大學物理(上)知識點總結
期末,總結一下大學物理知識點
對於大學物理(以下簡稱大物)的知識點總結,採取以公式爲主線的方式進行
一、質點動力學
速度:
v=dtdr
加速度:
a=dt2d2r=dtdv
圓周運動:
a=an+aτ=Rv2⋅n+dtdv
β=dtdω=dt2d2θ
a=an+aτ=r⋅β+r⋅w2
功:
保守力做功僅與相對位置有關,存在保守立場,蘊含的能量稱爲勢能,即保守力做功 = 勢能的增量的負值,而勢能只存在相對意義,即必須選取零勢能面(點)
非保守力做功與相對移動有關
A=∫abFdr
勢能:
Ep=∫M參Fdr
引力勢能爲∫r∞−Gr2mMdr=−GrMm
功率:
P=ΔtΔA
P=dtdA=dtFr=F⋅v=Fvcosθ
動能定理:(空間積累)
合外力做功 = 物體始末的動能變化量
A=21mv22−21mv12
功能原理:
A外
A內=A非+A保
機械能守恆爲∑A外+A非=0時刻滿足
動量定理:(時間積累)
條件:∑F外=0 or 內力>>外力
I=∫t1t2Fdt=∫t1t2dmv=mv1−mv2
碰撞(對心):
完全非彈性碰撞:機械能損失最大
彈性碰撞:動能增量爲零
非彈性碰撞:動能增量不爲零(一般不討論)
質心:意會
二、剛體的定軸轉動
力矩:
M0=r×F
定軸轉動定理:
M=Jβ
轉動慣量:
J=∑Δmiri2
平行軸定理:
Jz=Jc+md2
定軸轉動剛體動能:
Ek=21Jω2
注:平動動能依然爲:Ek=21mv2
力矩的功:
A=∫θ1θ2Mdθ
定軸轉動的動能定理:
A=∫ω1ω2d(21Jω2)=21Jω22−21Jω12
角動量:
L0=r×mv
角動量定理:
M0=dtdL0
角動量守恆定理:(有心力)
若M0=0則L=常矢量
定軸轉動的角動量:
Lz=Jzω
定軸轉動的角動量定理:
若J爲恆量Mz=Jzdtdw=Jzβ
定軸轉動的角動量守恆定理:(有心力)
若Mz=0則Lz=Jzω=常矢量
進動:選學
三、機械振動基礎
簡諧振動:
x(t)=Acos(ωt+ϕ)其中,ω=T2π
旋轉矢量法
單擺:
ω=lg
T=2πgl
復擺:
ω=Jmgh(M=Jβ)
簡諧振動的能量:
動能:
Ek=21mv2=21mω2A2sin2(ωt+ϕ)
若ω=mk則$E_k = 21kA2sin2(ωt+ϕ)
平均動能:
Ek=T1∫tt+TEkdt=41kA2
勢能:
Ep=21kx2=21kA2cos2(ωt+ϕ)
機械能:
E=Ek+Ep=21kA2
兩個同頻率振動的相位關係:
超前 or 落後
同相 or 反相
諧振動的合成:
1、同方向同頻率諧振動的合成:
x1=A1cos(ωt+ϕ1)
x2=A2cos(ωt+ϕ2)
x=x1+x2=⋯=Acos(ωt+ϕ)
(用旋轉矢量的方法思考問題)
2、同方向不同頻率諧振動合成:
x1=A1cosω1t
x2=A2cosω2t
x=x1+x2=A1cosω1t+A2cosω2t=2Acos(2ω2−ω1t)⋅2Acos(2ω2+ω1t)
和振動不再是簡諧振動A=A12+A22+2A1A2cos[(ω2−ω1)t]
當ω1≈ω2時可以近似看作振幅緩慢變化的簡諧振動,這就是“拍”,拍頻指單位時間內合振動振幅強弱變化的次數,即v=∣2πω2−ω1∣=∣v2−v1∣
3、兩個同頻率相互垂直諧振動的合成
x=A1cos(ωt+ϕ1)
y=A2cos(ωt+ϕ2)
sin2(ϕ2−ϕ1)
(李薩如圖)
阻尼振動:
線形恢復力+阻尼力
受迫振動:
彈性力+阻尼力+週期性策動力
四、機械波
機械波的幾個概念:
橫波:質點振動方向垂直波傳播的方向
縱波:質點振動方向平行於波傳播方向
波面:在波傳播過程中,振動相位相同的點聯結成的面
