应用物理学 下载 pdf 百度网盘 epub 免费 2025 电子书 mobi 在线

《应用物理学》是根据教育部《高等教育教学内容和课程体系改革计划》和教育部高等学校物理基础课程教学指导分委员会编制的《理工科类大学物理课程教学基本要求（2008版）》的基本精神，并结合国内理工、农医科物理教材改革动态和编者多年的教学实践编写而成的。《应用物理学》内容可分为两部分。第一部分（第1章～第10章）为基础内容，包括运动的描述、运动定律、振动与波、热物理学、静电场、稳恒磁场、电磁感应及电磁场、波动光学、狭义相对论和量子物理学等内容，这一部分内容自成体系，可作为各理工类专业的物理课教学内容；第二部分（第11章～第20章）为应用内容，包括流体的运动、物体的弹性、直流电路、交流电路、几何光学、光谱光度学、激光、X射线、核放射和核磁共振等内容，可作为农、林、畜牧、医类专业的物理课教学内容。

《应用物理学》可作为各理工类专业（专科）和农、林、畜牧、医类各专业的物理教材，也可作为一般读者了解基础物理理论与工程技术中的应用物理内容的参考书。

前言

第1章 运动的描述

1.1 运动的描述方法

1.2 质点运动的描述

1.3 曲线运动 圆周运动

*1.4 相对运动

*1.5 刚体运动的描述

习题

第2章 力学基本定律

2.1 牛顿运动定律

2.2 动量定理 动量守恒定律

2.3 动能定理 机械能守恒定律

*2.4 刚体的定轴转动

习题

第3章 机械振动和机械波

3.1 简谐振动

3.2 简谐振动的合成

*3.3 阻尼振动 受迫振动

3.4 机械波的描述

3.5 简谐波

3.6 波的干涉 驻波

*3.7 声波 超声波 次声波

习题

第4章 热物理学基础

4.1 理想气体状态方程 准静态过程

4.2 理想气体压强与温度

4.3 气体分子能量均分原理

4.4 热力学第一定律

4.5 热力学第一定律对理想气体的应用

4.6 循环过程和热机

*4.7 热力学第二定律

习题

第5章 静电场

5.1 电荷 库仑定律

5.2 电场 电场强度

5.3 静电场的高斯定理

5.4 静电场的环路定理 电势

5.5 静电场中的导体

5.6 电容

5.7 电介质

5.8 静电场的能量

*5.9 静电场理论应用

习题

第6章 稳恒磁场

6.1 磁场 磁感应强度

6.2 磁场的高斯定理 安培环路定理

6.3 磁场对运动电荷的作用

6.4 磁场对载流导线的作用

*6.5 磁介质

*6.6 磁场的生物效应

习题

第7章 电磁感应和电磁场

7.1 电源 电动势

7.2 电磁感应定律

7.3 动生电动势 感生电动势

7.4 磁场能量

7.5 麦克斯韦方程组

7.6 电磁波

习题

第8章 波动光学

8.1 光的干涉

8.2 光的衍射

8.3 光的偏振

习题

第9章 狭义相对论

9.1 相对论基本原理

9.2 相对论的运动学效应

9.3 相对论的动力学效应

习题

第10章 量子物理学基础

10.1 黑体辐射的量子理论

10.2 光的量子理论

10.3 物质波

10.4 薛定谔方程

习题

第11章 流体的运动

11.1 理想流体的流动

11.2 伯努利方程

11.3 黏性流体的运动

*11.4 黏性流体的运动规律

*11.5 血液的循环流动

习题

第12章 物体的弹性

12.1 线应变与正应力

12.2 切应变与切应力

12.3 体应变与体应力

*12.4 生物材料的黏弹性

习题

第13章 直流电路

13.1 电流

13.2 基尔霍夫定律

*13.3 温差电现象

*13.4 生物膜电位

*13.5 电泳

习题

第14章 交流电路

14.1 正弦交流电

14.2 正弦交流电路

14.3 交流电路的功率

习题

第15章 几何光学

15.1 几何光学的基本规律

15.2 光的反射成像

15.3 薄透镜

15.4 厚透镜

*15.5 透镜的像差

习题

第16章 光谱光度学基础

