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第四篇 电磁学（Electromagnetism）3

预备知识——场的概念3

一、物质的两种形态——物质粒子和场3

二、电磁场的描述方法4

第十一章 真空中的静电场（Electrostatic Field in Vacuum）5

第一节 电荷守恒定律 库仑定律5

一、电荷守恒定律5

二、库仑定律7

第二节 电场强度 电场的叠加性8

一、电场强度8

二、电场强度叠加原理8

三、场强的计算9

第三节 电场线 电通量 高斯定理13

一、电场线13

二、电通量14

三、高斯定理16

四、高斯定理的物理意义17

五、应用高斯定理求场强18

第四节 电场力的功 电势22

一、静电场力的功22

二、静电场的环路定理23

三、电势能和电势23

四、电势叠加原理25

五、电势的计算26

第五节 电场强度与电势的关系29

一、等势面29

二、电场强度与电势的微分关系30

思考题1132

练习题1132

第十二章 静电场中的导体和电介质（The Conductor and Dielectric in an Electrostatic Field）35

第一节 静电场中的导体35

一、静电感应 导体的静电平衡35

二、静电平衡时导体上的电荷分布36

三、静电屏蔽39

第二节 静电场中的电介质42

一、电介质的影响42

二、电介质的极化43

第三节 高斯定理在电介质中的表达44

一、电介质中高斯定理的表达式44

二、电介质中高斯定理的应用46

第四节 电容器及其电容47

一、孤立导体的电容47

二、电容器的电容48

三、几种常见电容器49

第五节 静电场的能量53

一、电容器储能53

二、静电场的能量 能量密度54

思考题1256

练习题1257

第十三章 真空中恒定电流的磁场（Magnetic Field of Steady Current in Vacuum）60

第一节 磁现象及其本源60

一、基本磁现象60

二、磁性的本源62

第二节 磁场的高斯定理63

一、磁感应强度B的定义63

二、磁场的高斯定理63

第三节 毕奥-萨伐尔定律66

一、毕奥-萨伐尔定律66

二、运动电荷的磁场67

三、毕奥-萨伐尔定律的应用68

第四节 安培环路定理73

一、安培环路定理73

二、安培环路定理的应用75

第五节 磁场对电流的作用78

一、磁场对运动电荷和载流导线的作用力78

二、磁场对载流线圈的作用81

三、磁力的功84

第六节 带电粒子在磁场中的运动86

一、带电粒子在均匀磁场中的运动 磁聚焦86

二、带电粒子在非均匀磁场中的运动 磁镜 磁约束88

三、霍尔效应89

思考题1391

练习题1391

第十四章 磁场中的磁介质（Magnetic Medium in Magnetic Field）95

第一节 磁介质95

一、磁化现象95

二、介质中的磁场 相对磁导率96

三、磁介质分类97

第二节 顺磁质和抗磁质98

一、分子磁矩和分子环流98

二、顺磁质和抗磁质的磁化机制100

第三节 安培环路定理在介质中的表达101

第四节 铁磁质104

一、铁磁质的磁化规律105

二、铁磁材料106

三、磁畴107

思考题14108

练习题14108

第十五章 变化的电场和磁场 电磁波（Change of the Electric Field and Magnetic Field，Electromagnetic Wave）111