波線:沿波傳播方向的直線
波前:在某一時刻,波傳播到最前面的波面
在各向同性均勻媒質中,波線與波面相互垂直
波長:同一波線上相差爲2π的相鄰兩點間的距離
週期:波前進一個週期的距離爲一個波長
頻率:週期的倒數
波速:振動狀態在媒質中傳播的速度u=Tλ=vλ
其中,波速由媒質決定,頻率與媒質無關,是波的特質
波動方程:
o點振動方程:y0=Acos(ωt+ϕ0)
經過Δt=ux傳播到p點,則p點落後於o點,振動方程爲:y=Acos[ω(t−ux)+ϕ0]
波函數的其他形式:
y=Acos[2π(vt−λx)+ϕ0]
y=Acos[2π(Tt−λx)+ϕ0]
y=Acos[λ2π(ut−x)+ϕ0]
小技巧:x,t異號正向傳播,x,t同號逆向傳播
平面簡諧波的波動微分方程:意會
波的能量:
動能:ωk=21Δmv2=21μΔxω2A2sin2(ω[t−ux)+ϕ0](μ爲線密度)
勢能:ωp=21μΔxA2ω2sin2[ω(t−ux)+ϕ0]
我們會發現勢能等於動能,即機械能不守恆
總能量:
ω=2ω=μΔxA2ω2sin2[ω(t−ux)+ϕ0]
能量密度:(單位體積中波的能量)
設質元橫截面爲S,體密度爲ρ,則單位線元中的機械能爲:ω=SΔxW=ρA2ω2sin2[ω(t−ux)+ϕ0]
一個週期內的平均能量密度:
ω=T1∫0Tωdt=21ρA2ω2
一個週期內通過S的能量:
Δw=wuTS
能流密度:(波的強度)
I=TSΔw=wu=21ρA2w2u
波的強度與振幅的平方成正比
球面波的振幅:
A=rA0
則球面波的振幅隨r增大而減小
惠更斯原理:理解
波的干涉:
相干條件爲頻率相同,振動方向相同,相位差恆定
A2=A12+A22+2A1A2cosΔϕ
Δϕ=ϕ1−ϕ2−2πλr2−r1
I=I1+I2+I1I2cosΔϕ
強度分佈顯然可見
干涉相長的條紋爲Δϕ=±2kπ則δ=r2−r1=kλ
干涉相消的條紋爲Δϕ=±(2k+1)π則δ=r2−r1=(k+21)λ
駐波:
兩列等振幅,傳播方向相反的相干波疊加形成駐波
波腹和波節
半波損失:
當波由波疏介質射入波密介質,再返回波疏介質時會產生半波損失,若反射時無能量損失,則形成駐波
對於駐波,其能量在波節和波腹來回振動,勢能和動能相互轉化
多普勒效應:
vs爲波原始頻率,v爲波新的相對頻率
1、波源靜止,觀察者運動
v=vsuu+v0=(1+uv0)vs
2、觀察者靜止,波源運動
v=u−vsuvs
3、波源和觀察者同時運動
v=λ−vsTu+v0=(u−vsu+v0)vs
注意:波源的運動與觀察者運動不等價
五、波動光學
光源:
1)熱輻射;2)電致發光;3)光致發光;4)化學發光
以上屬於自發輻射,初相不相關
一下屬於受激輻射,具有統一性
5)同步輻射光源;6)激光光源
光的干涉:
相長干涉:Imax=I1+I2+2I1I2
相消干涉:Imin=I1+I2−2I1I2
如果ϕ!=ϕ2
相長干涉:δ=r2−r1=±kλ
相消干涉:δ=r2−r1=±(2k+1)2λ
其中,k爲干涉級
楊氏雙縫干涉:(分波陣面法)
只有把同一個波列分割成兩個波列,讓這兩個波列在空間相遇,才能獲得相干波
明紋:Δϕ=±2kπ,δ=±kλ,xk=±kdDλ
暗紋:Δϕ=±(2k+1)π,δ=±(k+21)λ,xk=±(k+21)dDλ
獲得單色光的方法:
1)棱鏡散射法;2)濾光片;3)單色光源;4)激光
洛埃鏡:
存在半波損失
δ=r2−r1+2λ
明紋:δ=±kλ
暗紋:δ=±(k+21)λ
薄膜干涉:
光程差爲δ=n2(AB+BC)−n1DC=⋯=2dn22−n12sin2i
若n2最大或最小,則需要考慮半波損失,否則,不需要
