行逆向改变,从状态从状态B变为状态变为状态A,物体回复到状态物体回复到状态A后后,周围一切各自回复到原周围一切各自回复到原状状,则此过程称为可逆过程则此过程称为可逆过程.不可逆过程不可逆过程:,物体不能回复到状态物体不能回复到状态A,或回复到状态或回复到状态A后周围一切不能回复到原后周围一切不能回复到原状状,则此过程称为不可逆过程则此过程称为不可逆过程.不可逆过程不可逆过程实质是实质是:一个从几率小状态向几率大状态转变过程一个从几率小状态向几率大状态转变过程.一切实际过程都是不可逆一切实际过程都是不可逆.Shandong University23第23页2.2.8 熵熵设从状态设从状态A出发经某过程变为状态出发经某过程变为状态B,则则(1)若过程可逆若过程可逆,则则与过程无关与过程无关,可引入与状态无关量可引入与状态无关量S,称为熵称为熵,其定义为其定义为:SB-SA 称为熵增称为熵增.对一段微小可逆过程对一段微小可逆过程,熵增为熵增为(2)若过程不可逆若过程不可逆,则则(3)熵增原理熵增原理:若系统经历改变过程为可逆绝热过程若系统经历改变过程为可逆绝热过程,SB=SA,即可逆绝热过即可逆绝热过程为等熵过程程为等熵过程.若系统经历改变过程为不可逆绝热过程若系统经历改变过程为不可逆绝热过程,SBSA,即不可逆绝热过程为熵增即不可逆绝热过程为熵增过程过程.孤立系统内发生任何改变过程孤立系统内发生任何改变过程,永远向熵增方向进行永远向熵增方向进行,这就是这就是熵增原理熵增原理.24第24页公共基础考试部分试题公共基础考试部分试题-无答案无答案25第25页2.3波动学部分波动学部分2.3.1机械波产生与传输机械波产生与传输波动波动 振动在空间传输过程。振动在空间传输过程。产生机械波条件产生机械波条件:1.1.产生机械振动产生机械振动振源振源 (波源波源)2.传输这种机械振动传输这种机械振动弹性介弹性介质质 2.3.1.1 横波、纵波横波、纵波横波横波:振动方向振动方向传输方向传输方向波。波。纵波纵波:振动方向振动方向传输方向传输方向波。波。2.3.1.2 波面、波线波面、波线波面波面 振动相位相同各点连成面振动相位相同各点连成面(同相面同相面)。波前波前 波源最初振动状态传输到各点所连成面。波源最初振动状态传输到各点所连成面。波线波线 沿波传输方向射线。沿波传输方向射线。2.3.1.3描述波物理量及其相互关系描述波物理量及其相互关系 1.1.波长波长：波线上两个相邻相位差为波线上两个相邻相位差为 2 质点间距离。质点间距离。2.2.周期周期 T：波前进一个波前进一个距离所需时间。距离所需时间。频率频率 ：周期倒数。周期倒数。3.3.波速波速 u：单位时间内波动所传输距离。单位时间内波动所传输距离。26第26页横波横波波速：波速：纵波纵波波速：波速：G：切变弹性弹性模量，：切变弹性弹性模量，：媒质密度：媒质密度Y：揚氏弹性弹性模量：揚氏弹性弹性模量v固体中波源能够产生横波和纵波。固体中波源能够产生横波和纵波。v液体和气体中波源只能产生纵波。液体和气体中波源只能产生纵波。v 水面波既不是纵波，也不是横波。水面波既不是纵波，也不是横波。2.3.1.4 简谐波表示式简谐波表示式简谐波表示式简谐波表示式2.3.1.4.1平面简谐波和波动方程平面简谐波和波动方程平面简谐波和波动方程平面简谐波和波动方程波动方程波动方程 (1)设在无吸收媒质中设在无吸收媒质中,坐标原点坐标原点 O 处质点处质点振动方程振动方程：描述介质中各点振动位移随时间和平衡位置改变函数关系。描述介质中各点振动位移随时间和平衡位置改变函数关系。确定任意质点确定任意质点 P 振动相位：振动相位：t 时刻时刻 P 点比点比 O 点点相位落后相位落后P点振动方程点振动方程27第27页(2)沿沿 x 轴轴负向负向传输波动方程传输波动方程 2.3.1.4.2波动方程波动方程物理意义物理意义(1)x 一定一定,波动方程波表示波动方程波表示 x处质点处质点振动方程振动方程;(2)t 一定一定,波波动动方方程程表表示示 t 时时刻刻各各质质点点位位移移分分布布，称称 t 时时刻刻波波形形方程方程。