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
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1、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、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;
3、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
4、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
5、: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
6、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.
7、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.
8、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
9、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
10、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
11、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
12、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
13、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=5
14、73K,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
15、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.Sh
16、andong 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:d
17、V=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
18、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
19、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
20、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
21、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,
22、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
23、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
24、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
25、 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
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