大学物理17章答案.docx
大学物理第十七章波动光学(二)双缝干涉
3. 菲涅耳双棱镜干涉实验
pM
E
s1
ds
s2
N E`
B
C
4. 菲涅耳双面镜干涉实验
点光源 s
屏
平面镜
M1
A
C
M2
B
4. 菲涅耳双面镜干涉实验
点光源 s
屏
平面镜
s1
M1
A
虚光源
s2
C
M2
B
4. 菲涅耳双面镜干涉实验
xk红
k
D d
红
x(k 1)紫
(k
1)
D d
紫
干涉明暗条纹的位置
由 xk红 = x(k+1)紫 的临界情况可得
k红 (k 1)紫
将 红 = 7600Å， 紫 = 4000Å代入得 k=1.1
因为 k只能取整数，所以应取 k=2
这一结果表明：在中央白色明纹两侧， 只有第一级彩色光谱是清晰可辨的。
当容器未充气时，
测量装置实际上是杨氏
l
·P`
双缝干涉实验装置。其
s1
零级亮纹出现在屏上与 s
p0
S1 、S2 对称的P0点.从
s2
S1 、S2射出的光在此处
相遇时光程差为零。
容器充气后，S1射出的光线经容器时光程要增加， 零级亮纹应在 P0的上方某处P出现，因而整个条纹要向 上移动。
干涉明暗条纹的位置
高等教育大学教学课件 大学物理-波动光学
§17-2 双缝干涉 1. 杨氏双缝实验
托马斯• 杨
杨氏双缝实验
相干光的获得：分波阵面法
大物习题册答案及详解(山东理工大学大二上学期2020版)
4.如图所示，一点电荷q位于正立方体的A角上，则通过侧面abcd的电通量Φe=q/24ε0
考点: 高斯定理公式 （课本118页 6-18） 解法：1.建立一正方体高斯面（补7个如图正方体），使A点位于正中心
考点:电势是一个与引进电荷无关，完全由电场自身的性质和相对位置决定的物理量。电场中某点电势的大小与零 电势点的选取有关。
2.在边长为a的正方体中心处放置一电量为Q的点电荷，设无穷远处为电势零点，则在一个侧面的中心处的电势为
（B）
（A）Q/4πε0a
（B）Q/2πε0a
（C）Q/πε0a
（D）Q/2√2πε0a
q/(1/r-1/r0)/4πε0
考点：电势的计算
解法：U=∫
r0 r
E·dr
=∫
r0 qdr r 4πε0r
2
=q/(1/r-1/r0)/4πε0
（课本122页
6-29b）
பைடு நூலகம்
3.一质量为m、电量为q的小球，在电_场__力__作__用下，从电势为U的a点移动到电势为零的b点，若已知小球在b点的 速率为Vb，则小球在a点的速率Va=√Vb2-2qU/m
②均匀带电球面内的电势UP2=Q/4πε0R（课本123页例6-8结论得）， ③UP=UP1+UP2.
6.在带电量为-Q的点电荷A的静电场中，将另一带电量为q的点电荷B从a点移到b点，a、b两点距离点电荷A的距 离分别为r1和r2，如图所示，则移动过程中电场力做的功为（C） （A）-Q（1/r1-1/r2)/4πε0 （B）qQ（1/r1-1/r2)/4πε0 （C）-qQ（1/r1-1/r2)/4πε0 （D）-qQ/4πε0（r2-r1) 考点：电场力的功 解法：Aeab=q（UA-UB）=q(-Q/4πε0r1— -Q/4πε0r2）=-qQ（1/r1-1/r2)/4πε0 （课本123页 6-31）
大学物理实验智慧树知到课后章节答案2023年下哈尔滨工业大学
大学物理实验智慧树知到课后章节答案2023年下哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学第一章测试1.下列四个实验结果的表示方法中，错误的是（）。
A: B: C:D:答案:2.随机误差具有如下所列的哪些特点（）。
A:抵偿性 B:无界性 C:单峰性 D:对称性答案:抵偿性;单峰性;对称性3.在大学物理实验课程中，系统误差的主要来源包括：（）。
A:理论推导中的近似 B:实验仪器或实验装置 C:实验者或环境因素 D:实验方法答案:理论推导中的近似;实验仪器或实验装置;实验者或环境因素;实验方法4.某位同学测量得到某一长度量的测量结果表示为L=10.5680.36 mm。
请判断这个结果表示的对或错。
（）A:对 B:错答案:错第二章测试1.本实验中涉及多个不同量级的长度量的测量，同学们要学会根据测量对象的不同来选择适当的测量仪器。
比如，本实验中用于测量钢丝直径的，用于测量钢丝原长的，用于测量光杠杆臂长的分别是（）。
A:米尺 B:光杠杆 C:钢板尺 D:千分尺答案:米尺;光杠杆;钢板尺2.本实验中，如果初始时望远镜中看到的刻度靠近直尺的下端，则应该调节使之靠近直尺上端。
（）A:对 B:错答案:对第三章测试1.电桥灵敏度越高，待测电阻的测量结果越准确。
提高电桥灵敏度的主要方法有（）。
A:尽量减小导线的接触电阻 B:选用灵敏度高、内阻低的检流计 C:四个桥臂电阻的阻值要尽量均衡配置 D:在桥臂电阻的额定功率容许的情况下，适当提高电源电压答案:尽量减小导线的接触电阻;选用灵敏度高、内阻低的检流计;四个桥臂电阻的阻值要尽量均衡配置;在桥臂电阻的额定功率容许的情况下，适当提高电源电压2.本实验中，要先在低灵敏度下粗调电桥平衡，然后再提高灵敏度细调电桥平衡。
（）A:对 B:错答案:对第四章测试1.本实验中，产生误差的主要原因有（）。
A:温控过程中的波动 B:在本实验的温控范围内，金属或合金材料的电阻阻值不是严格地线性变化 C:测量仪器引起的误差 D:导线的接触电阻答案:温控过程中的波动;测量仪器引起的误差;导线的接触电阻2.本实验中电源使用的是直流稳压电源，不能用干电池代替。