Shandong University2在平衡位置在平衡位置P P 时，动能、势能和总机械能均最大时，动能、势能和总机械能均最大!28第28页2.3.3 波能量波能量波能量波能量2.3.3.1波动能量波动能量设波动方程设波动方程：(1)质元动能：质元动能：(2)质元势能：质元势能：质元机械能质元机械能:2.3.3.2 能量密度、能流密度能量密度、能流密度(1)能量密度能量密度 w 介质中单位体积内波能量。介质中单位体积内波能量。波在一个周期内能量密度平均值。波在一个周期内能量密度平均值。(2)平均能量密度平均能量密度 （3 3）平均能流平均能流 P 单位时间内经过垂直波速方向某截面积波平均能量。单位时间内经过垂直波速方向某截面积波平均能量。经过垂直波速方向单位面积平均能流经过垂直波速方向单位面积平均能流。（4 4）.能流密度能流密度 I(波强度波强度)29第29页2.3.4 波干涉、驻波波干涉、驻波2.3.4.1 波迭加原理波迭加原理几列波在同一介质中传输，则有没有论是否相遇，各列波仍保持原有特征(频率、波长和振动方向等)不变。在相遇区域内，任一点振动为各个波单独存在时在该点引发振动矢量和。-叠加原理叠加原理叠加原理叠加原理2.3.4.2 波干涉现象波干涉现象一些质点振动一些质点振动一直加强一直加强，一些质点振动一些质点振动一直减弱一直减弱这种这种稳定叠加图样稳定叠加图样称为干涉现象。称为干涉现象。波相干条件波相干条件:(2)相位差恒定相位差恒定；(3)振动方向相同振动方向相同。(1)频率相同频率相同；2.3.4.3 干涉条件干涉条件两相干波源振动：两相干波源振动：在在 P 点振动为点振动为同方向同频率谐振动合成同方向同频率谐振动合成：合振动振幅合振动振幅 两相干波在相遇点相位差两相干波在相遇点相位差 Shandong University30第30页3 3.相位差干涉条件相位差干涉条件 (1)干涉加强干涉加强 (2)干涉减弱干涉减弱 干涉一直加强，称干涉一直加强，称 相长干涉相长干涉。干涉一直减弱，称干涉一直减弱，称 相消干涉相消干涉。若若 A1=A2 ，则，则 A=0 ，静止不动静止不动。则则 由由 得：得：则则 Shandong University31第31页2.3.4.4 驻波驻波驻波产生驻波产生:振幅相等振幅相等振幅相等振幅相等、传输方向相反传输方向相反传输方向相反传输方向相反两列两列相干波相干波相干波相干波合成波。合成波。与与 t 无关无关 波节波节 振幅为振幅为0，一直静止点一直静止点 波腹波腹 振幅最大，振动最强点振幅最大，振动最强点 相邻两波节相邻两波节(或波腹或波腹)间距离：间距离：.驻波中各点相位关系驻波中各点相位关系 波节之间各质点作振幅不一样波节之间各质点作振幅不一样同相同相振动；振动；波节两边质点作波节两边质点作反相反相振动振动。32第32页2.3.4.5 声波、超声波、次声波声波、超声波、次声波声波、超声波、次声波声波、超声波、次声波声波声波声波声波频率在频率在频率在频率在20200H0HZ Z机械波，称为声波。机械波，称为声波。机械波，称为声波。机械波，称为声波。声波可在流体（水、空气）中、固体中传输，在流体中传输为纵波；在固体中传输声波可在流体（水、空气）中、固体中传输，在流体中传输为纵波；在固体中传输声波可在流体（水、空气）中、固体中传输，在流体中传输为纵波；在固体中传输声波可在流体（水、空气）中、固体中传输，在流体中传输为纵波；在固体中传输为纵波和横波。为纵波和横波。为纵波和横波。为纵波和横波。超声波：超声波：超声波：超声波：频率在频率在频率在频率在超声波特点超声波特点超声波特点超声波特点定向性好；定向性好；定向性好；定向性好；含有比声波大多能量；含有比声波大多能量；含有比声波大多能量；含有比声波大多能量；含有强穿透能力。含有强穿透能力。含有强穿透能力。含有强穿透能力。