普通物理学第五版第16章波动答案
普通物理学课后习题
物理学（作业题参考解答）第一章 质点运动学作业题：1-3； 1-5；1-8；1-11； 1-16作业题解答（参考）1-3 解：（1）t x 2=，22t y -=，422x y -=（x ＞0）（2）()()j i r 222t t -+=； 1=t s 到2=t s ，()()j i r 2r r v 32121-=--==t ∆∆（m·s -1） （3）()j i rv t t22d d -==； 1s 末和2s 末， ()j i v 221-=（m·s -1）， ()j i v 422-=（m·s -1） （4）j va 2dtd -==，()()j a a 221-==（m·s -2） 1-5 解：t d d r v =，t d d v r =()()()()()()t0000v t 0t dt v t t dt t t v t 1t cos sin sin cos sin cos ωωωωωωωω-==+=-=+-⎡⎤⎣⎦⎰⎰t tr r v i j i j i j()j i r ⎪⎭⎫⎝⎛+-+=R t v v t v t ωωωωωcos sin 000， t v x ωωsin 0=，t v R v y ωωωcos 00-+= 将上两式中消去t 得质点的轨迹方程为 20202⎪⎭⎫ ⎝⎛=⎪⎭⎫ ⎝⎛--+ωωv v R y x1-8 解：3kv a -= ( k > 0，常数)， 3d d kv t v -=或t k v v d d 3-=；⎰⎰-=tv v t k v v3d d 0 21200211)(⎪⎪⎭⎫⎝⎛+=t kv v t v ，t t kv v x d 211d 21200⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛+=;t t kv v x x d 211d 21200t0⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛+=⎰⎰，()1211)(20-+=t kv kv t x ， xvv t x x v t v d d d d d d d d =⋅=，3kv a -=，x k vvd d 2-=， x kv v x v 001)(+= 1-11 解：t t t612d d 2-==ωβ；()t t t d 612d 2-=ω； ()⎰⎰-=t t t t2d 612d ωω2334t t -=ω（1s rad -⋅）；t t R a t 6122-==β（2s m -⋅）1-16：解：B A A v v v 地对对地对＋＝B ；由于对地地对－B Bv v =对地对地对－＝B B v v v A A ；A 机相对于B 机的速度大小为αcos 222B A B A AB v v v v v -+= )s m (91760cos 8001000280010001o 22-⋅=⨯⨯⨯-+=6540917866.0800arccos 30cos arccos o o '=⨯==AB B v v β第二章 质点动力学作业题：2-3；2-4；2-6；2-9；2-11；2-12；2-14；2-15；2-20作业题解答（参考）2-3 解：⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛=-lv m mg T 2cos θ；⎪⎭⎫ ⎝⎛=-t v m mg d d sin θ；θθθd d d d sin ⎪⎭⎫ ⎝⎛=-t v m mg ()ωθθθl t m mg d d d d sin ⋅⎪⎭⎫⎝⎛=-； ωωθθd d sin ⋅-=l g⎰⎰⋅-=ωωθωωθθ0d d sin 0l g ；解得()2202121cos 1ωωθl l g -=- ()()1cos 211cos 22020-+=-+=θθωωgl v l g l ；⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛+-=θcos 3220g g l v m T2-4 解：根据牛顿定律有 t v mt d d 40120=+；即0.40.12d d +=t tv； ()⎰⎰+=tvv t t v 0d 0.40.12d 0； )0.60.40.6(2t t v ++=m·s -1即20.60.40.6d d t t tx ++=；()t t t x x x t d 6.04.06.0d 002⎰⎰++=；)m 02020605(32t .t .t ..x +++=2-6 解：tv m kmv mg d d 2=--；y v v t yy v t v d d d d d d d d =⋅=，积分⎰⎰+-=y v v kv g v v y 020d d ⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛++-=202ln 21kv g kv g k y ；最高处时，v =0，⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛+==g kv g k y h 20max ln 21 (1) tv mkmv mg d d 2=+-；y v v t yy v t v d d d d d d d d =⋅=，y v mv kmv mg d d 2=+- ⎰⎰--=02d d hvkv g vv y ； 解出 12001-⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛+=g kv v v2-9 解法1：根据动量原理得x x mv I -=0；0-=y y mv IgH v y 2=；gH v m I I I x y x 2222+=+=32.7108.922030.02=⨯⨯+⨯=)s N (⋅70020108922tan ..v gH mv mv I I x xy xy -=⨯⨯-=-=-==α， ︒=145α 小球所受到的平均冲力大小为)N (36602.032.7===t I F 2-11 解：()()u v m Mv v m M -+=+αcos 0可得人的水平速率的增量为u mM mv v v +=-=α∆cos 0g v t αsin 0=；所以人跳跃抛出物体后增加的距离为()u gm M mv t v x +=⋅=αsin ΔΔ0 2-12 解：0321=++p p p ；213p 10-==201007.1-⨯=（1s m kg -⋅⋅）3p 与1p 的夹角为8514933.522.9arctan 90arctan9021'︒=+︒=+︒=p p α2-14 解：yg mg F λ-=；()y g y m y F W d d d λ-==把水桶从水面提高到井口外力所做的总功 ()(J)882d 10=-=⎰y g y m W λ2-15 解： x x m F a 4.03.01043+=+==（m·s -2）； 以3=x m 代入上式得5.1=a m·s -2 ；()⎰⎰+==-3030202d 43d 2121x x x F mv mv ()2723302=+=x x ；3.210272=⨯=v （m·s -1）2-20 解：第一个过程：210122121v m kx = 第二个过程：020=v ，则2m 碰后的速度为 102v v =第三个过程：()22222221cos 21v m R R g m v m ++=α根据牛顿定律得 Rv m N g m 222cos =+α可解得 kmgRk gR m x 27271==第三章 刚体力学作业题：3-1；3-5；3-8；3-11；3-12；3-15；3-16；3-18；3-20作业题解答（参考）3-1 解：(1)()()()2-33120s rad 1136012102110721432602⋅=⨯⨯-⨯⨯⨯=-=-=....t n n tπωωβ(2) ()()12212120606022160221n n tt t n n t n t t ＋πππβωθ=-⋅+=+= ()()()圈390602102172126022312=⨯⨯+⨯=⨯+==..n n t N πθ3-5 解： 1.0)300500(2⨯+==t .t .Fr M根据转动定律tJ J M d d ωβ==， 得t t t t J M d 101.00.300.50d d 3-2⨯+==ω ()3202100250d 300500d t t t t t +=+==⎰⎰ωωωω；t =3s ，()-1332s rad 1095431003250⋅⨯=⨯+⨯=.