静电力
点电荷相互作用力
F21=4πε01r122q1q2e12
电力叠加原理
F=i=1∑nFi
静电场
电场强度
E=q0F
场强叠加原理
E=i=1∑nEi=4πε01i=1∑nri2qiei
带电体场强
E=∫dE=4πε01∫Vr2dqer
常见场强模型
E点电荷=4πε0qr21er
E直线=2πε0λa1
E平面=2ε0σ
E环=4πε0qR2+x23x−11
E盘=4πε0qR22(1−R2+r2x)
E球面={04πε0qr21r<Rr>R
E球体={4πε0qR3r−114πε0qr21r<Rr>R
电荷密度
λ=dldq
σ=dSdq
ρ=dVdq
电通量
Φe=∫SdΦe=∫SEcosθdS=∫SE⋅dS
高斯定理
Φe=∮SE⋅dS=ε01i∑qi
静电场环路定理
∮LE⋅dl=0
电势
电势能
Wp=AP∞=∫P∞q0E⋅dl
电势
UP=q0WP=∫P∞E⋅dl
电势差
Uab=Ua−Ub=∫abE⋅dl
电场力所做的功
Aab=q0∫abE⋅dl=q0(Ua−Ub)
电势叠加原理
UP=∫dU=∫4πε0rdq
常见电势模型
U点电荷=4πε0qr1er
U直线=2πε0λlnad
U平面=2ε0σ(S−x)
U环=4πε0qR2+x21
U盘=4πε0qR22(R2+x2−x)
U球面={4πε0qR14πε0qr1r<Rr>R
U球体={4πε0q2R1(3−R2r2)4πε0qr1r<Rr>R
场强与电势关系
E=−dndUen=−∇U
E=−(∂xUi+∂yUj+∂zUk)
电容
静电平衡与尖端放电
E内=0E表面=ε0σ
外电场⇎内电场(接地)
电容
C=UQ
C球=4πε0R
常见电容器模型
C=UA−UBQ
C板=εrdε0S
C柱=εrlnRARB2πε0l
C球=εrRA1−RB14πε0
求电容步骤
假设带电+q−q→求场强→求电势差→C=UA−UBqC0=εrC0
电介质
介质效应
U=εrU0
C=εrC0
E=εrE0E=E0+E′εr=1+χe
电极化强度矢量
P=ΔV∑Pi=ε0χeE单位:C/m2
∬SP⋅dS=−S内∑q极化′
极化电荷面密度
σ极化′=Pcosθ=Pn
电位移矢量
D=ε0E+P
∬SD⋅dS=∑q自由
电物理量关系
DE=εDEP=ε0χeEPσ′=Pcosθσ′
其中,ε=ε0εrχe=εr−1σ′为极化电荷密度
静电场的能量
W点电荷=21∑qiUi
W带电体=21∫Udq
W电容器=21CU2
能量密度:we=21DE
W电场=∫wedV=∫2ε0εrE2dV
其中,dV=⎩⎨⎧4πr2dr2πrldrSdr球柱板
磁场作用力
洛伦兹力
F磁=qv×B
电磁场作用力
F总=qv×B+qE
安培力
dF=Idl×B
F=∫dF=∫dFx+∫dFy
磁场
磁感应强度
B=qvFmax方向:Fmax×v单位:T
毕奥-萨伐尔定律
dB=4πr3μ0Idl×r
dB=4πr2μ0Idlsinθ
I=dtdq
运动电荷的磁场
B=dNdB=4πr3μ0qv×r
磁通量
Φm=∫SdΦm=∫SBcosθdS=∫SB⋅dS
常见磁感应强度模型
B线=4πaμ0I(cosθ1−cosθ2)
B直线=2πaμ0I
B平面=2μ0j
B螺线管=2μ0nI(cosβ2−cosβ1)B外=0