次声波：频率在次声波：频率在次声波：频率在次声波：频率在次声波特点次声波特点次声波特点次声波特点绕射性好；绕射性好；绕射性好；绕射性好；传输距离远。传输距离远。传输距离远。传输距离远。Shandong University33第33页2.3.5 多普勒效应多普勒效应多普勒效应多普勒效应 假如波源与观察者之间有相对运动，假如波源与观察者之间有相对运动，则观察者接收到波频率不一样于波源频率现象则观察者接收到波频率不一样于波源频率现象(多普勒频移多普勒频移)。下面仅讨论下面仅讨论波源、观察者沿同一直线运动波源、观察者沿同一直线运动波源、观察者沿同一直线运动波源、观察者沿同一直线运动情况。情况。设介质中：设介质中：u 波速。波速。v S 波源运动速度；波源运动速度；v O 观察者运动速度；观察者运动速度；波源频率；波源频率；观察者接收到波频率；观察者接收到波频率；SP 结论：结论：波源和观察者相互靠近时波源和观察者相互靠近时 ，频率变大；，频率变大；波源和观察者相互远离时波源和观察者相互远离时 ，频率变小。，频率变小。34第34页 贝尔（贝尔（B）声强级：声强级：人们要求声强人们要求声强 （即相当于频率为（即相当于频率为 1000 Hz 声波能引发听觉最弱声强）为测定声强标准声波能引发听觉最弱声强）为测定声强标准.如某声波声强为如某声波声强为 I，则比值则比值 对数，叫做对应于对数，叫做对应于 I 声强级声强级 LI.声强：声强：声波能流密度声波能流密度.能够引发人们听觉声强范围：能够引发人们听觉声强范围：分贝（分贝（dB）2212W/m1W/m10-Shandong University35第35页公共基础考试部分试题公共基础考试部分试题-无答案无答案36第36页2.4 光学部分光学部分2.4.1概述概述 可见光频率范围：可见光频率范围：7.51014 3.91014 Hz 真空中波长范围：真空中波长范围：400 760 nm 对应光色：对应光色：紫紫、蓝蓝、绿绿、黄黄黄黄、橙橙、红红 单色光：单色光：含有单一频率光含有单一频率光 复色光：复色光：含有各种频率光含有各种频率光 光波是电磁波光波是电磁波 E 称为称为光矢量光矢量，E矢量振动称为矢量振动称为光振动光振动。光波中与物质相互作用光波中与物质相互作用(感光作用、生理作用感光作用、生理作用)是是 E 矢量矢量。平面简谐电磁波平面简谐电磁波：光强：光波平均能流密度，用光强：光波平均能流密度，用 I 表示。表示。波动光学中主要讨论是相对光强，所以在同一介质中波动光学中主要讨论是相对光强，所以在同一介质中直接把光强定义为：直接把光强定义为：EHS37第37页2.4.1.1 相干光取得相干光取得1).1).光光相干条件相干条件（1）频率相同频率相同；（2）振动方向相同振动方向相同；（3）相位差恒定相位差恒定2)光源发光特点：光源发光特点：自发辐射自发辐射独立独立(同一原子先后发光同一原子先后发光)发光随机性发光随机性 发光间歇性发光间歇性 热热光光源源 结论：结论：两个独立光源不可能成为一对相干光源。两个独立光源不可能成为一对相干光源。原因：原子发光是随机、间歇性，两列光波振动原因：原子发光是随机、间歇性，两列光波振动 方向不可能一致，相位差不可能恒定。方向不可能一致，相位差不可能恒定。独立独立(不一样原子发光不一样原子发光)3)相干光取得相干光取得将光源上一个发光点光分成两束，各经历不一样路径再见合迭加，可满足相干条件将光源上一个发光点光分成两束，各经历不一样路径再见合迭加，可满足相干条件产生干涉。产生干涉。相干光取得方法相干光取得方法:1.1.分波阵面方法分波阵面方法 2.2.分振幅方法分振幅方法3.3.