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第一章真空中的静电场
本章研究电荷产生电场的规律,静电场的性质与规律。包括库仑定律、静电力的叠加原理;电场强度、场强叠加原理,用叠加法计算电场分布;高斯定理及其应用;静电场的环路定理,电势、电势能及其计算;电场强度与电势的微分关系。
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●1.1库仑定律、电场强度
电荷的基本性质,库仑定律,静电力的叠加原理,电场与电场强度。
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●1.2叠加法计算电场强度(一)
点电荷的电场强度,利用叠加原理计算电场分布的一般方法,电偶极子的电场和电偶极子在均匀电场中所受的力、力矩和行为。
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●1.3叠加法计算电场强度(二)
均匀带电直线的电场分布、均匀带电圆环与圆盘轴线上的电场。
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●1.4电通量、高斯定理
电场线、电通量,高斯定理证明。
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●1.5应用高斯定理计算电场
应用高斯定理计算具备球形对称、轴向对称和平面对称性的电场分布。
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●1.6环路定理、电势与电势差
静电场的环路定理,电势能、电势与电势差,电势叠加原理。
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●1.7电势计算
电势计算的两种方法:叠加法和定义式积分法。
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●1.8场强与电势的微分关系
等势面,电势梯度,电场强度与电势的微分关系。
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●1.9习题课
真空中的静电场习题课。
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第二章静电场中的导体与电介质
本章研究导体和电介质在静电场中的行为及静电场能量问题。包括:导体的静电感应、静电平衡,导体壳与静电屏蔽;电容与电容器;电介质的极化,极化强度,电位移矢量,有电介质时的高斯定理及其应用,静电场的能量等。
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●2.1导体的静电平衡
导体的静电平衡概念与条件,静电平衡时的电场、电势与电荷分布,尖端放电。
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●2.2导体壳 静电屏蔽
导体壳与静电屏蔽,有导体存在时的电场、电势与电荷分布计算。
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●2.3电容 电容器
孤立导体的电容、电容器,三种典型电容器,电容器的串联与并联。
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●2.4电介质极化 极化强度
电介质的微观模型,极化机理, 极化强度及其与极化电荷的关系。
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●2.5有电介质时的高斯定理
电位移矢量,介电常数,有电介质时的高斯定理及其应用。
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●2.6静电场的能量
电容器储能公式、静电场的能量密度,电场能量计算。
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●2.7习题课
静电场中的导体与电解质习题课。
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第三章稳恒电流的磁场
本章主要研究由稳恒电流产生的稳恒磁场的性质和规律。
运动电荷激发磁场,利用运动电荷在磁场中所受的作用力引入描述磁场基本性质的物理量——磁感应强度。从场的角度引入了电流产生磁场的规律——毕奥-萨伐尔定律,并给出描写磁场基本性质的磁场中的高斯定律和安培环路定理。利用电流元在磁场中受力的规律——安培定律,考察了载流导线及载流线圈在磁场中所受的安培力和磁力矩,并引进了磁矩的概念。最后,讨论了单个运动带电粒子在磁场中的洛伦兹力及其在实际中的例子——霍尔效应。 -
●3.1电流密度 磁场及高斯定理 磁场的高斯定律(一)
本节引进了电流密度矢量的概念,介绍了电流的连续性方程和欧姆定律的微分形式。从受力角度给出了描写磁场的基本物理量——磁感应强度,并给出了描写磁场基本性质的磁场中的高斯定律。
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●3.2电流密度 磁场及高斯定理 磁场的高斯定律(二)
本节引进了电流密度矢量的概念,介绍了电流的连续性方程和欧姆定律的微分形式。从受力角度给出了描写磁场的基本物理量——磁感应强度,并给出了描写磁场基本性质的磁场中的高斯定律。
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●3.3毕奥萨法尔定律及应用(一)
本节介绍了描写电流元产生磁场的规律——毕奥-萨伐尔定律,并结合磁场叠加原理计算了不同形状的载流导线所产生的磁场。
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●3.4毕奥萨法尔定律及应用(二)
本节介绍了描写电流元产生磁场的规律——毕奥-萨伐尔定律,并结合磁场叠加原理计算了不同形状的载流导线所产生的磁场。
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●3.5安培环路定理
磁感应线是无头无尾的闭合曲线。安培环路定理给出了磁感应强度沿封闭回路积分的结果,反映了磁场这一基本性质。
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●3.6应用安倍环路定理求磁场(一)