B螺绕环=⎩⎨⎧0μ0nI0r<R1R1<r<R2r>R2
B环=2μ0IR2+x23R−21圆心(x=0)处,B=2Rμ0I
B弧=2Rμ0I2πθ
B柱面={02πrμ0Ir<Rr>R
B柱体={2πrR2μ0I2πrμ0Ir<Rr>R
电流面密度
σ=S⊥I总
高斯定理
Φm=∮SB⋅dS=0
安培环路定理
∮LB⋅dl=μ0∑Ii
注意I的正负与闭合回路环绕方向的关系
磁力矩
磁矩
Pm=IS=ISn
磁力矩
M=Pm×B=NISn×B
M=PmBsinθ=NISBsinθ
非均匀磁场中,M=∫r×dF
磁力的功
A=IΔΦ
带电粒子在磁场中的运动
带电粒子在匀强磁场中的匀速圆周运动
qv⊥B=Rmv⊥2R=qBmv⊥T=qB2πm
霍尔效应
UH=RHhIBRH=nq1
磁介质
介质效应
⎩⎨⎧μr>>1μr>1μr<1铁磁质顺磁质抗磁质
B=μrB0B=B0+B′μr=1+χm
磁化强度矢量
M=ΔV∑Pmi=χmH单位:A/m
∬SP⋅dS=−S内∑q极化′
磁化电流
∣M∣=jmjm=lIm∮LB⋅dl=μ0(∑I+∑Im)
磁场强度
H=μ0B0−P
∮LH⋅dl=in∑I0
磁物理量关系
I∮LH⋅dl=∑LIHB=μHBM=χmHMjm=MjmIm=jmlIm
其中,μ=μ0μrχm=μr−1jm为磁化电流Im为束缚电流
铁磁质
铁磁质特点、磁畴、磁滞回线、剩磁、矫顽力、居里点
电磁感应
感应电动势
Ei=−dtdΦB=−dtd∬SB⋅dS
动生电动势
EK=v×BdEi=(v×B)⋅dl
Ei=∫abEK⋅dl=∫ab(v×B)⋅dl
E总=Ei时,Ei=−dtdΦB=−BdtdS
涡旋电场
∮LEi⋅dl=−∬S∂t∂B⋅dS
Ei内=−2rdtdB
Ei外=−2rR2dtdB
感生电动势
Ei=∫abEi⋅dl
E总=Ei时,Ei=−dtdΦB=−SdtdB
自感
Φ=LI
EL=−dtdΦ=−LdtdI
L=IΦ
L螺线管=μn2V
L=I22Wm
互感
Φ2=MI1Φ2=MI2M=M21=M12
E2=−MdtdI1E1=−MdtdI2
E2=−dtdΦB21∣I1E1=−dtdΦB12∣I2
M=IΦm
求自感/互感系数步骤
在易求磁场分布的线圈中假设通电流I→求出相应的磁场分布→计算相应的磁通量(面元法向只能取一个方向)→求出L/M(I一定消去)
磁场的能量
均匀磁场
磁能密度:wm=21B⋅H=21μH2
Wm=∫VwmdV=∫V21B⋅HdV
自感/互感磁能
Wm=21LID2
W21=M21I1I2
电磁场与电磁波
位移电流
Id=dtdΦD
jd=dtdD
jd平行板=dtdD=ε0εrdtdE=dε0εrdtdVId=jd⋅S
全电流安培环路定理
∮LH⋅dl=I+Id′Id′=πr2jd
麦克斯韦方程组
高斯定律:电荷总伴随有电场∬SD⋅dS=in∑q=∭VρdV法拉第电磁感应:变化的磁场一定伴随有电场∮LE⋅dl=−dtdΦm=−∬S∂t∂B⋅dS高斯磁定律:磁感应线是无头无尾的∬SB⋅dS=0麦克斯韦−安培位移电流定律:变化的电场一定伴随着磁场∮LH⋅dl=in∑(I+Id)=∬SjdS+∬S∂t∂D⋅dS
电磁波的性质
HE=H0E0=εμ
v=εμ1
c=ε0μ01
电磁波的能量密度
w=we+wm=21εE2+21μH2
电磁波的能流密度