16.1 光谱学基础

16.2 辐射度学的基本概念

16.3 光度学基础

16.4 光度的测量

习题

第17章 激光

17.1 激光基本原理

17.2 激光器结构

17.3 激光的特性

17.4 激光的应用

习题

第18章 X射线

18.1 X射线的产生

18.2 X射线的衍射

18.3 X射线的应用

习题

第19章 原子核与放射性

19.1 原子核的衰变类型

19.2 原子核的衰变规律

19.3 射线与物质的作用

19.4 放射性在医学和农学中的应用

习题

第20章 核磁共振

20.1 核磁共振原理

20.2 磁共振技术的医学应用

习题

习题答案

熊红彦、康山林、赵宝群

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第1章　运动的描述

自然界的物质都处于不停的运动之中，物质有各种不同的运动形式，包括机械运动、分子热运动、电磁运动、原子和原子核运动等．其中机械运动是物质的各种运动形式中最简单、最基本的运动形式，它是指物体之间（或物体内各部分之间）相对位置的变动．例如，车辆的行驶、弹簧的振动、机器的运转、河水的流动等，都是我们日常中所观察到的机械运动．另外，地球绕太阳的运转、人造卫星绕地球的运转、火箭喷出的气体的运动等，也都是机械运动．力学是研究物体机械运动规律的学科．力学是一切工程技术的基础理论知识，如机械制造、土木建筑、水利设施、电子技术、信息技术等工程技术领域都需要用到力学知识．系统掌握力学知识可以为进一步学习相关后续课程打下基础．研究力学，通常是先研究运动的描述，即单纯地用几何观点描述物体的位置如何随时间变化而在空间的运动情况，而不涉及物体的质量和所受的力，这叫做运动学．机械运动的基本形式有平动和转动．物体在平动过程中，物体内各点都做同样的运动，物体上任一点的运动都可以用来代表整个物体的运动．所以物体的运动可用一个具有该物体质量的点的运动来代替．这种不计物体的形状和大小而具有该物体全部质量的点称为质点．本章主要介绍质点运动的描述方法．

本章主要内容为：运动的描述方法，描述运动的物理量（位置矢量、位移、速度、加速度），运动学的两类问题，圆周运动，切向加速度，法向加速度，线量与角量的关系，相对运动，刚体运动的描述等．

1.1　运动的描述方法

为了描述物体的运动，必须选择参考系，建立坐标系，提出物理模型．

1.1.1　运动的绝对性和相对性

星体运动、江河奔流、车辆行驶、机器运转等，宇宙间万物都在永恒不停地运动着．运动是物质的存在形式，是物质的固有属性．从这方面来讲，运动是绝对的．“静止”只有相对的意义．这不仅仅是指哲学意义上的运动．即使对机械运动形式而言，任何物体在任何时刻都在不停地运动着．例如，火车、汽车、动物在地球上运动，即使看起来静止不动的高山峻岭、高楼大厦，也在昼夜不停地随着地球一起自转和绕太阳公转，而太阳系绕银河系中心以大约250km／s的速率运动，银河系也在宇宙中相对于其他星系以大约600km／s的速率高速地运动．总之，自然界中绝对不运动的物体是不存在的，运动是永恒的．

但是，同一物体的运动，从不同的角度看可以得出完全不同的结论．例如，火车在辽阔的田野疾驰而过，站在地面铁道边上的人看起来，火车在高速地运动，而该火车车厢里的乘客看来，火车车厢相对于自己没有运动，而铁道边的人和树木等都在向后退．因此，运动又具有相对性．物体的运动，都是在一定的环境和特定的条件下进行的，离开一定的环境和特定的条件谈论运动是没有任何意义的．

1.1.2　参考系

运动是绝对的，但是对运动的描述是相对的．在观察一个物体的位置以及位置的变化时，必须先指明运动是相对于哪个参考物体而言的，即必须先选定一个物体作为基准．这个被选作参考、作为基准的物体就叫做参考系．所选参考系不同，对同一物体的运动的描述就不同．这就是运动描述的相对性．例如，做匀速直线运动的火车车厢中，一物体自由下落，相对于车厢，它做自由落体运动；而在地面上静止的人看来，它做抛物线运动；而从航天飞机上来看，其运动形式更复杂．