第一节 电磁感应111

一、电磁感应现象111

二、电磁感应定律113

第二节 动生电动势117

一、动生电动势的产生117

二、关于洛伦兹力不做功的问题119

第三节 感生电动势 感生电场123

第四节 自感应和互感应126

一、自感现象 自感系数 自感电动势126

二、互感现象 互感系数 互感电动势129

第五节 磁场的能量131

一、自感磁能131

二、磁场的能量 磁能密度132

第六节 麦克斯韦电磁场理论简介134

一、变化的电场产生磁场134

二、麦克斯韦方程组138

第七节 电磁波简介140

一、电磁波的辐射和传播140

二、电磁波的波动方程142

三、平面电磁波143

四、电磁波谱 电磁波的应用144

思考题15146

练习题15146

第五篇 光学（Geometrical Optics）153

第十六章 几何光学（Geometrical Optics）153

第一节 几何光学的基本定律153

一、反射定律 全反射153

二、折射定律 折射率154

第二节 光的反射成像和折射成像155

一、平面镜成像155

二、球面镜成像156

第三节 薄透镜159

一、薄透镜的基本知识159

二、薄透镜成像公式161

三、常用薄透镜成像规律161

四、几何光学应用163

思考题16169

练习题16169

第十七章 光的干涉（Interference of Light）171

第一节 光源 光波的叠加171

一、光的电磁理论171

二、光波的叠加 光的干涉173

三、光程 光程差与相位差179

第二节 双缝干涉182

一、杨氏双缝182

二、其他分波阵面装置 菲涅耳双镜（双面镜、双棱镜）185

三、洛埃镜与半波损失现象186

第三节 薄膜干涉 薄膜的等倾干涉187

一、薄膜干涉的一般性讨论187

二、薄膜等倾干涉193

第四节 薄膜的等厚干涉195

第五节 迈克耳孙干涉仪200

一、迈克耳孙干涉仪的设计原理200

二、迈克耳孙干涉仪的应用201

思考题17202

练习题17203

第十八章 光的衍射（Diffraction of Light）205

第一节 单缝夫琅禾费衍射205

一、光的衍射现象205

二、惠更斯-菲涅耳原理206

三、单缝夫琅禾费衍射207

第二节 光栅衍射215

一、光栅衍射现象和衍射原理216

二、光栅衍射强度216

三、光栅光谱222

第三节 光学仪器的分辨率223

一、夫琅禾费圆孔衍射223

二、瑞利判据224

三、最小分辨角和仪器的分辨率224

第四节 X射线衍射 布拉格方程226

一、X射线衍射226

二、布拉格方程226

思考题18228

练习题18228

第十九章 光的偏振（Polarization of Light）230

第一节 光的偏振特性230

一、自然光230

二、线偏振光231

三、椭圆偏振光和圆偏振光231

四、起偏与检偏232

五、马吕斯定律232

第二节 反射和折射时光的偏振 布儒斯特定律233

一、布儒斯特定律233

二、玻璃片堆 布儒斯特定律的应用235

第三节 双折射现象236

一、晶体的双折射现象236

二、利用惠更斯原理作图239

三、几种获得线偏振光的棱镜240

第四节 偏振光的干涉241

一、波晶片 椭圆偏振光和圆偏振光241

二、偏振光干涉的原理和计算243

三、物质偏振性的应用245

思考题19248

练习题19249

第六篇 量子物理（Old Quantum Theory）253

第二十章 早期量子论（Old Quantum Theory）253

第一节 黑体辐射 普朗克的量子假设253

一、热辐射253

二、绝对黑体及其辐射实验规律254

三、普朗克的量子假设256

第二节 光电效应257

一、光电效应的实验规律257

二、光的波动学说的缺陷258

三、爱因斯坦光子假设259

第三节 康普顿效应261

一、康普顿散射的实验规律262

二、康普顿效应的量子理论263

三、光的波粒二象性266

第四节 玻尔的氢原子理论266

一、氢原子光谱266

二、经典理论的缺陷267

三、玻尔氢原子理论的基本假设268

四、用玻尔理论解释氢原子光谱269

思考题20270

练习题20270

第二十一章 量子力学基础（Quantum Mechanics Foundation）273

第一节 德布罗意物质波273

一、德布罗意假设273

二、德布罗意波的实验验证274

三、德布罗意波的统计解释276

第二节 不确定度关系277

一、不确定量277

二、不确定度关系278

第三节 波函数 薛定谔方程280

一、波函数280

二、薛定谔方程282

三、定态薛定谔方程283

第四节 一维无限深方势阱中的粒子284

第五节 一维方势垒 隧道效应287

第六节 氢原子的量子力学理论291

一、氢原子的量子化状态291

二、氢原子中电子的几率分布292

三、电子的自旋293

第七节 多电子原子中电子的分布296

思考题21298

练习题21298

第二十二章 激光和固体的量子理论（Laser and Quantum Theory of the Solid State）300

第一节 激光原理300

一、受激吸收 自发辐射和受激辐射300

二、激光产生的条件302

第二节 激光器302

一、红宝石激光器302

二、氦-氖激光器304

三、自由电子激光305

第三节 固体的能带结构307

一、电子共有化与能带的形成307

二、能带中电子的分布308

第四节 电子在能带中的填充和运动309

一、满带、空带和导带309

二、绝缘体 导体和半导体310

第五节 半导体的应用311

一、半导体的掺杂311

二、pn结312

三、半导体器件313

第六节 超导电性315

一、超导电现象315

二、超导的磁性318

三、超导电性的理论解释（BCS理论）322

四、超导电性应用323

思考题22323

练习题22324

参考文献326

附录A327

一、场论基础知识327

二、场论在电磁学中的应用330

附录B334