大学物理下第17章习题详解
第17章习题解答【17-1】解 首先写出S 点的振动方程若选向上为正方向，则有：－=0 21cos 0-=ϕ 0=－A sin 0>0， sin 0<0即 πϕ320-= 初始位相 πϕ320-= 则 m t y s )32cos(02.0πω-= 再建立如图题17-1（a ）所示坐标系，坐标原点选在S 点，沿x 轴正向取任一P 点，该点振动位相将落后于S 点，滞后时间为：ux t =∆ 则该波的波动方程为：m u x t y ⎥⎦⎤⎢⎣⎡--=πω32)(cos 02.0 若坐标原点不选在S 点，如图题17-1（b ）所示，P 点仍选在S 点右方，则P 点振动落后于S 点的时间为：uL x t -=∆ 则该波的波动方程为：m u L x t y ⎥⎦⎤⎢⎣⎡---=πω32)(cos 02.0 若P 点选在S 点左侧，如图题17-1（c ）所示，则m u L x t y ⎥⎦⎤⎢⎣⎡--+=πω32)(cos 02.0 【17-2】解（1）由图题17-2可知，波长 =0.8m振幅 A=0.5m频率 Hz Hz u v 1258.0100===λ 周期 s vT 31081-⨯== （2）平面简谐波标准动方程为：⎥⎦⎤⎢⎣⎡+-=ϕω)(cos u x t A y 由图可知，当t=0，x=0时，y=A=，故=0。
将A 、(v)、u 、代入波动方程，得： m x t y ⎥⎦⎤⎢⎣⎡-=)100(250cos 5.0π 【17-3】解 （1）由图题17-3可知，对于O 点，t=0时，y=0，故2πϕ±= 再由该列波的传播方向可知，0<0取 2πϕ= 由图题17-3可知，m OP 40.0==λ，且u=0.08m/s ，则s rrad s rad uv /52/40.008.0222ππλππω==== 可得O 点振动表达式为：m t y )252cos(04.00ππ+= （2）已知该波沿x 轴正方向传播，u=0.08m/s ，以及O 点振动表达式，波动方程为： m x t y ⎥⎦⎤⎢⎣⎡+-=2)08.0(52cos 04.0ππ （3）将x==代入上式，即为P 点振动方程：m t y p ⎥⎦⎤⎢⎣⎡-=ππ3252cos 04.0 （4）图题17-3中虚线为下一时刻波形，由图可知，a 点向下运动，b 点向上运动。
大学物理下17章习题参考答案中国石油大学
17章习题参考答案17-3 如图所示，通过回路的磁场与线圈平面垂直且指出纸里，磁通量按如下规律变化()Wb 1017632-⨯++=Φt t式中t 的单位为s 。
问s 0.2=t 时，回路中感应电动势的大小是多少? R 上的电流方向如何?[解] ()310712d d -⨯+=Φ-=t tε ()23101.3107212--⨯=⨯+⨯=V根据楞次定律，R 上的电流从左向右。
17-4如图所示，两个半径分别为R 和r 的同轴圆形线圈，相距x ，且，R >>r ，x >>R 。
若大线圈有电流I 而小线圈沿x 轴方向以速度v 运动。
试求x =NR 时(N >0)，小线圈中产生的感应电动势的大小。
[解] 因R>>r 可将通过小线圈的B 视为相等，等于在轴线上的B()2322202xR IR B +=μ由于x >>R ，有 3202x IR B μ=所以 t xxIS R t d d 32d d 420μ=Φ-=ε 而v t x=d d 因此 x =NR 时， 242023R N v r I πμ=ε17-5 如图所示，半径为R 的导体圆盘，它的轴线与外磁场平行，并以角速度ω转动(称为法拉第发电机)。
求盘边缘与中心之间的电势差，何处电势高?当R ＝0.15m ，B =0.60T ，rad 30=ω时，U 等于多大?[解] 圆盘可看成无数由中心向外的导线构成的，每个导线切割磁力线运动且并联，因此有2021d d )(BR r rB R L ωω==⋅⨯=⎰⎰l B v 感ε因电动势大于零，且积分方向由圆心至边缘，所以边缘处电位高(或由右手定则判断)代入数据得201506030212...=⨯⨯⨯==εU V 17-6 一长直导线载有电流强度I =5.0A 的直流电，在近旁有一与它共面的矩形线圈，线圈长l ＝20cm ，宽a =10cm ，共1000匝，如图所示。
大学物理习题答案第十七章
[习题解答]17-5 将20g的氦气分别按照下面的过程，从17℃升至27℃，试分别求出在这些过程中气体系统内能的变化、吸收的热量和外界对系统作的功：(1)保持体积不变；(2)保持压强不变；(3)不与外界交换热量。
设氦气可看作理想气体，且。
解(1)保持体积不变：外界对系统不作功,系统内能的变化为,吸收的热量为.这表示，在系统体积不变的情况下，外界对系统不作功，系统从外界获得的热量全部用于内能的增加。
(2)保持压强不变：,系统内能的变化,外界对系统作功.这表示，在系统保持压强不变的情况下，系统从外界获得的热量，一部分用于增加系统的内能，另一部分用于系统对外界作功。
(3)不与外界交换热量，即绝热过程：吸收的热量,系统内能的变化,外界对系统作功.这表示，在绝热条件下，系统与外界无热量交换，外界对系统所作的功全部用于内能的增加。
17-6 把标准状态下的14 g氮气压缩至原来体积的一半，试分别求出在下列过程中气体内能的变化、传递的热量和外界对系统作的功：(2)绝热过程；(3)等压过程。