激光激光 Shandong University38第38页2.4.1.2 光程和光程差光程和光程差光程和光程差光程和光程差 光在某一介质中所传输几何旅程光在某一介质中所传输几何旅程 r 和该介质折射率和该介质折射率 n 乘积乘积 n r光程光程=光程差光程差 相位差相位差 两个同相相干光源发出相干光干涉条纹明暗条件两个同相相干光源发出相干光干涉条纹明暗条件明纹明纹 暗纹暗纹由光程差确定：由光程差确定：Shandong University39第39页2.4.1.3杨氏双缝干涉杨氏双缝干涉 S1 S2 daPr2r1D明纹中心位置：明纹中心位置：暗纹中心位置：暗纹中心位置：光程差光程差 Shandong University40第40页(1)明、暗相间条纹对称分布于中央明纹两侧；明、暗相间条纹对称分布于中央明纹两侧；干涉条纹特点干涉条纹特点(2)相邻明相邻明(或暗或暗)条纹等间距，与干涉级条纹等间距，与干涉级 k 无关。无关。若用白光照射双缝，屏上中心明纹仍为白色，两侧对称分布各级若用白光照射双缝，屏上中心明纹仍为白色，两侧对称分布各级紫内红外紫内红外彩色彩色条纹条纹。更高级次彩色条纹可能会发生重合。更高级次彩色条纹可能会发生重合 。123402233 3110中央明纹中央明纹 Shandong University41第41页2.4.1.4 薄膜干涉薄膜干涉(1)半波损失半波损失:光从光疏介质射向光密介质界面时，在掠射或正射两种情况下，在光从光疏介质射向光密介质界面时，在掠射或正射两种情况下，在反射时产生反射时产生“半波损失半波损失(位相突变位相突变,相当于相当于/2附加附加光程差光程差)”。（2）平行平面薄膜干涉：）平行平面薄膜干涉：光程差光程差垂直照射时垂直照射时加强加强相减相减（3）劈尖干涉）劈尖干涉 夹角夹角 很小两个平面所组成薄膜很小两个平面所组成薄膜劈尖：劈尖：光程差：光程差：垂直入射垂直入射 i=0，暗纹暗纹 明纹明纹 42第42页1、2 两束反射光来自同一束两束反射光来自同一束入射光，它们能够产生干涉。入射光，它们能够产生干涉。n e 反射光反射光2反射光反射光1单色平行光单色平行光d空气劈尖空气劈尖 D)明暗条纹明暗条纹 ）相邻条纹对应空气膜厚之差）相邻条纹对应空气膜厚之差 ）相邻条纹间距相邻条纹间距 暗纹暗纹明纹明纹43第43页2.4.1.5 迈克耳逊干涉仪迈克耳逊干涉仪迈克耳逊干涉仪迈克耳逊干涉仪光束光束 2和和 1 发生干涉发生干涉M122 11 S 半透半反膜半透半反膜M2M1G1G2*Shandong University44第44页一、等倾干涉圆条纹一、等倾干涉圆条纹 等倾圆条纹等倾圆条纹 M1 平移平移 d 时，干涉条移过时，干涉条移过 N 条，则条，则 等厚直条纹等厚直条纹 M1 、M2有小夹角有小夹角 若若 M1不严格垂直不严格垂直 M2，则，则 若若 M1垂直垂直 M2，则，则 M1，M2 平行平行 二、等厚干涉直条纹二、等厚干涉直条纹 eM2M1 Shandong University45第45页2.4.2 光衍射光衍射光衍射光衍射2.4.2.1惠更斯惠更斯 菲涅耳原理菲涅耳原理 缝较大时光缝较大时光直线传输直线传输 阴阴影影屏屏 幕幕 缝很小时缝很小时衍射现象衍射现象显著显著 屏屏 幕幕 从同一波阵面上各点所发出子波从同一波阵面上各点所发出子波经传输而在空间某点相遇时，也可经传输而在空间某点相遇时，也可相互叠加产生干涉现象。相互叠加产生干涉现象。惠更斯惠更斯 菲涅耳原理：菲涅耳原理：46第46页2.4.2.2 单缝夫琅和费衍射单缝夫琅和费衍射单缝夫琅和费衍射单缝夫琅和费衍射 一、菲涅耳半波带法一、菲涅耳半波带法 衍射角衍射角 AB 间各子波抵达间各子波抵达P 点点会聚时会聚时最大光程差最大光程差：aO 单缝宽单缝宽47第47页a Sin 2222单缝面单缝面 AB 被分为：被分为：AA1、A1A2、A2A3 用用 分割最大光程差分割最大光程差 AC，称称“菲涅耳半波带菲涅耳半波带”注意：注意：并非每个半波带宽度是并非每个半波带宽度是 ！Shandong University48第48页 结论：结论：3 3.单缝衍射明暗纹公式单缝衍射明暗纹公式 单缝面分成单缝面分成奇数个半波带奇数个半波带时屏上会聚处为时屏上会聚处为明纹明纹，单缝面分成单缝面分成偶数个半波带偶数个半波带时屏上会聚处为时屏上会聚处为暗纹暗纹。