从运动学的角度来看，参考系的选择是可以任意选择的，但通常以对问题的研究方便、简单为原则．讨论地面上物体的运动时（例如研究汽车的运动），大多数情况下选地球表面（地面）为参考系最为方便．以后如果不做特别说明，研究地面上物体的运动，都是以地面为参考系．研究人造卫星的运动，以地球中心为参考系最方便；研究行星的运动，则以太阳为参考系最方便．人们常用的参考系有：太阳参考系（太阳恒星参考系）、地心参考系（地球行星参考系）、地面参考系（实验室参考系）和质心参考系等．

1.1.3　坐标系

选定参考系后，为了定量描述一个物体在各时刻相对于参考系的运动规律，还需要建立适当的坐标系，固定在被选作参考的物体上．运动物体的位置就由它在坐标系中的坐标值确定．这个坐标系既然与参考系牢固地连接成一体，则物体相对于坐标系的运动，就是相对于参考系的运动．在力学中，通常采用直角坐标系，也可根据需要选用平面极坐标系、自然坐标系、球坐标系或柱坐标系等．在同一个参考系中，坐标系可以任意选择，但仍以对问题的研究方便、数学描述简单为原则．

1.1.4　物理模型　质点

实际物体都有一定的大小、形状，而且物体运动时，可以既有平动又有转动和变形．例如火车的运动，除了整体沿铁轨平移外，还有车厢的上下左右晃动，车轮的转动等．一般，物体上各点的运动情况是不同的．任何一个真实的物体运动过程都是极其复杂的．要想对物体的实际运动情况做出全面的描述是困难的，而且也没有必要这么做．我们只能分清主次，逐个解决．在科学研究中，为了研究某一过程中最本质、最基本的规律，常根据所研究问题的性质，抓住主要因素，忽略次要因素，对真实过程进行简化，然后经过抽象，提出一个可供数学描述的理想化的物理模型．这是经常采用的一种科学思维方法．这样做，可以使问题大为简化但又不失其客观真实性．

当我们研究物体在空间的位置时，如果我们只研究物体整体的平移规律（例如火车沿铁轨的整体平移规律，炮弹的空间轨道）；或者物体做平动时，同一时刻物体上各部分运动情况（轨迹、速度、加速度）完全相同；或者物体的线度比它运动的空间范围小得多（地球绕太阳的公转等），我们可以忽略那些与整体运动关系不大的次要运动，把物体上各点的运动都看成完全一样，这样我们就可以不用考虑物体的形状和大小，或者说只考虑其平动，物体的运动就可以用一个具有该物体全部质量的、没有形状和大小的点的运动来代替．这种不计物体的形状和大小而具有该物体全部质量的点称为质点．

质点是一种理想化的物理模型，是在一定的环境和条件下对实际物体的一种科学抽象和简化．对这样的科学抽象，可以使所研究的问题大大简化而不影响主要结论．能否把一个物体看做质点，不在于物体的绝对大小，而主要取决于所研究问题的性质和具体情况．例如，当研究地球绕太阳的公转运动时，由于地球的半径（约为6.4×106 m）远小于地球公转的轨道半径（约为1.5×1011 m），故地球上各点绕太阳的运动情况可看成基本上是相同的，所以在研究地球绕太阳公转时，可以不考虑地球的大小和形状，可把地球当做一个质点．但当研究地球的自转运动时，或者研究地球表面不同地点的潮汐运动规律时，就必须考虑地球的大小和形状，不能再把它当做一个质点了．

把物体视为质点这种研究方法，在理论上和和实践上都具有重要的意义．当我们所研究的运动的物体不能视为一个质点时，可以通过数学上的无穷分割方法，把整个物体分割成无穷多个无穷小的质量元，每一个质量元都可以看成一个质点，一个实际的物体就可以看做是由许多乃至于无穷多个质点组成的系统，这就是质点系的概念．当把组成这个物体的所有质点的运动情况都弄清楚了，也就描述了整个物体的运动情况．因此，研究质点的运动规律也就是研究一般物体更为复杂运动规律的基础．