设氮气可看作为理想气体，且。
解(1)等温压缩过程：外界对系统所作的功;在等温过程中系统内能不变;传递的热量：根据热力学第一定律，有.这表示，在等温过程中，系统内能不变，外界对系统所作的功全部以热量的形式释放到外界。
(2)绝热压缩过程：;,根据绝热方程,,其中,所以;外界对系统所作的功.这表示，在绝热压缩过程中，外界对系统所作的功，全部用于系统内能的增加。
(3)等压过程：根据物态方程，在初态和末态分别有,,两式相除，得或 ,所以.内能的增加为;系统获得的热量为;外界对系统所作的功为.这表示，在等压过程中，系统向外界释放热量，此热量来自于外界对系统所作的功和自身内能的减小。
17-7 在标准状态下的16 g氧气经过一绝热过程对外界作功80 J。
求末态的压强、体积和温度。
设氧气为理想气体，且，。
解系统对外界作功80 J，即,在绝热过程中系统与外界无热量交换，所以,根据热力学第一定律,这表示，在绝热过程中系统降低自身的内能而对外界作功。
大学物理答案第17章
第十七章 光的衍射17－1 波长为700nm 的红光正入射到一单缝上，缝后置一透镜，焦距为0.70m ，在透镜焦距处放一屏，若屏上呈现的中央明条纹的宽度为2mm ，问该缝的宽度是多少？假定用另一种光照射后，测得中央明条纹的宽度为1.5mm ，求该光的波长。
解：单缝衍射中央明条纹的宽度为afx λ2=∆m xf a 739109.4102107007.022---⨯=⨯⨯⨯⨯=∆=λfx a2∆=λ代入数据得 nm 5257.02105.1109.437=⨯⨯⨯=--λ17－2一单缝用波长为λ1和λ2的光照明，若λ1的第一级衍射极小与λ2的第二级衍射极小重合。
问（1）这两种波长的关系如何？（2）所形成的衍射图样中是否还有其它极小重合？ 解：（1）单缝衍射极小条件为λθk a =sin依题意有 212λλ= （2）依题意有11sin λθk a = 22sin λθk a =因为212λλ=，所以得所形成的衍射图样中还有其它极小重合的条件为212k k =17－3 有一单缝，缝宽为0.1mm ，在缝后放一焦距为50cm 的汇聚透镜，用波长为546.1nm 的平行光垂直照射单缝，试求位于透镜焦平面处屏上中央明纹的宽度。
解：单缝衍射中央明条纹的宽度为af x λ2=∆代入数据得mm x 461.5101.0101.54610502392=⨯⨯⨯⨯=∆---17－4 用波长为632.8nm 的激光垂直照射单缝时，其夫琅禾费衍射图样第一极小与单缝法线的夹角为50，试求该缝宽。
解：单缝衍射极小的条件λθk a =sin依题意有m a μλ26.70872.0108.6325sin 9=⨯==-17－5 波长为20m 的海面波垂直进入宽50m 的港口。
在港内海面上衍射波的中央波束的角宽是多少？解：单缝衍射极小条件为λθk a =sin依题意有 0115.234.0sin52sin20sin 50===→=--θθ中央波束的角宽为0475.2322=⨯=θ17－6 一单色平行光垂直入射一单缝，其衍射第3级明纹位置恰与波长为600nm 的单色光垂直入射该缝时衍射的第2级明纹位置重合，试求该单色光的波长。
大学物理17章答案
第17章 量子物理基础17.1 根据玻尔理论，计算氢原子在n = 5的轨道上的动量矩与其在第一激发态轨道上的动量矩之比．[解答]玻尔的轨道角动量量子化假设认为电子绕核动转的轨道角动量为2π==n n hL mvr n ，对于第一激发态，n = 2，所以L 5/L 2 = 5/2．17.2设有原子核外的3p 态电子，试列出其可能性的四个量子数．[解答] 对于3p 态电子，主量子数为n = 3，角量子数为 l = 1，磁量子数为 m l = -l , -(l - 1), …, l -1, l ，自旋量子数为 m s = ±1/2．3p 态电子的四个可能的量子数(n ,l ,m l ,m s )为(3,1,1,1/2)，(3,1,1,-1/2)，(3,1,0,1/2)，(3,1,0,-1/2)，(3,1,-1,1/2)，(3,1,-1,-1/2) ．17.3 实验表明，黑体辐射实验曲线的峰值波长λm 和黑体温度的乘积为一常数，即λm T = b = 2.897×10-3m·K ．实验测得太阳辐射波谱的峰值波长λm = 510nm ，设太阳可近似看作黑体，试估算太阳表面的温度．[解答]太阳表面的温度大约为392.8971051010λ--⨯==⨯m b T = 5680(K)．17.4 实验表明，黑体辐射曲线和水平坐标轴所围成的面积M （即单位时间内从黑体单位表面上辐射出去的电磁波总能量，称总辐射度）与温度的4次方成正比，即M = σT 4，其中σ =5.67×10-8W·m -2·K -4．试由此估算太阳单位表面积的辐射功率（太阳表面温度可参见上题）．[解答]太阳单位表面积的辐射功率大约为M = 5.67×10-8×(5680)4 = 5.9×107(W·m -2)．17.5宇宙大爆炸遗留在宇宙空间的均匀背景辐射相当于3K 黑体辐射．求：（1）此辐射的单色辐射强度在什么波长下有极大值？（2）地球表面接收此辐射的功率是多少？[解答]（1）根据公式λm T = b ，可得辐射的极值波长为λm = b/T = 2.897×10-3/3 = 9.66×10-4(m)．（2）地球的半径约为R = 6.371×106m ，表面积为 S = 4πR 2．