坡印廷矢量:S=E×H
S=wv
Sˉ=21E0H0
几何光学
符号规则
物距:与入射光同侧,s>0
像距:与出射光同侧,s′>0
曲率半径:与出射光同侧,R>0;f与R同符号
垂直于轴的成像,轴上为正
反射成像
平面镜:s=s′
球面镜:f=2Rs1+s′1=f1
单球面折射成像
sn1+s′n2=Rn2−n1
薄透镜成像公式
s1+s′1=f1m=yy′=−ss′
磨镜者公式
f1=(n−1)(R11−R21)
光学器件
mθ放大镜=θθ′
M显微镜=mθm=−ss′fe25cms′=f0+Δ
mθ望远镜=−fef0
光的干涉
一般步骤
找到干涉的两条光线→计算它们到叠加点的光程差→考虑有无半波损失
δ=n2r2−n1r1+δ′={±kλ±(k+21)λ,k=0,1,2,…加强−明纹,k=0,1,2,…减弱−暗纹
Δφ=λ2πδ
杨氏双缝干涉
δ=dsinθ={±kλ±(k−21)λ,k=0,1,2,…明纹,k=1,2,3,…暗纹(零级条纹在光程差为0处)
Δx=xk+1−xk=dDλ
近轴条件下,dsinθ≈Ddx
条纹移动意味着光程差改变:δ=δ1−δ2=Nλ
薄膜干涉一般步骤
确定薄膜,找到哪两条光线干涉→确定是反射光还是透射光干涉→确定有无半波损失→由明暗条纹的干涉条件分析干涉条纹特征
等倾干涉
干涉条纹:内疏外密的同心圆
δ=2en22−n12sin2i+δ′={kλ(k+21)λ,k=1,2,3,…明纹,k=0,1,2,…暗纹
等厚干涉-劈尖
δ=2ne+δ′={kλ(k+21)λ,k=1,2,3,…明纹,k=0,1,2,…暗纹
Δe=2nλ
Δl=sinθΔe≈2nθλ
等厚干涉-牛顿环
干涉条纹:内疏外密的同心圆
δ=2ne+δ′={kλ(k+21)λ,k=1,2,3,…明纹,k=0,1,2,…暗纹
e=2Rr2
r明环=(k−21)nRλ,k=1,2,3,…
r暗环=knRλ,k=0,1,2,…
应用
迈克尔孙干涉仪:2d=ΔNλ
δ=2n2e=(k+21)λ,k=0,1,2,…增透膜
δ=2n2e+2λ=kλ,k=1,2,3,…高反膜
单缝衍射
δ=asinθ=⎩⎨⎧0±kλ±(k+21)λ,中央明纹,k=1,2,3,…暗纹,k=1,2,3,…明纹
xk=ftanθkθ⩽5°时,sinθ≈tanθ≈θ
Δx=afλΔx中央明纹=a2fλ
光栅衍射
{dsinθ=±kλNdsinθ=±k′λ,k=0,1,2,…主极大−明纹,k=1,2,3,…,k′=kN极小−暗纹
缺极条件:dsinθ=k2λasinθ=k1λ⇒ad=k1k2∈Z
斜入射时的光栅方程:d(sinφ+sinθ)=±kλk=0,1,2,…主极大
φ和θ在法线的同侧同号,异侧异号;两侧kmax不同
分辨本领(分辨波长):R=Δλλ⩽kN
圆孔衍射
θ=1.22DλD为圆孔孔径
分辨本领(分辨波长):R=θmin1=1.22λD
晶体衍射
布拉格方程:2dsinθ=kλk=1,2,3,…
其中θ为掠射角
光的偏振
马吕斯定律
I∝A2Ao→Aocosα
I出线=21I入自
I出线=I入线cos2α
布儒斯特定律
tani0=n1n2⇒i0+γ=2π
此时有线偏振光
双折射现象
o光振动方向垂直于光轴,e光不符合折射定律
δ=∣n0−ne∣d
Δφ=λ2πδ
δ21波片=∣n0−ne∣d=2λ