本节介绍如何利用安培环路定理计算电流分布具有一定对称性的载流导体周围的磁场。
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●3.7应用安倍环路定理求磁场(二)
本节介绍如何利用安培环路定理计算电流分布具有一定对称性的载流导体周围的磁场。
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●3.8磁场对载流导线的作用(一)
本节给出了载流导线在磁场中受到磁场作用力的规律——安培定律及其应用。
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●3.9磁场对载流导线的作用(二)
本节给出了载流导线在磁场中受到磁场作用力的规律——安培定律及其应用。
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●3.10带电粒子在电磁场中的运动
本节讨论单个运动的带电粒子在磁场中受到磁场作用力——洛伦兹力,并在此基础上讨论带电粒子在磁场中的运动情况。
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●3.11霍尔效应
本节介绍带电粒子在磁场中运动的一个实例——霍尔效应。
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●3.12习题课
稳恒电流的磁场习题课。
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第四章磁介质
当磁介质放入磁场中时,介质分子中的运动电荷将受到磁力的作用而使物质发生磁化,介质的磁化又会反过来影响磁场的分布。本章介绍了磁介质与磁场的相互作用,据此将磁介质分为三大类:顺磁质,抗磁质和铁磁质。进而分析了各类磁介质磁化的微观机理,并给出了有磁介质存在时磁场的安培环路定理。
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●4.1磁介质及其磁化、三种磁介质
本节介绍磁介质的磁化及其分类。
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●4.2磁化强度矢量
本节介绍定量描写介质磁化程度的物理量——磁化强度矢量,并给出磁化强度与磁化电流的定量关系。
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●4.3磁介质存在时的安培环路定理
本节引进描写磁场的辅助物理量——磁场强度矢量,给出有介质存在时的安培环路定理。
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●4.4铁磁质
本节介绍了铁磁质的基本特征及其磁化规律,并简单介绍了铁磁质磁化的微观机理。
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●4.5习题课
磁介质习题课。
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第五章电磁感应与电磁场
电磁感应现象揭示了电与磁相互联系和转化的重要方面。本章首先介绍了描写电磁感应现象的基本规律——法拉第电磁感应定律,分析了产生感应电动势的实质。进而引入了位移电流,给出了描写电磁场的基本理论——麦克斯韦方程组。并对电磁波的性质,能量,产生和传播作了简要介绍。
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●5.1法拉第电磁感应
本节介绍了描写电磁感应现象的基本规律——法拉第电磁感应定律及其应用。
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●5.2动生电动势
本节介绍了动生电动势产生的本质及其应用。
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●5.3感生电动势与涡旋电场
本节讨论了感生电动势产生的本质——涡旋电场及其在实际中的应用。
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●5.4自感和互感
本节介绍了自感和互感现象的产生及应用。
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●5.5磁场能量
本节通过自感磁能和互感磁能的建立,给出了磁场能量的计算规律。
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●5.6位移电流、麦克斯韦方程组
本节通过分析电容器的充放电过程引入位移电流的概念,进而给出了描写电磁场基本规律——麦克斯韦方程组。
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●5.7电磁波及其产生与传播
本节通过分析自由空间麦克斯韦方程组,给出了电磁波及其性质,并简单介绍了电磁波的能量,产生和传播。
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●5.8习题课
电磁感应与电磁场习题课。
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第六章狭义相对论
本章简单回顾了经典力学的绝对时空观,伽利略变换。介绍了狭义相对论的两大基本假设:光速不变原理、狭义相对性原理。说明了“时间膨胀”和“动尺收缩”效应,从而进一步建立起狭义相对论的时空观。在此基础上导出了洛仑兹变换。并对牛顿力学的性质做了新的解释和阐述。比如质速关系、质能方程、动量能量关系等等。
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●6.1相对性原理
简单回顾了经典力学的时空观,在此时空观下,介绍了伽利略变换。
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●6.2光速不变原理与相对性原理
介绍了经典电磁理论的困难,说明了迈克尔逊-莫雷实验的零结果。在此基础上引入了爱因斯坦的狭义相对论的两大基本假设:光速不变原理、狭义相对性原理。
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●6.3狭义相对论的时空观