根据公式：黑体表面在单位时间，单位面积上辐射的能量为 M = σT 4，因此地球表面接收此辐射的功率是P = MS = 5.67×10-8×34×4π(6.371×106)2= 2.34×109(W)．17.6 铝表面电子的逸出功为6.72×10-19J，今有波长为λ = 2.0×10-7m 的光投射到铝表面上．试求：（1）由此产生的光电子的最大初动能；（2）遏止电势差；（3）铝的红限波长．[解答]（1）光子的能量为E = hν = hc/λ，根据爱因斯坦光电效应方程hν = E k + A，产生的光电子的最大初动能为E k= hν - A= 6.63×10-34×3×108/2.0×10-7-6.72×10-19= 3.23×10-19(J)．（2）遏止电势差的公式为eU s = E k，遏止电势差为U s = E k/e = 3.23×10-19/1.6×10-19=2.0(V)．（3）铝的红限频率为ν0= A/h，红限波长为λ0= c/ν0= hc/A= 6.63×10-34×3×108/6.72×10-19= 2.96×10-7(m)．17.7 康普顿散射中入射X射线的波长是λ = 0.70×10-10m，散射的X 射线与入射的X射线垂直．求：（1）反冲电子的动能E K ；（2）散射X 射线的波长；（3）反冲电子的运动方向与入射X 射线间的夹角θ．[解答]（1）（2）根据康普顿散射公式得波长变化为21222sin 2 2.42610sin 24ϕπλΛ-∆==⨯⨯= 2.426×10-12(m)，散射线的波长为λ` = λ + Δλ = 0.72426×10-10(m)．反冲电子的动能为`k hchcE λλ=-34834810106.6310310 6.63103100.7100.7242610----⨯⨯⨯⨯⨯⨯=-⨯⨯= 9.52×10-17(J)．（3）由于 /`tan /`hc hc λλθλλ==，0.70.96650.72426==，所以夹角为θ = 44°1`．17.8 求波长分别为λ1 = 7.0×10-7m 的红光；λ2 = 0.25×10-10m 的X 射线的能量、动量和质量．[解答]X 射线的能量为E = h ν = hc/λ，动量为 p = h/λ；由E = hc/λ = mc 2，得其质量为m = h/cλ．对于红光来说，能量为348176.6310310710E --⨯⨯⨯=⨯= 2.84×10-19(J)，动量为34176.6310710p --⨯=⨯= 9.47×10-25(kg·m·s -1)，质量为341876.6310310710m --⨯=⨯⨯⨯= 3.16×10-36(kg)．对于X 射线来说，能量为3482106.63103100.2510E --⨯⨯⨯=⨯= 7.956×10-15(J)，动量为342106.63100.2510p --⨯=⨯= 2.652×10-23(kg·m·s -1)，质量为3428106.63103100.2510m --⨯=⨯⨯⨯= 8.84×10-32(kg)．17.9 处于第四激发态上的大量氢原子，最多可发射几个线系，共几条谱线？那一条波长最长．[解答]第四激发态的氢原子处于第5个能级，最多可发射四个线系．（1）能级5到4，1条谱线；（2）能级5和4到3，2条谱线；（3）能级5、4和3到2，3条谱线；（3）能级5、4、3和2到1，4条谱线．共10条谱线．从能级5跃迁到4发射的光谱频率最小，波长最长．17.10 设氢原子中电子从n = 2的状态被电离出去，需要多少能量．[解答]氢原子能级公式为4222018n me E h n ε=-，当n =1时，基态能级的能量为412208me E h ε=-≈-2.18×10-18(J) = -13.6(eV)，因此 12n E E n =．当电子从n 能级跃迁到m 能级时放出（正）或吸收（负）光子的能量为12211()n m E E E E n m ∆=-=-．电离时，m 趋于无穷大．当电子从n = 2的能级电离时要吸收能量 221113.6()2E ∆=--∞= -3.4(eV)，因此需要3.4eV 的能量．17.11 质量为m 的卫星，在半径为r 的轨道上环绕地球运动，线速度为v ．（1）假定玻尔氢原子理论中关于轨道角动量的条件对于地球卫星同样成立．证明地球卫星的轨道半径与量子数的平方成正比，即r = Kn 2，（式中K 是比例常数）；（2）应用（1）的结果求卫星轨道和下一个“容许”轨道间的距离，由此进一步说明在宏观问题中轨道半径实验上可认为是连续变化的（利用以下数据作估算：普朗克常数h = 6.63×10-34J·s ，地球质量M = 6×1024kg ，地球半径R = 6.4×103km ，万有引力常数G =6.7×10-11N·m 2·kg -2．[解答]（1）卫星绕地球运动的向心力是万有引力22Mm mv G r r =；根据玻尔理论，角动量为mvr = nh /2π．将前式乘以mr 3得2222()()4nh GMm r mvr π==，所以 222224h n r Kn GMm π==，即：卫星的轨道半径与量子数的平方成正比．（2）假设卫星质量m = 100kg ，比例系数为2224h K GMm π=342211242(6.6310)4 6.710610(100)π--⨯=⨯⨯⨯⨯⨯ = 2.77×10-87．可见：比例系数很小．当r = R 时，地球表面的量子数为460 4.810n ⨯．