ω3-8 解：θλθcos d cos d d gr r r g m M ⋅=⋅⋅=；br a +=λ()θθcos 32d cos 2gl bl a r gr br a M l⎪⎭⎫ ⎝⎛+=+=⎰ ()()43022024131d d d bl al r br a r r r m r J ll 0l +=+===⎰⎰⎰λθωωθθωωd d d d d d d d J t J t JM =⋅==，θωωθd d 4131cos 32432⎪⎭⎫ ⎝⎛+=⎪⎭⎫ ⎝⎛+bl al gl bl a ωωθθωπd 4131d cos 3204322⎰⎰⎪⎭⎫ ⎝⎛+=⎪⎭⎫ ⎝⎛+bl al gl bl a ； ()()bl a l bl a g 34234++=ω3-11 解： ()J 109716030210004212142321k 1⨯=⎪⎭⎫ ⎝⎛⨯⨯⨯⨯==..J E πω()J 101926010210004212132322k 2⨯=⎪⎭⎫ ⎝⎛⨯⨯⨯⨯==..J E πω()J 10751109711012443k 1k 2⨯-=⨯-⨯=-=...E E W3-12 解：（1）)2Rm πσ=，r r RmS m d 2d d 2ππσ== 2r/R gmr 2m g F d d d μμ==；mgR r/R gmr M Rμμ⎰-=-=02232d 2RgJ M 34μβ-==；t βωω=-0，g R t μωβωω4300=-= （2）根据动能定理，摩擦力的功为 2022041210ωωmR J W -=-=3-15 解：(1)⎰∆===∆t Fl t M J L d 0ω（2）()θωcos 1212120-=mgl J ；解得 ⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛∆=gl m t F 2223-1arccos θ3-16 解：kt m = 其中，-13s kg 10⋅=-k 。
16_02_平面简谐波 波动方程
x1 点的振动方程： y1 (t ) 0.01cos[200 (t
1 ) ] ( m ) —— x 1 m 400 2
1 ) ] 2 1 (200 t ) [200 (t 2 400 2
2 1
3)
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波数 波数 —— 波线单位长度内波的数目： k
2
x
—— 将 2 k 代入 y ( x, t ) A cos[2 ( t 3 波动方程 简谐波的波函数： y ( x, t ) A cos[ (t 对时间的二阶偏微分： 对坐标的二阶偏微分： 则：
2) 距波源 x2 2m 和 x1 1m 的两点间的振动相差
x2 点的振动方程： y2 (t ) 0.01cos(200 t ) ( m) —— x 0 2
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x x0 ) 0 ] u
例题 04 如图 XCH004_135_00 所示的是一平面简谐波在 t 0 时刻的波形图，设该简谐波的频率 为 250 Hz ，且此时质点 P 的运动方向向下，求： 1) 该波的波函数； 2) 在距原点 O 为 100 m 处质点的振动方程与质点速度表达式。
x u
x u
x ) 0 ] —— 波动方程，或波函数 u 2 ， uT T
—— 波函数既是时间的周期性函数，又是空间的周期性函数。 波函数的几种表示：利用关系： 2
大学物理 十六章 课后答案
习题十六16-1 将星球看做绝对黑体，利用维恩位移定律测量m λ便可求得T ．这是测量星球表面温度的方法之一．设测得：太阳的m 55.0m μλ=，北极星的m 35.0m μλ=，天狼星的m 29.0m μλ=，试求这些星球的表面温度．解：将这些星球看成绝对黑体，则按维恩位移定律：K m 10897.2,3⋅⨯==-b b T m λ对太阳：K 103.51055.010897.236311⨯=⨯⨯==--mbT λ对北极星：K 103.81035.010897.236322⨯=⨯⨯==--mbT λ对天狼星：K 100.11029.010897.246333⨯=⨯⨯==--m bT λ16-2 用辐射高温计测得炉壁小孔的辐射出射度(总辐射本领)为22.8W ·cm -2，求炉内温度． 解：炉壁小孔视为绝对黑体，其辐出度242m W 108.22cm W 8.22)(--⋅⨯=⋅=T M B按斯特藩-玻尔兹曼定律：=)(T M B 4T σ41844)1067.5108.22()(-⨯⨯==σT M T BK 1042.110)67.58.22(3341⨯=⨯=16-3 从铝中移出一个电子需要4.2 eV 的能量，今有波长为2000οA 的光投射到铝表面．试问：(1)由此发射出来的光电子的最大动能是多少?(2)遏止电势差为多大?(3)铝的截止(红限)波长有多大?解：(1)已知逸出功eV 2.4=A 据光电效应公式221m mv hv =A +则光电子最大动能：A hcA h mv E m -=-==λυ2max k 21 eV 0.2J 1023.3106.12.41020001031063.6191910834=⨯=⨯⨯-⨯⨯⨯⨯=----m2max k 21)2(mv E eU a ==Θ ∴遏止电势差 V 0.2106.11023.31919=⨯⨯=--a U (3)红限频率0υ,∴000,λυυcA h ==又∴截止波长1983401060.12.41031063.6--⨯⨯⨯⨯⨯==A hc λm 0.296m 1096.27μ=⨯=- 16-4 在一定条件下，人眼视网膜能够对5个蓝绿光光子(m 105.0-7⨯=λ)产生光的感觉．此时视网膜上接收到光的能量为多少?如果每秒钟都能吸收5个这样的光子，则到 达眼睛的功率为多大? 解：5个兰绿光子的能量J 1099.1100.51031063.65187834---⨯=⨯⨯⨯⨯⨯===λυhcnnh E 功率 W1099.118-⨯==t E16-5 设太阳照射到地球上光的强度为8 J ·s -1·m -2，如果平均波长为5000οA ，则每秒钟落到地面上1m 2的光子数量是多少?若人眼瞳孔直径为3mm ，每秒钟进入人眼的光子数是多少? 解：一个光子能量λυhch E ==1秒钟落到2m 1地面上的光子数为21198347m s 1001.21031063.6105888----⋅⨯=⨯⨯⨯⨯⨯===hc E n λ每秒进入人眼的光子数为11462192s 1042.14/10314.31001.24--⨯=⨯⨯⨯⨯==d nN π16-6若一个光子的能量等于一个电子的静能，试求该光子的频率、波长、动量．解：电子的静止质量S J 1063.6,kg 1011.934310⋅⨯=⨯=--h m 当 20c m h =υ时，则Hz 10236.11063.6)103(1011.92034283120⨯=⨯⨯⨯⨯==--h c m υο12A02.0m 104271.2=⨯==-υλc122831020122s m kg 1073.21031011.9s m kg 1073.2-----⋅⋅⨯=⨯⨯⨯=====⋅⋅⨯==c m c c m c E p cpE hp 或λ16-7 光电效应和康普顿效应都包含了电子和光子的相互作用，试问这两个过程有什么不同?答：光电效应是指金属中的电子吸收了光子的全部能量而逸出金属表面，是电子处于原子中束缚态时所发生的现象．遵守能量守恒定律．而康普顿效应则是光子与自由电子(或准自由电子)的弹性碰撞，同时遵守能量与动量守恒定律．16-8 在康普顿效应的实验中，若散射光波长是入射光波长的1.2倍，则散射光子的能量ε与反冲电子的动能k E 之比k E /ε等于多少?解：由 2200mc h c m hv +=+υ)(00202υυυυ-=-=-=h h h c m mc E kυεh =∴5)(00=-=-=υυυυυυεh h E k已知2.10=λλ由2.10=∴=υυλυc2.110=υυ则52.0112.110==-=-υυυ16-9 波长οA 708.0=λ的X 射线在石腊上受到康普顿散射，求在2π和π方向上所散射的X射线波长各是多大? 