明紋:δ=±kλ
暗紋:δ=±(k+21)λ
若從薄膜下方看,反射光干涉加強時,透射光干涉相消;反射光干涉相消時,透射光干涉加強
幾種等厚干涉:
1、劈尖干涉:
δ=2d+2λ
相鄰條紋之間的距離asinθ=2λ
明紋:δ=±kλ,d=42k−1λ
暗紋:δ=±(k+21)λ,d=21kλ
檢測工件表面的不平整
牛頓環:
δ=2d+2λ
明紋:δ=±kλ,d=42k−1λ
暗紋:δ=±(k+21)λ,d=21kλ
3、增透膜
原理爲使反射光相消,則透射光加強(能量守恆)
增反膜同理
麥克爾遜干涉儀:
明紋:δ=±kλ
暗紋:δ=±(k+21)λ
條紋特點:
當M1水平、M2豎直時爲等傾條紋(圓環)
當M1和M2有小夾角時,會出現等厚條紋
M1移動λ,光程差改變2λ,視場中有兩個條紋移動
惠更斯—菲涅爾原理:
光的衍射現象:
當光遇到障礙物時,能夠改變方向並繞過障礙物的邊緣前進
惠更斯菲涅爾原理:
同一波前的各點發出的都是相干次波
各次波在空間某點的相干疊加,就決定了該波的強度
單縫的夫琅禾費衍射:
菲涅爾半波帶法:
半波帶數N=2λbsinθ
暗紋條件:N=±2k,bsinθ=±kλ
明紋條件:N=±(2k+1),bsinθ=±(k+21)λ
明紋強度來自於一個半波帶的貢獻
中央明紋:bsinθ=0
條紋在屏上的位置爲(f爲透鏡的焦距)x=ftanθ≈fsinθ
則,暗紋座標:x=±kafλ
明紋座標:x=±(2k+1)2afλ
中央明紋寬度:a2fλ
k級明紋寬度:afλ
注:
θ增加,半波帶面積減小,明紋強度減弱
狹縫上下移動條紋不動
透鏡上下移動,條紋跟着移動
瑞利判據:
對於兩個等光強的非相干點,如果一個像斑中心恰好落在另一個像斑邊緣,則認爲這兩個像恰好可辨
衍射光柵:
光柵常數d = a + b
狹縫數目N
主極大級數:
dsinϕ=±kλ(k=0,1,2…)其中∣sinϕ∣≤1,k<λd
暗紋條件:
非主極大就是暗紋
若N爲狹縫數目,則兩主極大之間有N-1個極小,N-2個次級大
隨着N增大,主極大更爲尖銳
主極大強度正比於N2
缺級:
主極大明紋位置與單縫衍射暗紋位置重合
主極大明紋:dsinϕ=±kλ
單縫衍射暗紋:asinϕ=±k′λ
則,k=adk′(k爲整數即可)
主極大條紋的座標:
x=±kfdfλ
間距Δx=dfλ
斜入射光柵方程:
光程差:δ=d(sinθ+sinϕ)
剩餘與正射無異
偏振光的表示:
自然光轉化爲偏振光:I=21I0
馬呂斯定律:
線偏振光通過一個偏振片後,透射光強I與入射光強I0之間滿足:I=I0cos2α(α爲入射光與偏振化方向的夾角)
布儒斯特定律:
自然光反射後,垂直振動對於平行振動
自然光折射後,平行振動多於垂直振動
晶體的雙折射現象:
遵循折射定律的叫做o光,反之叫做e光
一般情況下,認爲o光和e光的振動相互垂直
o光與e光傳播速度不同,o光波面爲球面,e光波面爲橢球面,沿光軸方向,o光和e光速度相同,垂直光軸方向,o光和e光速度相差最大
六、熱力學
符號規定:
V:體積
P:壓強
T:溫度
ν:摩爾數
R:普適氣體常數=8.31(J⋅mol−1⋅K−1)
A:功
Q:熱量
E:內能
γ:熱容比CvCp
平衡態:在沒有外界影響的情況下,系統各部分的宏觀性質在長時間內不發生變化的狀態
準靜態過程:熱力學過程中,系統從某一狀態開始經歷一系列的中間狀態達到另一狀態的過程,如果過程進行的無限緩慢,則在這個過程中系統經歷的每一箇中間態都可以看作平衡態
理想氣體狀態方程:
PV=νRT
熱力學第一定律:
系統從外界吸收的熱量Q,一部分使其內能增加ΔE,另一部分用以對外界做功
即Q=E2−E1+A
功和熱量的計算:
A=∫V1V2pdV