可见：地球表面处的量子数很大．地面以上的量子数设为n `，(n` = 1,2,3,…)，则总量子数可表示为两个量子数之和：n =n 0 + n`．轨道间的距离为Δr = K [(n 0 + n` + 1)2 - (n 0 + n`)2]= K [2(n 0 + n`) + 1]．由于n 0>>1，所以Δr = 2Kn 0 + 2Kn`．设n` = kn 0，即：取地面以上的量子数为地球表面量子数的倍数，有n = (k + 1)n 0，则r = Kn 02(k + 1)2，Δr = 2Kn 0(k + 1) = 2.66×10-40(k + 1)．这说明：当地面以上的量子数按k + 1成倍地增加时，半径将按k + 1的平方的规律增加，而轨道之间的距离只按k + 1的一次方的规律增加；由于Δr 的系数很小，所以轨道间距是非常非常小的，因此可认为轨道半径是连续变化的．17.12 电子和光子各具有波长2.0×10-10m ，它们的动量和总能量各是多少？[解答]它们的动量都为34106.6310210h p λ--⨯==⨯= 3.315×10-24(kg·m·s -1)．根据公式E 2 = p 2c 2 + m 02c 4，电子的总能量为E ==3×108×[(3.315×10-24)2+ (9.1×10-31×3×108)2]1/2=8.19×10-14(J)．光子的静止质量为零，总能量为E = cp= 3×108×3.315×10-24 = 9.945×10-16(J)．17.13 室温下的中子称为热中子T = 300K ，试计算热中子的平均德布罗意波长．[解答]中子热运动的平均速度为=v其中k为玻尔兹曼常数k= 1.38×10-23J·K-1，m p是电子的质量m p= 1.675×10-27kg，可得平均速度为v= 2.509×104(m·s-1)，平均动量为=np m v= 4.2×10-27(kg·m·s-1)．平均德布罗意波长为/λ=h p= 1.58×10-10(m) = 0.158(nm)．17.14 一束动量是p的电子，通过缝宽为a的狭缝，在距离狭缝为R 处放置一屏，屏上电子衍射图样中央最大的宽度是多少？[解答]根据动量和位置的不确定关系Δp x·Δx≧h，其中位置不确定量为Δx = a，动量的不确定量为Δp x = p sinθ．设电子衍射图样的中央最大半宽度为w，则sinθ = w/R，可得wp a hR⋅≥，宽度为22hRwpa≥．[注意]如果将h改为ћ/2，则宽度为2w≧ћR/pa．两者相差很小．17.15 一宽度为a的一维无限深势阱，试用不确定关系估算阱中质量为m的粒子最低能量为多少？[解答]粒子坐标的不确定范围是Δx ≦a ，动量的不确定范围是Δp ≧h /Δx ≧h /a ．这也就是动量p 的范围．因此能量为E = p 2/2m ≧ h 2/2ma 2，最低能量可估计为E min = h 2/2ma 2．17.16 设有一宽度为a 的一维无限深势阱，粒子处于第一激发态，求在x = 0至x = a /3之间找到粒子的几率？[解答]粒子在一维无限深势阱中的定态波函数为(0)(),(1,2,3,...)πψ≤≤==n x a n x x n a ，Ψ(x ) = 0，(x < 0，x > a )．当粒子处于第一激发态时，n = 2，在x = 0至x = a /3之间被发现的几率为/3220|()|d ψ⎰a x x /32022sin d π=⎰a x x a a23== 0.391．17.17 设粒子在宽度为a 的一维无限深势阱运动时，其德布罗意波在阱内形成驻波，试利用这一关系导出粒子在阱中的能量计算式．[解答]当粒子在势阱中形成稳定驻波时，势阱宽度必然为半波长的整数倍，即n (λ/2) = a ，(n = 1,2,3,…)．根据德布罗意假设 λ = h/p ，可得粒子的动量为2λ==h nhp a 能量为 222228==p h E n m ma ．17.18假定对某个粒子动量的测定可精确到千分之一，试确定这个粒子位置的最小不确定量．（1）该粒子质量为5×10-3kg ，以2m·s -1的速度运动；（2）该粒子是速度为1.8×108m·s -1的电子．[解答]粒子的动量为 p = mv ，动量的不确定量为 Δp = p /1000，根据动量和位置的不确定关系Δp ·Δx ≧ћ/2，位置的不确定量为 Δx = ћ/2Δp ．（1）100024h x p mv π∆≥=∆h3431000 6.631045102-⨯⨯=π⨯⨯⨯= 5.276×10-30(m)．（2）100024h x p mv π∆≥=∆h343181000 6.631049.110 1.810--⨯⨯=π⨯⨯⨯⨯= 3.22×10-10(m)．17.19设有某线性谐振子处于第一激发态，其波函数为2221ψ-=a x ．式中a =，k 为常数，则该谐振子在何处出现的概率最大？[解答]第一激发态的概率为22221||a xw e ψ-==，对x 求导得222222d (2)]d a x a x w xe x a x e t --=+-2222(1)a xx x a e -=-，令d w /d t = 0，得概率最大的位置为x = ±1/a ．17.20一维运动的粒子，处于如下的波函数所描述的状态,(0);()0,(0).x Axe x x x λψ-⎧>=⎨<⎩式中λ > 0，A 为常数．