δ41波片=∣n0−ne∣d=4λ
偏振光的干涉
Δφ正交=λ2π∣n0−ne∣d+π
Ae2=Ao2=Acosαcosβ
Δφ平行=λ2π∣n0−ne∣d
Ae2=Acos2αAo2=Acos2β
相强干涉与相消干涉
椭圆偏振光
α=0°或90°?⎩⎨⎧是:出射与入射相同,为线偏振光否,使用21波片⎩⎨⎧是:出射与入射振动方向关于光轴对称否,使用21波片{α=45°:出射为圆偏振光α=45°:出射为椭圆偏振光
电磁辐射的量子性
黑体辐射
MB(T)=σT4
Tλm=b
光电效应
eUa=Ekm=21mvmax2
红限波长:A=hν0=hλ0c
光的强度:I=Nhν
hν=Ekm+A=21mvmax2+A
康普顿散射
Δλ=λ−λ0=λc(1−cosφ)=2λcsin22φ
λc=m0ch=0.00243nm
光的波粒二象性
E=hν=mc2=Ek
m=c2hν=λch
p=mc=chν=λh
量子力学简介
德布罗意波
E=hν=mc2m=1−(cv)2m0
Ek=mc2−m0c2
m=c2hν=λch
p=mv=λhv=λν
v<<c时,Ek=mc2≈21m0v2=2m0p2λ=ph=m0vh
不确定关系
ΔxΔpx⩾2ℏℏ=2πh
由于p=λhΔp=λ2hΔλ
有ΔEΔt⩾2ℏΔt为粒子在某能级的寿命
波函数及其统计意义
概率密度:fp(x)=∣φ(x)∣2
在dx范围内出现粒子的概率:∣φ(x)∣2dx
波函数单值、有限、连续时,∫−∞+∞∣φ(x)∣2dx=1⇒A
定态薛定谔方程与一维无限深势阱
零点能:E1=2ma2π2ℏ2n能级能量:En=n2E1
ψn(x)=a2sin(anπx)0⩽x⩽an=1,2,3,…
概率密度:fp(x)=∣ψn(x)∣2=a2sin2(anπx)0⩽x⩽an=1,2,3,…
x~x+dx概率:dP=∣ψn(x)∣2dx=a2sin2(anπx)dx0⩽x⩽an=1,2,3,…
x1~x2概率:P=∫x1x2∣ψn(x)∣2dx=∫x1x2a2sin2(anπx)dx0⩽x⩽an=1,2,3,…
氢原子及原子结构初步
氢光谱的规律
λ1=RH(k21−n21)k=1,2,3,…;n=k+1,k+2,k+3,…
⎩⎨⎧k=1,紫外线系k=2,巴尔末线系k=3,红外线系
玻尔氢原子理论
En=−n213.6eVn=1,2,3,…
rn=n2r1n=1,2,3,…
hν=λhc=En−Ek
横线上密下疏,数量为n;同线系箭头向下,起点向右递增,终点相同;能画出n−1个线系
氢原子的量子力学描述
主量子数n:En=−n213.6eVn=1,2,3,…
角量子数l:L=l(l+1)ℏl=0,1,2,…,n−1
磁量子数ml:LZ=mlℏml=0,±1,±2,…,±l
自旋磁量子数ms:S=s(s+1)ℏ=23ℏSZ=mSℏ=±21ℏ
某一能级可容纳的最多电子数为2n2个,某一层可容纳的最多电子数为2(2l+1)个
波尔理论:L=mvr=nℏ量子力学:L=l(l+1)ℏ
核外电子径向概率密度:P(r)=r2∣Rnl(r)∣2
激光与固体的能带结构
激光产生条件与特性
粒子数反转(受激辐射);光放大(光学谐振腔)
方向性好;亮度高;单色性好;相干性好
固体能带结构
p型半导体,空穴导电,掺入3价金属;n型半导体,电子导电,掺入5价金属
禁带宽度与外加光子能量关系:hν⩾Eg