注:氣體向真空自由膨脹時,不做功
兩個常用熱容:
定容摩爾熱容:Cv=(dTdQ)v
定壓摩爾熱容:Cp=(dTdQ)p
Cp=Cv+R
Q=ν∫T1T2CxdT
熱力學第一定律對理想氣體在典型準靜態過程中的應用:
1、等體過程:
A=0
Q=νCv(T2−T1)
ΔE=Q
2、等壓過程:
A=p(V2−V1)=νR(T2−T1)
Q=νCp(T2−T1)
ΔE=νCv(T2−T1)
3、等溫過程:
A=∫V1V2pdV=∫V1V2VνRTdV=νRTlnV1V2=νRTlnp2p1
Q=A
ΔE=0
絕熱過程
pVγ=C1
TVγ=C2
pγ−1T−γ=C3
A=∫V1V2pdV=∫V1V2p1V1γVγdV=γ−11(p1V1−p2V2)因爲[p1V1γ=p2V2γ=pVγ]
Q=0
ΔE=−A
如何判斷等溫線和絕熱線
由於γ>1所以絕熱線比等溫線要陡
絕熱自由膨脹:
ΔE=0A=0Q=0
該過程不是準靜態過程,所以熱力學許多方程均不適用
循環過程:
ΔE=0
1、正循環(熱機循環)(順時針)
Q=A>0
系統從高溫熱源吸收熱量Q1一部分轉化爲做功A,另一部分以熱量形式是放到低溫熱源去
熱機效率:η=Q1A=Q1Q1−Q2=1−Q1Q2
2、逆循環(製冷循環)(逆時針)
系統做功A,使其從低溫熱源吸收Q2的熱量,連同A的能量以熱量形式Q1釋放到高溫熱源去
製冷係數:ω=AQ2=Q1−Q2Q2
卡諾循環:
DC、AB爲絕熱過程
AD、BC爲等溫過程
T1V2γ−1=T2V3γ−1
T1V1γ−1=T2V4γ−1
則,V1V2=V4V3
Q1=νRT1lnV1V2
Q2=νRT2lnV4V3
故,若做正循環,熱機效率爲η=Q1A=1−T1T2
若做逆循環,製冷效率爲η=AQ2=1−T1−T2T2
熱力學第二定律
1、開爾文表述:不可能從單一熱源吸熱,使之完全轉化爲功,而不引起其它變化
2、克勞修斯表述:不可能將熱量從低溫物體傳向高溫物體而不引起其他變化
這兩種表述是等價的
可逆與不可逆過程:
可逆過程:若系統經歷了一個過程,而過程的每一步都可以沿相反方向進行,同時不引起外界的任何變化
不可逆過程:如對某一過程,用任何方法都不能使系統和外界恢復到原來的狀態
熱力學第二定律的本質就解釋了自然界的一切自發過程都是單方向進行的不可逆過程
可逆卡諾熱機的效率是最高的
七、氣體動理論
符號規定:
V:體積
p:壓強
T:溫度
μ:分子質量
R:普適氣體常數=8.31(J⋅mol−1⋅K−1)
N:分子總數
n:分子密度
K:波爾茲曼常數1.38×10−23J/K其中K=N0R
N0:阿伏伽德羅常數6.02×1023
M:摩爾質量
Ω:各部分微觀狀態數之積
S:熵
標準狀態:0攝氏度,101kpa
0攝氏度=273.15開爾文
平衡狀態時,氣體分子沿各個方向的運動概率相等,則vx2=vy2=vz2=31v2
理想氣體的微觀模型:
1、忽略分子大小
2、除碰撞一瞬間外,分子間作用力忽略不計,分子做自由運動
3、分子與分子之間,分子與容器之間的碰撞爲完全彈性碰撞
p=nμvx2=nμ(31v2)=32n(21μv2)=32nε
分子平均動能爲:ε=21μv2
麥克斯韋速率分佈規律:
f(v)dv=NdN曲線下面積表示該區間的分子數比率
分子速率的三種統計平均值:
1、平均速率:v=∫0∞vf(v)dv=μπ8KT=Mπ8RT
2、方均根速率:v2=N1∫0∞v2dv=∫0∞v2f(v)dv=μ3KT
v2=μ3KT=M3RT
3、最概燃速率:vp=μ2KT=M2RT
溫度的微觀本質:
理想氣體的平均平動動能:ε=21μv2=23KT
溫度是分子熱運動劇烈程度的度量,反映了分子無規則熱運動的劇烈程度