（1）将此波函数归一化；（2）求粒子位置的概率分布函数；（3）粒子在在何处出现的概率最大？[解答]（1）归一化得222201||d d x x A xe x λψ∞∞--∞==⎰⎰ 22201d 2x A x e λλ∞--=⎰2222001{2d }2x x A x e xe x λλλ∞∞---=-⎰222012()d 2xA x e λλ∞--=-⎰ 22220012(){d }2xx A xe e x λλλ∞∞---=--⎰22323012()24xA A e λλλ∞--==，所以A =2λ3/2 ．归一化波函数为3/22,(0);()0,(0).x xe x x x λλψ-⎧>=⎨<⎩（[注]利用Γ函数的性质可简化积分过程．10()d n x n x e x∞--Γ=⎰，当n 为整数时，Γ(n ) = (n - 1)!．设y = 2λx ，则d x = d y /2λ，可得22331001d ()d 2x y x ex y e y λλ∞∞---=⎰⎰ 3311()(3)2()22λλ=Γ=，可以得出同一结果．）（2）粒子坐标的几率分布函数为32224,(0);()|()|0,(0).x x e x w x x x λλψ-⎧>==⎨<⎩（3）利用上一题的方法求导可得几率最大的位置为x = 1/λ．17.21 设有某一维势场如下：0,(0);,(0,).≤≤⎧=⎨<>⎩x LVV x x L该势场可称为有限高势阱，设粒子能量E < V0，求E所满足的关系式．[解答]粒子运动的薛定谔方程为222()0mE Vψψ∇+-=h．在三个区域的方程为210122d2()0,(0);dmE V xxψψ+-=<h22222d20,(0);dmE x Lxψψ+=<<h230322d2()0,().dmE V x Lxψψ+-=>h设1k=h，2k=h，则得221112d0,(0);dk xxψψ-=<（1）222222d0,(0);dk x Lxψψ+=<<（2）223132d0,().dk x Lxψψ-=>（3）方程的通解为ψ1(x) = A1exp(k1x) + B1exp(-k1x),(x<0);（4）ψ2(x ) = A 2cos(k 2x ) + B 2sin(k 2x ),(0<x <L );（5）ψ3(x) = A 3exp(k 1x ) + B 3exp(-k 1x ),(x >L )．（6）当x →-∞时，ψ1有限，所以B 1 = 0；当x →∞时，ψ3有限，所以A 3 = 0．当x = 0时，ψ1(0) = ψ2(0)，可得A 1 = A 2； （7）同时ψ1`(0) = ψ2`(0)，可得k 1A 1 = k 2B 2． （8）当x = L 时，ψ2(L ) = ψ3(L )，ψ2`(L ) = ψ3`(L )，可得A 2cos k 2L +B 2sin k 2L = B 3exp(-k 1L )；（9）-k 2A 2sin k 2L + k 2B 2cos k 2L = -k 1B 3exp(-k 1L )(10)将（9）乘以k 1加（10）得k 1A 2cos k 2L + k 1B 2sin k 2L-k 2A 2sin k 2L + k 2B 2cos k 2L = 0．即 (k 1A 2 + k 2B 2)cos k 2L = (k 2A 2 - k 1B 2)sin k 2L ，亦 122222212t a n k A k B k L k A k B +=-． （11）由（7）和（8）得k 1A 2 = k 2B 2，即 B 2 = k 1A 2/k 2， （12）（12）代入（11）式得12222212tan kk k L k k =-，即0t a n =h （13）这就是总能量满足的关系式．17.22 原子内电子的量子态由n 、l 、m l 、m s 四个量子数表征，当n 、l 、m l 一定时，不同的量子态数目为多少？当n 、l 一定时，不同量子态数目为多少？当n 一定时，不同量子态数目为多少？[解答]当n 、l 、m l 一定时，m s 只取两个值，所以量子态数目为2． 当n 、l 一定时，m l 有(2l + 1)种不同取值，所以量子态数目为2(2l + 1)．当n 一定时，l 从0到(n - 1)共有n 种不同取值，量子态数目为1110002(21)421n n n l l l l l ---===+=+∑∑∑2(1)4222n n n n -=⨯+=．。
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第17章量子物理基础17.1根据玻尔理论，计算氢原子在斤=5的轨道上的动量矩与其在第一激发态轨道上的动量矩之比.［解答］玻尔的轨道角动量量子化假设认为电子绕核动转的轨道角动量为L =mvr =n —N2TC ,对于第一激发态，n = 2,所以厶仏2 = 5/2・17.2设有原子核外的3p态电子，试列出其可能性的四个量子数.［解答］对于3p态电子,主量子数为n = 3,角量子数为/=1,磁量子数为mi = - 1), I -1,自旋量子数为m s = ±1/2.3p态电子的四个可能的量子数(斤丿,叫叫)为(3，1 丄1/2), (3,1,1,・ 1/2), (3丄0，1/2), (3,1,0,-1/2)，(3,1,・1，1/2), (3,1,-1,-1 ⑵.17.3实验表明，黑体辐射实验曲线的峰值波长九和黑体温度的乘积为一常数，即入』=b = 2.897xl(y3m・K・实验测得太阳辐射波谱的峰值波长九= 510nm,设太阳可近似看作黑体，试估算太阳表面的温度.