解：在2πϕ=方向上：ο1283134200A 0243.0m 1043.24sin 1031011.91063.622sin 2Δ=⨯=⨯⨯⨯⨯⨯==-=---πϕλλλc m h散射波长ο0A 732.00248.0708.0Δ=+=+=λλλ在πϕ=方向上ο120200A0486.0m 1086.422sin 2Δ=⨯===-=-c m h c m h ϕλλλ散射波长 ο0A756.00486.0708.0Δ=+=+=λλλ16-10 已知X 光光子的能量为0.60 MeV ，在康普顿散射之后波长变化了20%，求反冲电子的能量．解：已知X 射线的初能量,MeV 6.00=ε又有000,ελλεhchc =∴=经散射后000020.1020.0λλλλ∆λλ=+=+=此时能量为 002.112.1ελλε===hc hc反冲电子能量MeV 10.060.0)2.111(0=⨯-=-=εεE16-11 在康普顿散射中，入射光子的波长为0.030 οA ，反冲电子的速度为0.60c ，求散射光子的波长及散射角．解：反冲电子的能量增量为202022020225.06.01c m c m c m c m mc E =--=-=∆由能量守恒定律，电子增加的能量等于光子损失的能量，故有 20025.0c m hchc=-λλ散射光子波长ο1210831341034000A043.0m 103.410030.0103101.925.01063.610030.01063.625.0=⨯=⨯⨯⨯⨯⨯⨯-⨯⨯⨯⨯=-=------λλλc m h h由康普顿散射公式2sin 0243.022sin 22200ϕϕλλλ∆⨯==-=c m h 可得 2675.00243.02030.0043.02sin 2=⨯-=ϕ散射角为7162'=οϕ16-12 实验发现基态氢原子可吸收能量为12.75eV 的光子． (1)试问氢原子吸收光子后将被激发到哪个能级?(2)受激发的氢原子向低能级跃迁时，可发出哪几条谱线?请将这些跃迁画在能级图上． 解：(1)2eV 6.13eV 85.0eV 75.12eV 6.13n -=-=+-解得 4=n或者)111(22n Rhc E -=∆ 75.12)11.(1362=-=n解出 4=n题16-12图 题16-13图(2)可发出谱线赖曼系3条，巴尔末系2条，帕邢系1条，共计6条.16-13 以动能12.5eV 的电子通过碰撞使氢原子激发时，最高能激发到哪一能级?当回到基态时能产生哪些谱线?解：设氢原子全部吸收eV 5.12能量后，最高能激发到第n 个能级，则]11[6.135.12,eV 6.13],111[2221n Rhc n Rhc E E n -==-=-即得5.3=n ，只能取整数，∴ 最高激发到3=n ，当然也能激发到2=n 的能级．于是ο322ο222ο771221A6563536,3653121~:23A121634,432111~:12A 1026m 10026.110097.18989,983111~:13===⎥⎦⎤⎢⎣⎡-=→===⎥⎦⎤⎢⎣⎡-=→=⨯=⨯⨯===⎥⎦⎤⎢⎣⎡-=→-R R R n R R R n R R R n λυλυλυ从从从可以发出以上三条谱线．题16-14图16-14 处于基态的氢原子被外来单色光激发后发出巴尔末线系中只有两条谱线，试求这两 条谱线的波长及外来光的频率．解：巴尔末系是由2>n 的高能级跃迁到2=n 的能级发出的谱线．只有二条谱线说明激发后最高能级是4=n 的激发态．ο1983424ο101983423222324A4872106.1)85.04.3(1031063.6A6573m 1065731060.1)51.14.3(10331063.6e 4.326.13e 51.136.13e 85.046.13=⨯⨯-⨯⨯⨯=-==⨯=⨯⨯-⨯⨯⨯⨯=-=∴-=∴-==-=-=-=-=-=-=-----E E hc E E hc E E hc E E hch VE V E V E a mn m n βλλλλυ基态氢原子吸收一个光子υh 被激发到4=n 的能态∴λυhcE E h =-=14 Hz 1008.310626.6106.1)85.06.13(15341914⨯=⨯⨯⨯-=-=--h E E υ16-15 当基态氢原子被12.09eV 的光子激发后，其电子的轨道半径将增加多少倍? 解：eV 09.12]11[6.1321=-=-n E E n26.1309.126.13n =-51.16.1309.12.1366.132=-=n , 3=n12r n r n =,92=n ,19r r n =轨道半径增加到9倍.16-16德布罗意波的波函数与经典波的波函数的本质区别是什么?答：德布罗意波是概率波，波函数不表示实在的物理量在空间的波动，其振幅无实在的物理意义,2φ仅表示粒子某时刻在空间的概率密度．16-17 为使电子的德布罗意波长为1οA ，需要多大的加速电压?解：oo A1A 25.12==uλ 25.12=U∴ 加速电压 150=U 伏16-18 具有能量15eV 的光子，被氢原子中处于第一玻尔轨道的电子所吸收，形成一个 光电子．问此光电子远离质子时的速度为多大?它的德布罗意波长是多少?解：使处于基态的电子电离所需能量为eV 6.13，因此，该电子远离质子时的动能为eV 4.16.13152112=-=+==E E mv E k φ它的速度为31191011.9106.14.122--⨯⨯⨯⨯==m E v k -15s m 100.7⋅⨯= 其德布罗意波长为：o 953134A10.4m 1004.1100.71011.91063.6=⨯=⨯⨯⨯⨯==---mv h λ16-19 光子与电子的波长都是2.0οA ，它们的动量和总能量各为多少?解：由德布罗意关系：2mc E =，λhmv p ==波长相同它们的动量相等．1-241034s m kg 103.3100.21063.6⋅⋅⨯=⨯⨯==---λhp光子的能量eV102.6J 109.9103103.3316824⨯=⨯=⨯⨯⨯====--pc hch λυε电子的总能量 2202)()(c m cp E +=,eV102.63⨯=cp而eV 100.51MeV 51.0620⨯==c m ∴cp c m >>20 ∴MeV51.0)()(202202==+=c m c m cp E16-20 已知中子的质量kg 1067.127n -⨯=m ，当中子的动能等于温度300K 的热平衡中子气体的平均动能时，其德布罗意波长为多少?解：kg 1067.127n -⨯=m ,S J 1063.634⋅⨯=-h ,-123K J 1038.1⋅⨯=-k中子的平均动能m p KT E k 2232== 德布罗意波长 o A456.13===mkT hp h λ16-21 一个质量为m 的粒子，约束在长度为L 的一维线段上．试根据测不准关系估算这个粒子所具有的最小能量的值． 解：按测不准关系，h p x x ≥∆∆，x x v m p ∆=∆，则h v x m x ≥∆∆,x m hv x ∆≥∆这粒子最小动能应满足222222min22)(21)(21mL h x m h x m h m v m E x =∆=∆≥∆=16-22 从某激发能级向基态跃迁而产生的谱线波长为4000οA ，测得谱线宽度为10-4οA ，求该激发能级的平均寿命．解：光子的能量λυhch E ==由于激发能级有一定的宽度E ∆，造成谱线也有一定宽度λ∆，两者之间的关系为：λλ∆=∆2hcE由测不准关系，h t E ≥∆⋅∆，平均寿命t ∆=τ，则λλτ∆=∆=∆=c E h t 2s 103.51010103)104000(81048210----⨯=⨯⨯⨯⨯=16-23 一波长为3000οA 的光子，假定其波长的测量精度为百万分之一，求该光子位置的测不准量．解： 光子λhp =，λλλλ∆=∆-=∆22hhp由测不准关系，光子位置的不准确量为cm30A 103103000o 962=⨯=====-λ∆λλ∆λ∆∆p h x16-24波函数在空间各点的振幅同时增大D 倍，则粒子在空间分布的概率会发生什么变化?解：不变．因为波函数是计算粒子t 时刻空间各点出现概率的数学量．概率是相对值．则21、点的概率比值为：22212221φφφφD D =∴ 概率分布不变．