由p=32nε 和 ε=23KT得p=nKT
能量按自由度均分原理:
單原子分子:3個平動自由度
雙原子分子:5個平動自由度
多原子分子:6個平動自由度
溫度爲T的平衡狀態下,在分子的每個自由度上的平均的分配有2KT的能量
理想氣體的內能:
E=2iRT
分子平均碰撞頻率:
Z=2nπd2Mπ8RT
分子的平均自由程:
λ=Zν=2πd2n1=2nd2pKT
熵:
S=KlnΩ
可逆過程:ΔS=0
熵增原理:ΔS≥0
參考資料
[1] https://wenku.baidu.com/view/093e9d3cc850ad02df804110.html 百度文庫 louyc288 2018.6.26
[2]https://zhuanlan.zhihu.com/p/40823585 知乎 linmue-譚祥軍 2018-07-29
[3]https://timgsa.baidu.com/timg?image&quality=80&size=b9999_10000&sec=1591022055237&di=8d82854691e80dcb696f0f7bf9a6cbb3&imgtype=0&src=http%3A%2F%2Fh.hiphotos.baidu.com%2Fzhidao%2Fwh%253D450%252C600%2Fsign%3D424491a3af51f3dec3e7b160a1dedc29%2F6a600c338744ebf8c51e3d56d9f9d72a6059a768.jpg
[4]http://www.51wendang.com/pic/58299afefe74d56f505d26b1/8-810-jpg_6-1080-0-0-1080.jpg
[5]https://timgsa.baidu.com/timg?image&quality=80&size=b9999_10000&sec=1591071656568&di=3a30414ce35726e500703572d455f309&imgtype=0&src=http%3A%2F%2Fe.hiphotos.baidu.com%2Fbaike%2Fs%253D290%2Fsign%3D1a7dd6d87cd98d1072d40b38113eb807%2Fb2de9c82d158ccbf5821f51e19d8bc3eb1354170.jpg
[6]https://ss0.bdstatic.com/70cFuHSh_Q1YnxGkpoWK1HF6hhy/it/u=3124615832,3581950698&fm=26&gp=0.jpg
[7]https://timgsa.baidu.com/timg?image&quality=80&size=b9999_10000&sec=1591073223292&di=989dd08bbc18aeb64419511ca31c6924&imgtype=0&src=http%3A%2F%2Fgss0.baidu.com%2F9fo3dSag_xI4khGko9WTAnF6hhy%2Fzhidao%2Fpic%2Fitem%2F18d8bc3eb13533fa681f635fa8d3fd1f41345b12.jpg
[8]https://ss1.bdstatic.com/70cFvXSh_Q1YnxGkpoWK1HF6hhy/it/u=1135769897,1428545594&fm=26&gp=0.jpg
[9]https://ss2.bdstatic.com/70cFvnSh_Q1YnxGkpoWK1HF6hhy/it/u=2942328315,1350693005&fm=26&gp=0.jpg