在狭义相对论两大基本假设前提下,讨论了时间的同时性,时间长度、空间长度的测量问题,介绍了时间随参考系运动的“时间膨胀”效应,空间长度的“动尺收缩”效应,进步阐明了狭义相对论的时空观。
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●6.4洛仑兹变换
在狭义相对论时空观的基础上推导了洛仑兹的坐标和速度变换公式。进一步讨论的狭义相对论中的事件的因果律。
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●6.5相对论的质速关系
介绍了狭义相对论情形下质量随运动的关系,即质速关系。给出了狭义相对论的动量,进一步说明了狭义相对论框架下的动量定量。
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●6.6相对论的动力学基础
介绍了狭义相对论的动能形式,阐述了爱因斯坦的质能方程及质量亏损的概念,并说明了狭义相对论的能量动量关系。
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●6.7习题课
狭义相对论习题课。
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第七章量子物理基础
本章简单介绍了量子概念的发展和量子力学理论建立的过程。首先从黑体辐射的实验规律介绍了普朗克提出能量子概念的过程,借用能量子的量子化思想,爱因斯坦提出了光量子理论,并成功的解释了光电效应实验,这一理论被康普顿散射实验进一步验证,使人们认识到了光的波粒二象性。同样受到普朗克能量子概念的影响,玻尔在解释氢原子的光谱实验规律时,提出了著名的氢原子玻尔理论,其中包含了著名的三大假设:定态假设、跃迁假设、角动量量子化假设。在光的波粒二象性的基础上,德布罗意将其推广到一切实物粒子,提出了物质波理论,并被实验验证。此后,玻恩用概率波解释了物质波,薛定谔则提出了薛定谔方程用以描述物质波的演化。概率波又进一步导致了不确定性,由此,海森堡给出了不确定关系。从薛定谔方程出发,介绍了一维无限深势阱、势垒中的量子效应,比如典型的隧道效应。进一步说明了氢原子的量子力学处理所得到的结果,比如四个量子数、自旋、壳层结构、和电子填充等等。
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●7.1黑体辐射与普朗克的能量子假设
介绍了黑体辐射的实验规律,介绍了普朗克的能量子概念以及普朗克公式。
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●7.2光的粒子性-光电效应
介绍了光电效应实验规律,阐述了爱因斯坦的光量子理论,说明了光电效应方程和光的波粒二象性。
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●7.3光的粒子性-康普顿散射
介绍了康普顿散射实验规律。说明了光量子理论对康普顿实验的理论解释。
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●7.4粒子的波动性-物质波
介绍了德布罗意的物质波思想及其实验验证。说明了玻恩概率波思想对物质波的解释。
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●7.5不确定关系
介绍了物质的波粒二象性所导致的不确定关系。说明了这一效应在量子世界和宏观世界的关系。
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●7.6波函数薛定谔方程
介绍了描述物质波波函数演化规律的薛定谔方程的建立过程。简单说明了薛定谔方程的简单性质。
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●7.7一维势阱、势垒、隧道效应
利用一维势阱、势垒模型,说明了薛定谔方程的求解过程和所得到的量子效应。比如能量量子化、概率分布、隧道效应等。
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●7.8氢原子光谱与玻尔理论
介绍了氢原子光谱的实验规律,说明了玻尔的氢原子理论,比如三大基本假定。并介绍了这一理论对氢原子光谱的理论解释。
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●7.9氢原子的量子力学处理
说明了薛定谔方程在处理氢原子系统时所得到的量子力学结果,包含能量、角动量、角动量的空间取向、电子云的分布等等性质。
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●7.10电子自旋四个量子数
介绍了斯特恩-盖拉赫实验,引入了自旋的概念,解释了斯特恩-盖拉赫实验中的现象。总结了氢原子的四个量子数的性质。
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●7.11多电子壳层结构
介绍了多电子原子的壳层结构,并说明了电子的填充规律。
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●7.12习题课
量子物理基础习题课。
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第八章激光与固体电子学简介
本章主要简单介绍了激光与固体电子学中的一些基本的概念和主要结论。比如受激辐射概念、激光产生的条件。激光的特点及其应用。还简单介绍了固体能带的概念及其形成的过程。简单说明了能带的特点。在此基础上,介绍了导体、半导体、绝缘体的能带结构,说明了它们对固体导电性能的影响。
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●8.1受激辐射与激光
介绍了受激辐射概念,说明了激光产生的条件,介绍了激光的特点及其相关应用。
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●8.2固体能带简介
介绍了固体中的共有化电子概念,说明能带形成的过程。说明了不同能带的特点。
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●8.3导体、半导体、绝缘体
介绍了能带性质对物体导电性能的影响。说明了导体、半导体、绝缘体的能带结构。说明了它们导电或不导电的机制。