16-25 有一宽度为a 的一维无限深势阱，用测不准关系估算其中质量为m 的粒子的零点能． 解：位置不确定量为a x =∆，由测不准关系：h p x x ≥∆⋅∆，可得：x h P x ∆≥∆,x hP P x x ∆≥∆≥∴222222)(22ma h x m h m P E x x =∆≥=，即零点能为222ma h ． 16-26 已知粒子在一维矩形无限深势阱中运动，其波函数为：a xax 23cos1)(πψ=︒ )(a x a ≤≤-那么，粒子在ax 65=处出现的概率密度为多少? 解：22*)23cos 1(a x a πψψψ==a a a a a a aa 21)21(14cos 1)4(cos 145cos 12653cos 122222===+===πππππ16-27 粒子在一维无限深势阱中运动，其波函数为：)sin(2)(a x n a x n πψ=)0(a x <<若粒子处于1=n 的状态，在0～a41区间发现粒子的概率是多少?解：xa x a x w d sin 2d d 22πψ==∴ 在4~0a 区间发现粒子的概率为： ⎰⎰⎰===40020244)(d sin 2d sin 2a a ax a a x a ax a x a dw p ππππ 091.0)(]2cos 1[2124/0=-=⎰x a d a x a πππ16-28 宽度为a 的一维无限深势阱中粒子的波函数为xa n A x πψsin )(=，求：(1)归一化系数A ；(2)在2=n 时何处发现粒子的概率最大?解：(1)归一化系数⎰⎰==+∞∞-ax x 0221d d ψψ即⎰⎰=aa x a n x a n A n a x x a n A 00222)(d sin d sin ππππ⎰-=a x a n x a n A n a 02)(d )2cos 1(2πππ12222===A a n A n a ππ∴ =A a 2粒子的波函数x a n a x πψsin 2)(=(2)当2=n 时，x a a πψ2sin 22=几率密度]4cos 1[12sin 2222x a a x a a w ππψ-===令0d d =x w ，即04sin 4=x a a ππ,即,04sin =x a π，Λ,2,1,0,4==k k x a ππ∴4a kx = 又因a x <<0，4<k ，∴当4a x =和ax 43=时w 有极大值， 当2a x =时，0=w ． ∴极大值的地方为4a ，a 43处16-29 原子内电子的量子态由s l m m l n ,,,四个量子数表征．当l m l n ,,一定时，不同的量子态数目是多少?当l n ,一定时，不同的量子态数目是多少?当n 一定时，不同的量子态数目是多少?解：(1)2)21(±=s m Θ (2))12(2+l ，每个l 有12+l 个l m ，每个l m 可容纳21±=s m 的2个量子态．(3)22n16-30求出能够占据一个d 分壳层的最大电子数，并写出这些电子的s l m m ,值．解：d 分壳层的量子数2=l ，可容纳最大电子数为10)122(2)12(2=+⨯=+=l Z l 个，这些电子的：0=l m ，1±，2±，21±=s m16-31 试描绘：原子中4=l 时，电子角动量L 在磁场中空间量子化的示意图，并写出L 在磁场方向分量z L 的各种可能的值． 解：ηηη20)14(4)1(=+=+=l l L题16-31图磁场为Z 方向，ηl Z m L =，0=l m ,1±，2±，3±，4±．∴ )4,3,2,1,0,1,2,3,4(----=Z L η16-32写出以下各电子态的角动量的大小：(1)s 1态；(2)p 2态；(3)d 3态；(4)f 4态．解： (1)0=L (2)1=l , ηη2)11(1=+=L (3)2=l ηη6)12(2=+=L(4)3=l ηη12)13(3=+=L 16-33 在元素周期表中为什么n 较小的壳层尚未填满而n 较大的壳层上就开始有电子填入?对这个问题我国科学工作者总结出怎样的规律?按照这个规律说明s 4态应比d 3态先填入电子．解：由于原子能级不仅与n 有关，还与l 有关，所以有些情况虽n 较大，但l 较小的壳层能级较低，所以先填入电子．我国科学工作者总结的规律：对于原子的外层电子，能级高低以)7.0(l n +确定，数值大的能级较高．s 4(即0,4==l n )，代入4)07.04()7.0(=⨯+=+l n)2,3(3==l n d ，代入4.4)27.03(=⨯+s 4低于d 3能级，所以先填入s 4壳层．。
物理学答案（第五版）（可编辑）
物理学答案(第五版)物理学答案第五版 --马文蔚txt人和人的心最近又最远真诚是中间的通道试金可以用火试女人可以用金试男人可以用女人--往往都经不起那么一试面向 21 世纪课程教材学习辅导书物理学第五版习题分析与解答马文蔚主编殷实沈才康包刚编高等教育出版社前言本书是根据马文蔚教授等改编的面向21世纪课程教材《物理学》第五版一书中的习题而作的分析与解答与上一版相比本书增加了选择题更换了约25％的习题所选习题覆盖了教育部非物理专业大学物理课程教学指导分委员会制定的《非大学物理课程教学基本要求讨论稿》中全部核心内容并选有少量扩展内容的习题所选习题尽可能突出基本训练和联系工程实际此外为了帮助学生掌握求解大学物理课程范围内的物理问题的思路和方法本书还为力学电磁学波动过程和光学热物理相对论和量子物理基础等撰写了涉及这些内容的解题思路和方法以期帮助学生启迪思维提高运用物理学的基本定律来分析问题和解决问题的能力物理学的基本概念和规律是在分析具体物理问题的过程中逐步被建立和掌握的解题之前必须对所研究的物理问题建立一个清晰的图像从而明确解题的思路只有这样才能在解完习题之后留下一些值得回味的东西体会到物理问题所蕴含的奥妙和涵义通过举一反三提高自己分析问题和解决问题的能力有鉴于此重分析简解答的模式成为编写本书的指导思想全书力求在分析中突出物理图像引导学生以科学探究的态度对待物理习题初步培养学生即物穷理的精神通过解题过程体验物理科学的魅力和价值尝试做学问的乐趣因此对于解题过程本书则尽可能做到简明扼要让学生自己去完成具体计算编者企盼这本书能对学生学习能力的提高和科学素质的培养有所帮助本书采用了1996 年全国自然科学名词审定委员会公布的《物理学名词》和中华人民共和国国家标准GB3100～3102 -93 中规定的法定计量单位本书由马文蔚教授主编由殷实沈才康包刚韦娜编写西北工业大学宋士贤教授审阅了全书并提出了许多详细中肯的修改意见在此编者致以诚挚的感谢由于编者的水平有限敬请读者批评指正编者2006 年1 月于南京目录第一篇力学求解力学问题的基本思路和方法第一章质点运动学第二章牛顿定律第三章动量守恒定律和能量守恒定律第四章刚体的转动第二篇电磁学求解电磁学问题的基本思路和方法第五章静电场第六章静电场中的导体与电介质第七章恒定磁场第八章电磁感应电磁场第三篇波动过程光学求解波动过程和光学问题的基本思路和方法第九章振动第十章波动第十一章光学第四篇气体动理论热力学基础求解气体动理论和热力学问题的基本思路和方法第十二章气体动理论第十三章热力学基础第五篇近代物理基础求解近代物理问题的基本思路和方法第十四章相对论第十五章量子物理附录部分数学公式第一篇力学求解力学问题的基本思路和方法物理学是一门基础学科它研究物质运动的各种基本规律．由于不同运动形式具有不同的运动规律从而要用不同的研究方法处理．力学是研究物体机械运动规律的一门学科而机械运动有各种运动形态每一种形态和物体受力情况以及初始状态有密切关系．掌握力的各种效应和运动状态改变之间的一系列规律是求解力学问题的重要基础．但仅仅记住一些公式是远远不够的．求解一个具体物理问题首先应明确研究对象的运动性质选择符合题意的恰当的模型透彻认清物体受力和运动过程的特点等等．根据模型条件和结论之间的逻辑关系运用科学合理的研究方法进而选择一个正确简便的解题切入点在这里思路和方法起着非常重要的作用．1．正确选择物理模型和认识运动过程力学中常有质点质点系刚体等模型．每种模型都有特定的含义适用范围和物理规律．采用何种模型既要考虑问题本身的限制又要注意解决问题的需要．例如用动能定理来处理物体的运动时可把物体抽象为质点模型．而用功能原理来处理时就必须把物体与地球组成一个系统来处理．再如对绕固定轴转动的门或质量和形状不能不计的定滑轮来说必须把它视为刚体并用角量和相应规律来进行讨论．