暗纹中心暗纹中心 中央明纹中心中央明纹中心 明纹中心明纹中心 Shandong University49第49页2.4.2.3 光学仪器分辨率光学仪器分辨率光学仪器分辨率光学仪器分辨率式中式中 为圆孔直径。为圆孔直径。一、圆孔夫琅和费衍射一、圆孔夫琅和费衍射 1.1.试验装置试验装置 2.2.爱里斑爱里斑 第一级暗环包围中央亮斑第一级暗环包围中央亮斑 第一级暗环第一级暗环对应衍射角对应衍射角 称为爱里斑半角宽。称为爱里斑半角宽。理论计算得：理论计算得：接收屏接收屏 障碍物障碍物 光源光源(14-1)50第50页 点光源经过光学仪器小圆孔透镜后，因为衍射点光源经过光学仪器小圆孔透镜后，因为衍射影响，所成象是明暗相间圆形光斑。影响，所成象是明暗相间圆形光斑。爱里斑爱里斑 二、光学仪器分辨率二、光学仪器分辨率 Shandong University51第51页一个物点衍射图象爱里斑中心刚好与另一个一个物点衍射图象爱里斑中心刚好与另一个物点衍射图象爱里斑边缘相重合，这两个物物点衍射图象爱里斑边缘相重合，这两个物象恰好能为这一光学仪器所分辨。象恰好能为这一光学仪器所分辨。1.1.瑞利判据：瑞利判据：能能 分分 辨辨不不 能能 分分 辨辨恰恰 能能 分分 辨辨 Shandong University52第52页最小分辨角为最小分辨角为：2 2.最小分辨角最小分辨角第一级暗环衍射角为第一级暗环衍射角为 入射光波长，入射光波长，D 透镜直径。透镜直径。恰能分辨两物象时两物点对透镜光心张角恰能分辨两物象时两物点对透镜光心张角 其中：其中：爱里斑爱里斑 Shandong University53第53页3.3.光学仪器分辨率光学仪器分辨率 e (1)入射光波长入射光波长 一定，一定，例：例：天文望远镜天文望远镜 （2）透镜直径透镜直径 D 一定，一定，例：例：电子显微镜电子显微镜 (14-11)最小分辨角倒数最小分辨角倒数 =D D 光学仪器透光孔径；光学仪器透光孔径；入射光波长。入射光波长。其中：其中：Shandong University54第54页2.4.2.4 X X 射线衍射射线衍射射线衍射射线衍射 1895年，年，伦琴伦琴发觉了发觉了 X 射线射线。一、一、X X 射线发觉射线发觉 1.1.试验装置试验装置 阳极阳极阳极阳极阴极阴极阴极阴极 X X X X 射线管射线管射线管射线管 10 4 105 V+X X 射线射线 2 2.X 射线性质射线性质 （1）是波长很短电磁波，穿透力极强；）是波长很短电磁波，穿透力极强；X 射线波长范围：射线波长范围：（2）不受电磁场影响；）不受电磁场影响；（3）能使固体发光等。）能使固体发光等。伦琴因为发觉 X 射线荣获19首届诺贝尔物理学奖。55第55页布喇格父子对布喇格父子对 X 射线衍射射线衍射研究：研究：光程差光程差：布喇格公式布喇格公式 d 晶格常数晶格常数(晶面间距晶面间距)掠射角掠射角 （干涉加强条件）（干涉加强条件）布喇格公式布喇格公式A.CBd布喇格父子共同荣获了19诺贝尔物理学奖。Shandong University56第56页2.4.3 光偏振光偏振2.4.3.1自然光和线偏振光自然光和线偏振光一、自然光及其特点一、自然光及其特点没有优势方向没有优势方向自然光分解自然光分解 1.1.光矢量含有围绕传输方向对称性，在垂直光传输光矢量含有围绕传输方向对称性，在垂直光传输方向平面内，光振动方向平面内，光振动2.2.没有优势方向没有优势方向；2.2.各方向光矢量振幅相等；各方向光矢量振幅相等；3.3.可用一对可用一对独立独立、相互垂直相互垂直、振幅相等振幅相等光矢量表示。光矢量表示。自然光表示方法自然光表示方法：“”“”表示光振动表示光振动纸面；纸面；“”“”表示光振动表示光振动纸面。纸面。57第57页二、线偏振光二、线偏振光线偏振光可沿两个相互垂直方向分解：线偏振光可沿两个相互垂直方向分解：只含某一个固定振动方向光。只含某一个固定振动方向光。线偏振光表示方法：线偏振光表示方法：简称：简称：偏振光偏振光亦称：亦称：完全偏振光，平面偏振光完全偏振光，平面偏振光E