用理想模型的方法来研究问题是一种常用的科学研究方法，这种方法在物理学中经常遇到．除了质点模型，在后面我们还会遇到刚体、弹簧振子、理想气体等许多理想化的物理模型．但应注意，任何一个理想模型都有其适用条件，在一定条件下，它能否反映客观实际，还要通过实践来检验．

总之，要描述物体的运动，我们需要：①选择合适的参考系，以方便确定物体的运动性质；②在参考系上建立恰当的坐标系，以定量描述物体的运动；③提出适当的物理模型，以确定研究对象在特定情况下的最基本的运动规律．

思考题

思1.1　一个物体能否被看做质点，你认为主要由以下三个因素中的哪个因素决定：

①物体的大小和形状；②物体的内部结构；③所研究问题的性质．思1.2　一只小蚂蚁和地球，哪个可以看做质点？你将如何回答？

1.2　质点运动的描述

1.2.1　位置矢量运动方程轨迹

1.位置矢量

为了描述质点的运动，首先需要选择合适的参考系，然后在参考系上选定坐标系的原点和坐标轴，建立恰当的坐标系．例如，建立图1.1所示的三维直角坐标系Oxyz．在任意时刻t质点相对于参考系的位置P，可用质点所在点P的一组有序直角坐标

x，y，z来确定．质点在平面上运动时，可在该平面上建立二维直角坐标系Oxy，质点的位置可用两个坐标x，y来确定．如果质点做直线运动，就只需要一个坐标就可以确定质点的位置了．当然，用坐标法确定质点的位置，不限于直角坐标系，根据问题的不同特点，也可以选用其他坐标系，如平面极坐标系、球坐标系、柱坐标系等，这里就不一一介绍了．质点的位置还可以用位置矢量r表示．位置矢量简称位矢（又称矢径），它是一个有向线段．在选定的参考系上任选一固定点O，质点在任一时刻t的位置矢量r的始端位于O点，末端与质点在时刻t的位置P点相重合．位置矢量r的大小和方向完全确定了质点相对于参考系的位置．

以位置矢量r的起点O为坐标原点，建立直角坐标系，位置矢量r在x轴、y轴和z轴方向的投影分别为x、y和z（即质点的坐标），它们分别是位置矢量r在x轴、y轴和z轴三个坐标轴上的分量．如果取i、j和k分别表示沿x轴、y轴和z轴方向的单位矢量（即大小是一个单位的矢量），i、j和k都是大小和方向不变的常矢量．那么，在直角坐标系中位置矢量可以写成

r＝xi+yj+zk（1.1）位置矢量的模（大小）为

r

＝

x2+ y2+ z2

位置矢量的方向余弦为

cosα＝x

r

cosβ＝y

r

cosγ＝z

r其中，α、β、γ分别是位置矢量r与x轴、y轴和z轴正向之间的夹角．

2.质点的运动方程

当质点在空间运动时，它的位置矢量r以及质点的坐标都随时间变化．因此，位置矢量r是时间t的单值连续函数．即r＝r（t）（1.2a）

在直角坐标系中

r＝r（t）＝x（t）i+y（t）j+z（t）k（1.2b）式（1.2a）和式（1.2b）从数学上确定了在选定的参考系中质点相对于坐标系的位置随时间变化的关系，叫做质点的运动方程．运动方程也可以写作分量式x＝x（t），　y＝y（t），　z＝z（t）（1.2c）知道了运动方程，就能确定任一时刻质点的位置，从而确定质点的运动．

3.轨迹方程

质点在空间的运动路径称为轨迹．质点的运动轨迹为直线时，称质点做直线运动；质点的运动轨迹为曲线时，称质点做曲线运动．从运动方程（1.2b）或方程（1.2c）中消去时间t即得质点运动的轨迹方程．轨迹方程不是时间t的显函数．

例1.1　已知一质点在Oxy平面运动，其运动方程为r（t）＝2ti+（7-4t2）j其中，各物理量的单位都采用国际单位制（SI）．求该质点的轨迹方程．解　在任一时刻t，该质点的坐标值为xt＝2t，　yt＝7-4t2 消去时间t后，得质点的轨迹方程y＝7-x2 这表明质点的轨迹是在Oxy平面内的一条抛物线．