［解答］太阳表面的温度大约为T_ b _ 2.897X10-3~ 510x10—9 =5680(K)・17.4实验表明，黑体辐射曲线和水平坐标轴所围成的面积M (即单位时间内从黑体单位表面上辐射出去的电磁波总能量，称总辐射度) 与温度的4次方成正比，即必=〃,其中^=5.67xl0-8W m_2 K-4.试由此估算太阳单位表面积的辐射功率(太阳表面温度可参见上题).［解答］太阳单位表面积的辐射功率大约为A/=5.67xl0-8x(5680)4 = 5.9xl07(W-m-2)・17.5宇宙大爆炸遗留在宇宙空间的均匀背景辐射相当于3K黑体辐射.求：(1)此辐射的单色辐射强度在什么波长下有极大值？(2)地球表面接收此辐射的功率是多少？［解答］(1)根据公式UT=b,可得辐射的极值波长为九=b/T= 2.897X10_3/3 = 9.66x104(m).(2)地球的半径约为7? = 6.371x10%,表面积为 5 = 47T T?2.根据公式：黑体表面在单位时间，单位面积上辐射的能量为M = al4,因此地球表面接收此辐射的功率是P = MS= 5.67x 1 (T8x34x4 兀(6.371 x 106)2=2.34X109(W).17.6铝表面电子的逸出功为6.72X1049J,今有波长为久=2.0x10_7m 的光投射到铝表面上•试求：(1)由此产生的光电子的最大初动能；(2)遏止电势差；(3)铝的红限波长.［解答］(1)光子的能量为E = hv = hc/L根据爱因斯坦光电效应方程hv = E k + A,产生的光电子的最大初动能为= hv - A=6.63 x 10_34x3 x 1 08/2.0X 10'7-6.72x IO-19=3.23X10_,9(J)・(2)遏止电势差的公式为eU s = E k,遏止电势差为=£^=3.23X1019/1.6X1019=2.0(V).(3)铝的红限频率为w = A/h,红限波长为Zo = c/vo = hc/A=6.63X10-34X3X108/6.72X10-19=2.96x10"(m)・17.7康普顿散射中入射X射线的波长是久=0.70x1 O lo m,散射的X 射线与入射的X射线垂直.求：(1)反冲电子的动能E K；(2)散射X射线的波长；(3)反冲电子的运动方向与入射X射线间的夹角&・［解答］(1) (2)根据康普顿散射公式得波长变化为△2 = 2力sit?纟=2x2.426xl0-12 sin2 -2 4= 2.426xl0_12(m),散射线的波长为厂=2 + AA = 0.72426x10_lo(m).反冲电子的动能为_ he heA■- A 久'6.63X10~34X3X108 6.63X1034X3X108一0.7x10」。
0.72426x10"10=9.52X1017(J)・卜、\(3)由于\ S,\h/Xtan —泄出he/A 久、，Eg所以夹角为0 = 44。
1'・的X射线17.8 求波长分别为21 = 7.0x10-7m 的红光;A2 = 0.25x1010的能量、动量和质量.［解答］X射线的能量为E = hv = hc/L动量为p = h/X；=9.47x10_25(kgms _1),质量为_ 6.63x10心"-3X 108X 7X 10-7 =3.16x10小(kg)・对于X 射线来说，能量为6.63x10 心 x3xl0*2 _ O.25X1O -10= 7.956X 10_I5(J),动量为二 6.63x1074P ~ 一 0.25x10」。
= 2.652xl0-23(kgm-s _1),质量为 6.63x10亠 m 2 =_3xlO s xO.25xlO -10=& 84xW 32(kg). 由E = hc/X = me 2,得其质量为 m = h/c^.对于红光来说，能量为 _ 6.63x10^x3x10" ,= 頑肓= 2.84x10%),动量为Pi =6.63 xl0~34 7xl0-717.9处于第四激发态上的大量氢原子，最多可发射几个线系，共几条谱线？那一条波长最长.［解答］第四激发态的氢原子处于第5个能级，最多可发射四个线系.(1)能级5到4, 1条谱线；(2)能级5和4到3, 2条谱线；(3)能级5、4和3到2, 3条谱线;(3)能级5、4、3和2至lj 1, 4条谱线.共10条谱线.从能级5跃迁到4发射的光谱频率最小，波长最长.17.10设氢原子中电子从n = 2的状态被电离出去，需要多少能量.［解答］氢原子能级公式为4 1_ me 1当斤=1时，基态能级的能量为_ 心41一一硕~-2.18xlO“8(J) = ・13.6(eV),E丄因此「2 .当电子从〃能级跃迁到加能级时放出(正)或吸收(负)光子的能量为电离时，加趋于无穷大.当电子从77 = 2的能级电离时要吸收能量因此需要3.4eV 的能量.17.11质量为加的卫星，在半径为厂的轨道上环绕地球运动，线速度 为几(1) 假定玻尔氢原子理论中关于轨道角动量的条件对于地球卫 星同样成立•证明地球卫星的轨道半径与量子数的平方成正比，即r = Kn 2,(式中K 是比例常数)；(2) 应用(1)的结果求卫星轨道和下一个“容许”轨道间的距 离，由此进一步说明在宏观问题中轨道半径实验上可认为是连续变化 的(利用以下数据作估算：普朗克常数/7 = 6.63X 10-34J S ,地球质量M =6xl024kg,地球半径7? = 6.4xl03km,万有引力常数G = 6.7xlO-H N-m 2-kg 2 ・［解答］(1)卫星绕地球运动的向心力是万有引力 根据玻尔理论，角动量为mvr = nh/lTi.