在正确选择了物理模型后还必须对运动过程的性质和特点有充分理解如物体所受力矩是恒定的还是变化的质点作一般曲线运动还是作圆周运动等等以此决定解题时采用的解题方法和数学工具．2叠加法叠加原理是物理学中应用非常广泛的一条重要原理据此力学中任何复杂运动都可以被看成由几个较为简单运动叠加而成．例如质点作一般平面运动时通常可以看成是由两个相互垂直的直线运动叠加而成而对作圆周运动的质点来说其上的外力可按运动轨迹的切向和法向分解其中切向力只改变速度的大小而法向力只改变速度的方向．对刚体平面平行运动来说可以理解为任一时刻它包含了两个运动的叠加一是质心的平动二是绕质心的转动．运动的独立性和叠加性是叠加原理中的两个重要原则掌握若干基本的简单运动的物理规律再运用叠加法就可以使我们化复杂为简单．此外运用叠加法时要注意选择合适的坐标系选择什么样的坐标系就意味着运动将按相应形式分解．在力学中对一般平面曲线运动多采用平面直角坐标系平面圆周运动多采用自然坐标系而对刚体绕定轴转动则采用角坐标系等等．叠加原理在诸如电磁学振动波动等其他领域内都有广泛应用是物理学研究物质运动的一种基本思想和方法需读者在解题过程中不断体会和领悟．3类比法有些不同性质运动的规律具有某些相似性理解这种相似性产生的条件和遵从的规律有利于发现和认识物质运动的概括性和统一性．而且还应在学习中善于发现并充分利用这种相似性以拓宽自己的知识面．例如质点的直线运动和刚体绕定轴转动是两类不同运动但是运动规律却有许多可类比和相似之处如与与其实它们之间只是用角量替换了相应的线量而已这就可由比较熟悉的公式联想到不太熟悉的公式．这种类比不仅运动学有动力学也有如与与与可以看出两类不同运动中各量的对应关系十分明显使我们可以把对质点运动的分析方法移植到刚体转动问题的分析中去．当然移植时必须注意两种运动的区别一个是平动一个是转动状态变化的原因一个是力而另一个是力矩．此外还有许多可以类比的实例如万有引力与库仑力静电场与稳恒磁场电介质的极化与磁介质的磁化等等．只要我们在物理学习中善于归纳类比就可以沟通不同领域内相似物理问题的研究思想和方法并由此及彼触类旁通．4．微积分在力学解题中的运用微积分是大学物理学习中应用很多的一种数学运算在力学中较为突出也是初学大学物理课程时遇到的一个困难．要用好微积分这个数学工具首先应在思想上认识到物体在运动过程中反映其运动特征的物理量是随时空的变化而变化的．一般来说它们是时空坐标的函数．运用微积分可求得质点的运动方程和运动状态．这是大学物理和中学物理最显著的区别．例如通过对质点速度函数中的时间t 求一阶导数就可得到质点加速度函数．另外对物理量数学表达式进行合理变形就可得出新的物理含义．如由借助积分求和运算可求得在t1 -t2 时间内质点速度的变化同样由也可求得质点的运动方程．以质点运动学为例我们可用微积分把运动学问题归纳如下第一类问题已知运动方程求速度和加速度第二类问题已知质点加速度以及在起始状态时的位矢和速度可求得质点的运动方程．在力学中还有很多这样的关系读者不妨自己归纳整理一下从而学会自觉运用微积分来处理物理问题运用时有以下几个问题需要引起大家的关注1 运用微积分的物理条件．在力学学习中我们会发现和等描述质点运动规律的公式只是式和式在加速度为恒矢量条件下积分后的结果．此外在高中物理中只讨论了一些质点在恒力作用下的力学规律和相关物理问题而在大学物理中则主要研究在变力和变力矩作用下的力学问题微积分将成为求解上述问题的主要数学工具．2 如何对矢量函数进行微积分运算．我们知道很多物理量都是矢量如力学中的rvap 等物理量矢量既有大小又有方向从数学角度看它们都是二元函数在大学物理学习中通常结合叠加法进行操作如对一般平面曲线运动可先将矢量在固定直角坐标系中分解分别对xy 轴两个固定方向的分量可视为标量进行微积分运算最后再通过叠加法求得矢量的大小和方向对平面圆周运动则可按切向和法向分解对切线方向上描述大小的物理量aｔvs 等进行微积分运算．3 积分运算中的分离变量和变量代换问题．以质点在变力作用下作直线运动为例如已知变力表达式和初始状态求质点的速率求解本问题一条路径是由F ＝m a 求得a的表达式再由式dv ＝ adt 通过积分运算求得v其中如果力为时间t 的显函数则a ＝a t 此时可两边直接积分即但如果力是速率v 的显函数则a ＝ a v 此时应先作分离变量后再两边积分即又如力是位置x 的显函数则a＝a x 此时可利用得并取代原式中的dt再分离变量后两边积分即用变量代换的方法可求得v x 表达式在以上积分中建议采用定积分下限为与积分元对应的初始条件上限则为待求量．5求解力学问题的几条路径综合力学中的定律可归结为三种基本路径即1 动力学方法如问题涉及到加速度此法应首选．运用牛顿定律转动定律以及运动学规律可求得几乎所有的基本力学量求解对象广泛但由于涉及到较多的过程细节对变力矩问题还将用到微积分运算故计算量较大．因而只要问题不涉及加速度则应首先考虑以下路径．2 角动量方法如问题不涉及加速度但涉及时间此法可首选．3 能量方法如问题既不涉及加速度又不涉及时间则应首先考虑用动能定理或功能原理处理问题．当然对复杂问题几种方法应同时考虑．此外三个守恒定律动量守恒能量守恒角动量守恒定律能否成立往往是求解力学问题首先应考虑的问题．总之应学会从不同角度分析与探讨问题．以上只是原则上给出求解力学问题一些基本思想与方法其实求解具体力学问题并无固定模式有时全靠悟性．但这种悟性产生于对物理基本规律的深入理解与物理学方法掌握之中要学会在解题过程中不断总结与思考从而使自己分析问题的能力不断增强．第一章质点运动学1 -1 质点作曲线运动在时刻t 质点的位矢为r速度为v 速率为vt 至 t ＋Δt 时间内的位移为Δr 路程为Δs 位矢大小的变化量为Δr 或称Δ｜r｜平均速度为平均速率为．1 根据上述情况则必有A ｜Δr｜Δs ΔrB ｜Δr｜≠Δs ≠Δr当Δt→0 时有｜dr｜ ds ≠ drC ｜Δr｜≠Δr ≠Δs当Δt→0 时有｜dr｜ dr ≠ dsD ｜Δr｜≠Δs ≠Δr当Δt→0 时有｜dr｜ dr ds2 根据上述情况则必有A ｜｜｜｜B ｜｜≠｜｜≠C ｜｜｜｜≠D ｜｜≠｜｜分析与解 1 质点在t 至 t ＋Δt 时间内沿曲线从P 点运动到P′点各量关系如图所示其中路程Δs ＝PP′位移大小｜Δr｜＝PP′而Δr ＝｜r｜-｜r｜表示质点位矢大小的变化量三个量的物理含义不同在曲线运动中大小也不相等注在直线运动中有相等的可能．但当Δt→0 时点P′无限趋近P点则有｜dr｜＝ds但却不等于dr．故选 B ．2 由于｜Δr ｜≠Δs故即｜｜≠．但由于｜dr｜＝ds故即｜｜＝．由此可见应选 C ．1 -2 一运动质点在某瞬时位于位矢r xy 的端点处对其速度的大小有四种意见即1 2 3 4 ．下述判断正确的是A 只有 1 2 正确B 只有 2 正确C 只有 2 3 正确D 只有 3 4 正确分析与解表示质点到坐标原点的距离随时间的变化率在极坐标系中叫径向速率．通常用符号vr表示这是速度矢量在位矢方向上的一个分量表示速度矢量在自然坐标系中速度大小可用公式计算在直角坐标系中则可由公式求解．故选 D ．1 -3 质点作曲线运动r 表示位置矢量 v表示速度a表示加速度s 表示路程 aｔ表示切向加速度．对下列表达式即1 d v dt ＝a2 drdt ＝v3 dsdt ＝v4 d v dt｜＝aｔ．下述判断正确的是A 只有 1 4 是对的B 只有 2 4 是对的C 只有 2 是对的D 只有 3 是对的分析与解表示切向加速度aｔ它表示速度大小随时间的变化率是加速度矢量沿速度方向的一个分量起改变速度大小的作用在极坐标系中表示径向速率vr 如题1 -2 所述在自然坐标系中表示质点的速率v而表示加速度的大小而不是切向加速度aｔ．因此只有 3 式表达是正确的．故选 D ．1 -4 一个质点在做圆周运动时则有A 切向加速度一定改变法向加速度也改变B 切向加速度可能不变法向加速度一定改变C 切向加速度可能不变法向加速度不变D 切向加速度一定改变法向加速度不变分析与解加速度的切向分量aｔ起改变速度大小的作用而法向分量an起改变速度方向的作用．质点作圆周运动时由于速度方向不断改变相应法向加速度的方向也在不断改变因而法向加速度是一定改变的．至于aｔ是否改变则要视质点的速率情况而定．质点作匀速率圆周运动时 aｔ恒为零质点作匀变速率圆周运动时 aｔ为一不为零的恒量当aｔ改变时质点则作一般的变速率圆周运动．由此可见应选 B ．1 -5 如图所示湖中有一小船有人用绳绕过岸上一定高度处的定滑轮拉湖中的船向岸边运动．