思考题

思1.3　一个质点在运动中，如果其位置矢量的模｜r｜为常量，则该质点的运动情况可能是以下哪种情况？①在一直线上运动；②在一平面上做任意曲线运动；③在以位矢起点为中心的球面上做任意曲线运动．

思1.4　说地球同步卫星定位于赤道上空某点不动，是以什么为参考系的？若以地球中心为参考系，它的运动轨迹如何？若以太阳为参考系，它的运动轨迹又大致如何？思1.5　一质点的运动方程为xt＝4cos2t，yt＝4sin2t，zt＝4t其轨迹方程如何描述？

1.2.2　位移

质点运动时，其位置在空间连续变化，形成一条运动轨迹．如图1.2所示，设一质点的运动轨迹为曲线AB，在t时刻，质点在A点，在t+Δt时刻，质点运动到了B点，在A、B两点，质点相对于坐标原点O的位置矢量分别由rA和rB表示．质点在时间间隔Δt内，位置矢量的长度和方向都发生了变化，我们将Δt这段时间内由始点A指向终点B的有向线段AB 称为点A到点B的位移矢量，简称位移．位移反映了质点位矢的变化，即在时间间隔Δt内位矢的增量，一般写作Δr，则有

Δr＝rB-rA（1.3）位移是描述质点在时间间隔Δt内位置变动大小和方向的物理量，在图上就是由起始位置A指向终点位置B的一个矢量．位移是一个矢量，它的运算遵从矢量运算的法则，

例如，位移的加法运算遵从平行四边形法则（或三角形法则）．位移和位矢不同，位矢反映某一时刻质点的位置．

图1.3　位移的大小

位移的模，即位移的大小，是由始点A指向终点B的有向直线段AB 的长度，它被记为｜Δr｜，｜Δr｜＝｜rB-rA｜，即图1.3中的AB 直线段的长度．注意，位移的大小不能写成Δr．Δr表示位矢的模的增量，即Δr＝｜rB｜-｜rA｜，通常情况下｜Δr｜≠Δr．例如，一质点做半径为R的匀速圆周运动，以圆心为原点，半个周期内，质点位移的大小为｜Δr｜＝2R，而位矢的模的增量Δr＝R-R＝0．

请注意：大小和方向随时间变化的任一矢量A（不仅是位矢，也可以是以后即将介绍的速度矢量、加速度矢量等）在某段时间Δt内增量的大小｜ΔA｜与同一时间内该矢量大小的增量ΔA＝Δ｜A｜，一般来说不相等．

必须注意，位移表示在Δt时间间隔内位置的变动，它是一个矢量，有大小，有方向．位移不涉及质点位置变化过程的细节．例如在图1.2中，位移是有向线段AB ，位移的方向为：由始点A指向终点B的方向；位移的大小（位移的模）是割线AB的长度，是A到B的直线距离，但这并不意味着质点一定是从A点沿直线AB 运动到B点．位移并非质点所经历的路程．质点在Δt时间间隔内从A点沿曲线AB运动到B点所经历的实际路径的长度，即弧线AB的长度，称为质点在该段时间内的路程．路程通常记做Δs．路程是标量，所以不能说位移等于或不等于路程，因为一个矢量和一个标量谈不上比较其是否相等的问题．但一个矢量的模（大小）可以和一个相同单位的标量比较大小，所以位移的大小和路程可以比较，但一般来讲位移的大小不等于路程，即｜Δr｜≠Δs．例如，当质点经历一个任意闭合路径回到起始位置时，其位移为零，而路程则不为零．然而，在Δt趋近于零时，有｜dr｜＝ds．

在直角坐标系中，质点在A、B两点的位置矢量可分别表示为

rA ＝ xA i + yA j + zA k

于是，位移可以写成rB ＝ xB i + yB j + zB k

Δr＝rB-rA＝（xB-xA）i+（yB-yA）j+（zB-zA）k＝Δxi+Δyj+Δzk

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