将前式乘以加/得(：2 \)m— 3.6(芥占-3.4(eV),所以 4;r 2GMm 2 ~ U ,即：卫星的轨道半径与量子数的平方成正比.(2)假设卫星质量m = 100kg,比例系数为4;r 2GMm 2= _________ (6.63xl(T")2 ___________-4^2X 6.7X 10_11X 6X 1024X (100)2= 2.77x10 旳.可见：比例系数很小.当r = R 吋，地球表面的量子数为仏二如K =4.8x10".可见：地球表面处的量子数很大.地面以上的量子数设为(〃、=1,2,3,・・.)，则总量子数可表示为 两个量子数之和：n=n^n ・轨道间的距离为Ar = K[(〃o + 72 ' + 1 )2 ・ So + 72 ')2]= K[2(〃o + 〃')+ 1].rh 于 n()»l,所以心=2Kn()+ 2Kn '・设n 、= g 即：取地面以上的量子数为地球表面量子数的倍数, 有〃=伙+ I)%’贝!Ir = (k + l)2,Ar = 2Kn Q (k + 1) = 2.66x10-40^ + 1). 0 • V. O GMm~r - _ (nh)24^2这说明：当地面以上的量子数按k+1成倍地增加时，半径将按k+ 1的平方的规律增加，而轨道之间的距离只按丘+1的一次方的规律增加；由于△厂的系数很小，所以轨道间距是非常非常小的，因此可认为轨道半径是连续变化的.17.12电子和光子各具有波长2.0xW10m,它们的动量和总能量各是多少？［解劄它们的动量都为h 6.63 xl0~34 P〒2X10」。
= 3.315xW24(kgm-s-1).根据公式E2 = p2c2 + m^c ,电子的总能量为=3X108X[(3.315X10-24)2+(9.1X10_31X3X108)2]1/2=8.19x10小(J)・光子的静止质量为零，总能量为E = cp=3X108X3.315X10-24=9.945X10-16(J).17.13室温下的中子称为热中子r=300K,试计算热中子的平均德布罗意波长.其中k为玻尔兹曼常数k = USxlO^J K1,竹是电子的质量m p = 1.675xl0-27kg,可得平均速度为v = 2.509xl04(m-s_1),平均动量为P = ^v = 4.2xl0'27(kg-m-s_1).平均德布罗意波长为A = h/p= 1.58X10-1 °(m) = 0」58(nm).17.14 —束动量是p的电子，通过缝宽为Q的狭缝，在距离狭缝为7?处放置一屏，屏上电子衍射图样中央最大的宽度是多少？［解答］根据动量和位置的不确定关系A^V*A X =/7,其中位置不确定量为心=a,动量的不确定量为=psin3.设电子衍射图样的中央最大半宽度为w,贝ij sinO = w/R,w o 、2hR可得吆Q",宽度为百.［注意］如果将力改为方/2,则宽度为2w^hR/pa.两者相差很小.17.15 一宽度为Q 的一维无限深势阱，试用不确定关系估算阱中质量 为m 的粒了最低能量为多少？\x = a,动量的不确定范围是A/2 = A/A X = /Z /(7 -这也就是动量P 的范围.因此能量为E =『12m =方2/2 加最低能量可估计为Emin = A 2/2；776Z 2・ 17.16设有一宽度为Q 的一维无限深势阱，粒子处于第一激发态，求 在x = 0至x = <7/3之间找到粒子的几率？［解答］粒了在一维无限深势阱中的定态波函数为= 0,(兀 v 0, x> a). 当粒子处于第一激发态时,/? = 2,在x = 0至x = Q /3之间被发现 的几率为2_V|3~2^=0.391.rurx (0 < x < 6?) a 5(w = 27TX dr17.17设粒子在宽度为Q的一维无限深势阱运动时，其德布罗意波在阱内形成驻波，试利用这一关系导出粒子在阱中的能量计算式.的整数倍，即刃(2/2) = a, (n = 1,2,3,・・・)・根据德布罗意假设X = h/p,可得粒子的动量为17.18假定对某个粒子动量的测定可精确到千分之一，试确定这个粒 子位置的最小不确定量.(1) 该粒子质量为5xW 3kg,以2m"的速度运动;(2) 该粒子是速度为1.8x10%"的电子.［解答］粒子的动量为 p = mv,动量的不确定量为 ^p =/?/1000,根据动量和位置的不确定关系A/rArM 方/2, 位置的不确定量为 A x =方/2切・A 、 h1000〃 Ax > --- = ----- (1 ) 2A/7 47rmv _ 1000x6.63xl0~34 47tx5xl03x2 = 5.276x10_30(m).人、h1000力 (2) 2A/7 47rmv1000x6.63x1 O'34nh2a能量为 h 2m17.19设有某线性谐振子处于第一激发态，其波函数为mk式中X忖,k为常数,则该谐振子在何处出现的概率最大?［解答］第一激发态的概率为对兀求导得令dw/df = O,得概率最大的位置为X = ±1/(7.17.20 —维运动的粒子，处于如下的波函数所描述的状态 %）屮K＞。