设该人以匀速率v0 收绳绳不伸长且湖水静止小船的速率为v则小船作A 匀加速运动B 匀减速运动C 变加速运动D 变减速运动E 匀速直线运动分析与解本题关键是先求得小船速度表达式进而判断运动性质．为此建立如图所示坐标系设定滑轮距水面高度为ht 时刻定滑轮距小船的绳长为l则小船的运动方程为其中绳长l 随时间t 而变化．小船速度式中表示绳长l 随时间的变化率其大小即为v0代入整理后为方向沿x 轴负向．由速度表达式可判断小船作变加速运动．故选 C ．讨论有人会将绳子速率v0按xy 两个方向分解则小船速度这样做对吗1 -6 已知质点沿x 轴作直线运动其运动方程为式中x 的单位为mt 的单位为 s．求1 质点在运动开始后40 s内的位移的大小2 质点在该时间内所通过的路程3 t＝4 s时质点的速度和加速度．分析位移和路程是两个完全不同的概念．只有当质点作直线运动且运动方向不改变时位移的大小才会与路程相等．质点在t 时间内的位移Δx 的大小可直接由运动方程得到而在求路程时就必须注意到质点在运动过程中可能改变运动方向此时位移的大小和路程就不同了．为此需根据来确定其运动方向改变的时刻tp 求出0～tp 和tp～t 内的位移大小Δx1 Δx2 则t 时间内的路程如图所示至于t ＝40 s 时质点速度和加速度可用和两式计算．解 1 质点在40 s内位移的大小2 由得知质点的换向时刻为t＝0不合题意则所以质点在40 s时间间隔内的路程为3 t＝40 s时1 -7 一质点沿x 轴方向作直线运动其速度与时间的关系如图 a 所示．设t＝0 时x＝0．试根据已知的v-t 图画出a-t 图以及x -t 图．分析根据加速度的定义可知在直线运动中v-t曲线的斜率为加速度的大小图中ABCD 段斜率为定值即匀变速直线运动而线段BC 的斜率为0加速度为零即匀速直线运动．加速度为恒量在a-t 图上是平行于t 轴的直线由v-t 图中求出各段的斜率即可作出a-t 图线．又由速度的定义可知x-t 曲线的斜率为速度的大小．因此匀速直线运动所对应的x -t 图应是一直线而匀变速直线运动所对应的x–t 图为t 的二次曲线．根据各段时间内的运动方程x＝x t 求出不同时刻t 的位置x采用描数据点的方法可作出x-t 图．解将曲线分为ABBCCD 三个过程它们对应的加速度值分别为匀加速直线运动匀速直线运动匀减速直线运动根据上述结果即可作出质点的a-t 图〔图 B 〕．在匀变速直线运动中有由此可计算在0～2ｓ和4～6ｓ时间间隔内各时刻的位置分别为用描数据点的作图方法由表中数据可作0～2ｓ和4～6ｓ时间内的x -t 图．在2～4ｓ时间内质点是作的匀速直线运动其x -t 图是斜率k＝20的一段直线〔图 c 〕．1 -8 已知质点的运动方程为式中r 的单位为mt 的单位为ｓ．求1 质点的运动轨迹2 t ＝0 及t ＝2ｓ时质点的位矢3 由t ＝0 到t ＝2ｓ内质点的位移Δr 和径向增量Δr4 2 ｓ内质点所走过的路程s．分析质点的轨迹方程为y ＝f x 可由运动方程的两个分量式x t 和y t 中消去t 即可得到．对于rΔrΔrΔs 来说物理含义不同可根据其定义计算．其中对s的求解用到积分方法先在轨迹上任取一段微元ds则最后用积分求ｓ．解 1 由x t 和y t 中消去t 后得质点轨迹方程为这是一个抛物线方程轨迹如图 a 所示．2 将t ＝0ｓ和t ＝2ｓ分别代入运动方程可得相应位矢分别为图 a 中的PQ 两点即为t ＝0ｓ和t ＝2ｓ时质点所在位置．3 由位移表达式得其中位移大小而径向增量4 如图 B 所示所求Δs 即为图中PQ段长度先在其间任意处取AB 微元ds 则由轨道方程可得代入ds则2ｓ内路程为1 -9 质点的运动方程为式中xy 的单位为mt 的单位为ｓ．试求 1 初速度的大小和方向 2 加速度的大小和方向．分析由运动方程的分量式可分别求出速度加速度的分量再由运动合成算出速度和加速度的大小和方向．解 1 速度的分量式为当t ＝0 时 vox ＝-10 mｓ-1 voy ＝15 mｓ-1 则初速度大小为设vo与x 轴的夹角为α则α＝123°41′2 加速度的分量式为则加速度的大小为设a 与x 轴的夹角为β则β＝-33°41′或326°19′1 -10 一升降机以加速度122 mｓ-2上升当上升速度为244 mｓ-1时有一螺丝自升降机的天花板上松脱天花板与升降机的底面相距274 m．计算 1 螺丝从天花板落到底面所需要的时间 2 螺丝相对升降机外固定柱子的下降距离．分析在升降机与螺丝之间有相对运动的情况下一种处理方法是取地面为参考系分别讨论升降机竖直向上的匀加速度运动和初速不为零的螺丝的自由落体运动列出这两种运动在同一坐标系中的运动方程y1 ＝y1 t 和y2 ＝y2 t 并考虑它们相遇即位矢相同这一条件问题即可解另一种方法是取升降机或螺丝为参考系这时螺丝或升降机相对它作匀加速运动但是此加速度应该是相对加速度．升降机厢的高度就是螺丝或升降机运动的路程．解 1 1 以地面为参考系取如图所示的坐标系升降机与螺丝的运动方程分别为当螺丝落至底面时有y1 ＝y2 即2 螺丝相对升降机外固定柱子下降的距离为解2 1 以升降机为参考系此时螺丝相对它的加速度大小a′＝g ＋a螺丝落至底面时有2 由于升降机在t 时间内上升的高度为则1 -11 一质点P 沿半径R ＝30 m的圆周作匀速率运动运动一周所需时间为200ｓ设t ＝0 时质点位于O 点．按 a 图中所示Oxy 坐标系求 1 质点P 在任意时刻的位矢2 5ｓ时的速度和加速度．分析该题属于运动学的第一类问题即已知运动方程r ＝r t 求质点运动的一切信息如位置矢量位移速度加速度．在确定运动方程时若取以点 03 为原点的O′x′y′坐标系并采用参数方程x′＝x′ t 和y′＝y′ t 来表示圆周运动是比较方便的．然后运用坐标变换x ＝x0 ＋x′和y ＝y0 ＋y′将所得参数方程转换至Oxy 坐标系中即得Oxy 坐标系中质点P 在任意时刻的位矢．采用对运动方程求导的方法可得速度和加速度．解 1 如图 B 所示在O′x′y′坐标系中因则质点P 的参数方程为坐标变换后在Oxy 坐标系中有则质点P 的位矢方程为2 5ｓ时的速度和加速度分别为1 -12 地面上垂直竖立一高200 m 的旗杆已知正午时分太阳在旗杆的正上方求在下午2∶00 时杆顶在地面上的影子的速度的大小．在何时刻杆影伸展至200 m分析为求杆顶在地面上影子速度的大小必须建立影长与时间的函数关系即影子端点的位矢方程．根据几何关系影长可通过太阳光线对地转动的角速度求得．由于运动的相对性太阳光线对地转动的角速度也就是地球自转的角速度．这样影子端点的位矢方程和速度均可求得．解设太阳光线对地转动的角速度为ω从正午时分开始计时则杆的影长为s＝htgωt下午2∶00 时杆顶在地面上影子的速度大小为当杆长等于影长时即s ＝h则即为下午3∶00 时．1 -13 质点沿直线运动加速度a＝4 -t2 式中a的单位为mｓ-2 t的单位为ｓ．如果当t ＝3ｓ时x＝9 mv ＝2 mｓ-1 求质点的运动方程．分析本题属于运动学第二类问题即已知加速度求速度和运动方程必须在给定条件下用积分方法解决．由和可得和．如a＝a t 或v ＝v t 则可两边直接积分．如果a 或v不是时间t 的显函数则应经过诸如分离变量或变量代换等数学操作后再做积分．解由分析知应有得 1由得 2将t＝3ｓ时x＝9 mv＝2 mｓ-1代入 1 2 得v0＝-1 mｓ-1x0＝075 m．于是可得质点运动方程为1 -14 一石子从空中由静止下落由于空气阻力石子并非作自由落体运动现测得其加速度a＝A -Bv式中AB 为正恒量求石子下落的速度和运动方程．分析本题亦属于运动学第二类问题与上题不同之处在于加速度是速度v 的函数因此需将式dv ＝a v dt 分离变量为后再两边积分．解选取石子下落方向为y 轴正向下落起点为坐标原点．1 由题意知 1用分离变量法把式 1 改写为2将式 2 两边积分并考虑初始条件有得石子速度由此可知当t→∞时为一常量通常称为极限速度或收尾速度．2 再由并考虑初始条件有得石子运动方程1 -15 一质点具有恒定加速度a ＝6i ＋4j式中a的单位为mｓ-2 ．在t ＝0时其速度为零位置矢量r0 ＝10 mi．求 1 在任意时刻的速度和位置矢量 2 质点在Oxy 平面上的轨迹方程并画出轨迹的示意图．分析与上两题不同处在于质点作平面曲线运动根据叠加原理求解时需根据加速度的两个分量ax 和ay分别积分从而得到运动方程r的两个分量式x t 和y t ．由于本题中质点加速度为恒矢量故两次积分后所得运动方程为固定形式即和两个分运动均为匀变速直线运动．读者不妨自己验证一下．。
《新编基础物理学》第16章习题解答和分析
第16章 量子力学简介16-1 计算电子经过1100V U =和210000V U =的电压加速后，它的德布罗意波长1λ和2λ分别是多少？分析 本题考察的是德布罗意物质波的波长与该运动粒子的运动速度之间的关系。
解：电子经电压U 加速后，其动能为eU E k =，因此电子的速度为m2e v U = 根据德布罗意物质波关系式，电子波的波长为h m λ==＝v 若1100V U =，则10.123nm λ＝；若210000V U =，则20.0123nm λ＝。
16-2 子弹质量40g m =, 速率1100m s -=⋅v ,试问:(1) 与子弹相联系的物质波波长等于多少?(2) 为什么子弹的物质波其波动性不能通过衍射效应显示出来?分析 本题考察德布罗意波长的计算。
解：(1)子弹的动量 3140101004(kg m s )p m --==⨯⨯=⋅⋅v与子弹相联系的德布罗意波长)m (1066.141063.63434--⨯=⨯==p h λ (2) 由于子弹的物质波波长的数量级为m 1034-, 比原子核的大小(约m 1014-)还小得多,因此不能通过衍射效应显示出来.16-3 电子和光子各具有波长0.2nm ，它们的动量和总能量各是多少？分析 本题考察的是德布罗意物质波的波长公式。
解：由于电子和光子具有相同的波长，所以它们的动量相同，即为 3424196.6310 3.3210(kg m s )0.210hp λ----⨯===⨯⋅⋅⨯ 电子的总能量为21408.3010(J)e hcE m c λ-=+=⨯而光子的总能量为169.9510(J)hc E λ-==⨯16-4、若α粒子(电荷为2e )在磁感应强度为B 均匀磁场中沿半径为R 的圆形轨道运动，则α粒子的德布罗意波长是多少？分析 α粒子作圆周运动的向心力由洛伦兹力提供，由此可求出α粒子的速度，再根据德布罗意公式就可得到α粒子的德布罗意波长.解 粒子在均匀磁场受到的洛伦兹力Rv v 2m B e =2 α粒子的速度meB R v 2= 根据德布罗意公式可得到α粒子的德布罗意波长为 eRB h m h 2==v λ16-5 试求下列两种情况下，电子速度的不确定量：（1）电视显像管中电子的加速电压为9kv ，电子枪枪口直径取0.10mm ；（2）原子中的电子，原子的线度为1010m －。
物理学(第五版)课后习题解答
第十章波动1 . 一横波沿绳子传播时的波动表达式为)π4π10cos(05.0x t y -=，x ，y 的单位为米，t 的单位为秒。
（1）求此波的振幅、波速、频率和波长。
（2）求绳子上各质点振动的最大速度和最大加速度。
（3）求2.0=x m 处的质点在1=t s 时的相位，它是原点处质点在哪一时刻的相位？解 （1）将题中绳波表达式0.05cos(10π4π)0.05cos 2π()0.20.5t xy t x =-=- 与一般波动表达式)(π2cos λxT t A y -=比较，得振幅05.0=A m ，s T 2.0=频率5=ν Hz ，波长5.0=λ m 。
波速5.255.0=⨯==λνu m •s-1（2）绳上各质点振动的最大速度57.105.0514.32π2max =⨯⨯⨯===A A v νω m •s-1绳上各质点振动时的最大加速度3.4905.0514.34π422222max =⨯⨯⨯===A A a νωm •s-（3）将2.0=x m ，1=t s 代入)π4π10(x t -得到所求相位π2.92.0π41π10=⨯-⨯， 2.0=x m 处质点的振动比原点处质点的振动在时间上落后08.05.22.0==u x s （5.2==λνu m •s -1），所以它是原点处质点在92.0)08.01(0=-=t s 时的相位。
2.设有一平面简谐波 )3.001.0(π2cos 02.0x t y -= ， x ，y 以m 计， t 以s 计。
（1）求振幅、波长、频率和波速。
（2）求1.0=x m 处质点振动的初相位。
解（1）将题设平面简谐波的表式)3.001.0(π2cos 02.0xt y -=与一般表式)(π2cos λxT t A y -=比较，可得振幅02.0=A m ，波长3.0=λ m ，周期01.0=T s 。
因此频率10001.011===T νHz ， 波速 301003.0=⨯==λνu m ·s -（2）将1.0=x m 代入波动表式，得到位于该处的质点的振动表式4题图)3π201.0π2cos(02.0)3.01.001.0(π2cos 02.0-=-=t t y 因而该处质点振动的初相位3π20-=ϕ。
大学物理(第五版)上册课后习题答案马文蔚
习题11-1 质点作曲线运动，在时刻t 质点的位矢为r ，速度为v ，t 至()t t +∆时间内的位移为r ∆，路程为s ∆，位矢大小的变化量为r ∆（或称r ∆），平均速度为v ，平均速率为v 。
（1）根据上述情况，则必有（ ） （A ）r s r ∆=∆=∆（B ）r s r ∆≠∆≠∆，当0t ∆→时有dr ds dr =≠ （C ）r r s ∆≠∆≠∆，当0t ∆→时有dr dr ds =≠ （D ）r s r ∆=∆≠∆，当0t ∆→时有dr dr ds == （2）根据上述情况，则必有（ ） （A ）,v v v v == （B ）,v v v v ≠≠ （C ）,v v v v =≠ （D ）,v v v v ≠=1-2 一运动质点在某瞬间位于位矢(,)r x y 的端点处，对其速度的大小有四种意见，即（1）dr dt ；（2）dr dt ；（3）dsdt；（4下列判断正确的是：（A ）只有（1）（2）正确 （B ）只有（2）正确 （C ）只有（2）（3）正确 （D ）只有（3）（4）正确1-3 质点作曲线运动，r 表示位置矢量，v 表示速度，a 表示加速度，s 表示路程，t a 表示切向加速度。
对下列表达式，即（1）dv dt a =；（2）dr dt v =；（3）ds dt v =；（4）t dv dt a =。
下述判断正确的是（ ）（A ）只有（1）、（4）是对的 （B ）只有（2）、（4）是对的 （C ）只有（2）是对的 （D ）只有（3）是对的 1-4 一个质点在做圆周运动时，则有（ ） （A ）切向加速度一定改变，法向加速度也改变 （B ）切向加速度可能不变，法向加速度一定改变 （C ）切向加速度可能不变，法向加速度不变（D ）切向加速度一定改变，法向加速度不变*1-5 如图所示，湖中有一小船，有人用绳绕过岸上一定高度处的定滑轮拉湖中的船向岸边运动。
设该人以匀速率0v 收绳，绳不伸长且湖水静止，小船的速率为v ，则小船作（ ）（A ）匀加速运动，0cos v v θ= （B ）匀减速运动，0cos v v θ= （C ）变加速运动，0cos vv θ= （D ）变减速运动，0cos v v θ=（E ）匀速直线运动，0v v =答案：1-5 B 、C ， D ， D ， B ， C 。
程守洙《普通物理学》(第5版)(上册)章节题库-力和运动(圣才出品)
第三部分章节题库说明：本部分严格按照程守洙主编的《普通物理学》（第5版）教材内容进行编写，每一章都精心挑选经典常见考题，并予以详细解答。
熟练掌握本书考题的解答，有助于学员理解和掌握有关概念、原理，并提高解题能力。
第1章力和运动一、选择题1．一辆汽车从静止出发，在平直公路上加速行进的过程中，如果发动机的功率一定，阻力大小不变，下列说法正确的是（）。
A．汽车的加速度是不变的B．汽车的加速度不断减小C．汽车的加速度与它的速度成正比D．汽车的加速度与它的速度成反比【答案】B【解析】根据公式P＝F·υ，由于给出了发动机的功率一定，速度υ变大，则F必须减小，而牵引力F减去阻力f即为汽车产生加速度的力，即F－f＝m a，f不变，a减小。
2．如图1-1所示，一轻绳跨过一个定滑轮，两端各系一质量分别为m1和m2的重物，且，滑轮质量及一切摩擦均不计，此时重物的加速度的大小为a。
今用一竖直向下的恒力F＝m1g代替质量为m1的重物，质量为m2的重物的加速度为a＇，则（）。
A．a＇＝aB．a＇＞aC．a＇＜aD．不能确定图1-1【答案】B3．一质点从静止出发，绕半径为R的圆周做匀变速圆周运动，角加速度为β，当该质点走完一周回到出发点时，所经历的时间为（）。
【答案】B【解析】对匀变速圆周运动，其公式与匀加速直线运动相似，根据题意，又因质点从静止出发，，则，而质点走完一周回到出发点时，θ＝2π，所以，可以解出。
4．下列表述中正确的是（）。
A．质点作圆周运动时，加速度一定与速度垂直B．物体作直线运动时，法向加速度必为零C．轨道最弯处法向加速度最大D．某时刻的速率为零，切向加速度必为零【答案】B【解析】，只有质点是匀速率圆周运动时，加速度a才与圆周的切向，即速度的方向垂直，故A错误；当物体作直线运动时，只可能有沿直线方向的加速度，因为如果加速度方向偏离直线，就会有垂直于直线的加速度分量，则会形成曲线运动，故B正确；法向加速度，而最弯处只是R最小，还与υ有关，并不能确定其最小，故C错误；某时刻的速率为零，法向加速度为零，但切向加速度不一定为零，故D错误。
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n
=
u
l
=
3×108 4×10-7
=7.5×1014 Hz
l =760nm
n
=
u
l
=
3×108 7.6×10-7
=395×1014 Hz
精品课件
结束 目录
16-3 一横波沿绳子传播时的波动表式为
y = 0.05 cos(10πt 4πx )
x, y 的单位为 m, t 的单位为s。
设波沿着x 轴正向传播，弹簧中某圈的最大
位移为3.0cm，振动频率为2.5Hz，弹簧中
相邻两疏部中心的距离为24cm。当 t =0时， 在x =0处质元的位移为零并向x 轴正向运动。
试写出该波的波动表式。
精品课件
结束 目录
解：
x =0
t =0 y=0
j=
π
2
y0= 0.03 cos(2π×2.5 t π2 )
= 4.62×10-7 J 精品课件
结束 目录
16-13 一平面简谐声波的频率为500Hz，
在空气中以速度u =340m/s传播, 到达人耳 时，振幅A =l0-4 cm，试求人耳接收到声波 的平均能量密度和声强 ( 空气的密度ρ=1.29
kg/m3)。
精品课件
结束 目录
解：
w = 12ρAω2 2
(1) A =0.05m n =5Hz l =0.5m
u = ln =0.5×5=2.5m/s
(2) um = Aω=0.05×10π=0.5πm/s am = Aω2 = 0.05×(10π)2 =0.5π2 m/s2
精品课件
结束 目录
(3) x =0.2m t =1s
Φ =4π 4π×0.2 =9.2π
2
结束 目录
y =0.2cos 2πt
10πx
3
+
π
2
y O
= 0.2cos
2πt
+
π
2
yP = 0.2cos 2πt
10π×0.3
3
+
π
2
=0.2cos 2πt
π
2
精品课件
结束 目录
16-11 已知一沿 x 轴负方向传播
的
平面余弦波，在t =1/3 s 时的波形如图所 示，且周期T =2s;
(1)写出o点的振动表式;
精品课件
结束 目录
解：
I = wu
w
=
I u
=
9×10-3 300
=
3×10-5 J/m3
最大能量密度wm
wm = 2 w = 6.0×10-5 J/m3 相邻同相面之间的波带所具有的能量等于
一个周期内通过S 面的能量。
W = w uT S = w u n1πr 2
= 3.0×10-5×300× 3100×3.14×(7.0×10-2)2
结束 目录
16-9 一平面简谐波在t =0时的波形曲 线如图所示，波速u =0.08m/s;
y/cm
0.04
u
o
.
.
0.2 0.4
x/cm
(1)写出该波的波动表式;
(2)画出t =T/8 精时品课件的波形曲线。 结束 目录
解： (1)
A =0.04m, u =0.08m/s，l =0.4m，
y/cm
16-10 一列沿x 正向传播的简谐波， 已知 t1= 0时和 t2= 0.25s时的波形如图所
示。试求：
(1)P点的振动表式;
(2)此波的波动表式;
(3)画出 o 点的振动曲线。
y/cm
0.2
t1= 0 u
t2= 0.25s
o P.
x/cm
0.45 精品课件
结束 目录
解： A =0.2m
y/cm
在原点处 x =0
10πt =9.2π
t =0.92s
y/m t =1.2s t =1s
0.05
t =1.25s
o
x/m
精品课件
结束 目录
16-4 设有一平面简谐波
y
=
0.02
cos
2π
t 0.01
x 0.3
x, y 以m计， t 以s计，
(1)求振幅、波长、频率和波速；
(2)求x = 0.1m处质点振动的初相位。
精品课件
结束 目录
解：
y
=
0.02
cos
2π
t 0.01
x 0.3
y
=
0.02
cos
2π(
t T
两式比较得到：
x l
)+ j
(1) A =0.02m n =100Hz l =0.3m
u = ln =0.3×100=30 m/s
(2) 当 x =0.1m t =0
j=
精品课件
2π
3
结束 目录
16-5 一平面简谐纵波沿线圈弹簧传播，
(2)
由式(1) 、 (2)可得：l =0.24m
j
=
4π
3
y
= 0.1cos
20πt精品课件02π.2x4
+
4π
3
m
结束 目录
16-7 已知一沿x 轴正向传播的平面余 弦波在t =1/3 s时的波形如图所示，且周 期T =2s
y/cm
10
o 20
-5
x/cm
(1)写出O点和 P 点的振动表式；
(2)写出该波的波动表式；
(1)对于O点
ω
t
+
j
=π×
1 3
+
j
=
23π
O点的振动规律：
y 0= 10 π c精o品s课(件 t π)
j= π
结束 目录
(2)波动方程为
y = 10
cos π( t
+
x 20
)
π
(1)
(3)对于Q点
ω
t
+
j
=π×
1 3
+
j
=π2
y Q
= 10
cos(πt
+
π
6
)
由式(1)可知：
j =π6
π
3
(1)求此波的振幅、波速、频率和波长。 (2)求绳子上各质点振动的最大速度和最 大加速度。
(3)求x = 0.2m处的质点在t =1s时的相
位，它是原点处质点在哪一时刻的相位?
(4)分别画出t = 1s,1.25s,1.50s各时刻
的波形。
精品课件
结束 目录
解：
y = 0.05 cos(10πt 4πx ) 与 y = Acos(2πn t 2lπx ) 比较得
这里是普通物理学第五版
1、本答案是对普通物理学第五版第十六章 的答案，本章共8节内容，习题有42题， 希望大家对不准确的地方提出宝贵意见 。
2、答案以ppt的格式，没有ppt的童鞋请自 己下一个，有智能手机的同学可以下一 个软件在手机上看的哦，亲们，赶快行 动吧。
精品课件
16-1 (1)试计算在270C时氦和氢中的 声速各为多少，并与同温度时在空气中的声 速比较(空气的平均摩尔质量为 29×10-3 kg/mol)。
(2)写出此波的波动表式;
(3)写出Q点的振动表式; (4)Q点离yo/点cm的距离多大?
o P.
-5
.Q
20
精品课件
u
x/cm
结束 目录
解：
y/cm
o P.
-5 20
u
.Q
x/cm
A =10cm T = 2s l =40cm
n = 0.5Hz ω= 2Tπ=π
u =l n =40×0.5 = 20cm/s
(2)在标准状态下，声音在空气中的速率
为331m/s，空气的比热容比γ是多少?
(3)在钢棒中声速为5100m/s，求钢的
杨氏模量(钢的密度ρ=7.8×103kg/m3)。
精品课件
结束 目录
解：(1)
γ=
i
+2 i
He
γ=
3+ 2 3
=1.67
H2
பைடு நூலகம்
γ=
5+ 2 5
=1.4
u He =
γRT
m
=
1.67×8.31×300 2×10-3
= 4×103m/s
γ uH2=
RT
m
=
1.4×8.31×300 2×10-3
= 1.32×103m/s
u空气=
γRT
m
=
1.4×8.31×300 29×10-3
精品课件
= 378m/s
结束 目录
(2)
γ
=
um
RT
= (3381.)32×1×292×7310-3=1.4
(3) u= ρY Y =ρu 2 = 7.8×103×(5100)2
j π 2 o
= 3 精品课件 -5
20
x/cm
结束 目录
波动方程为：
y
=10cos π(t
1 3
y =10cos πt
)
πx
20
πx
20
+
π+ 23π
3
cm
(1)
O点(x =0)的振动方程为：
y0
=10cos
πt
+
π
3
cm
求P点的振动方程
当
t
=
1 3
s