复变函数
复数复数是实数的扩展,形式为 $z = x + iy$,其中 $x$ 和 $y$ 是实数,$i$ 是虚数单位,满足 $i^2 = -1$。复数可以在平面上表示为点 $(x, y)$,也可以用极坐标表示为 $z = re^{i\theta}$,其中 $r = |z| = \sqrt{x^2 + y^2}$ 是模,$\theta = \arg(z)$ 是幅角。
复数的运算定义用坐标形式表示为:
加法:$z_1 + z_2 = (x_1 + x_2) + i(y_1 + y_2)$
乘法:$z_1 z_2 = (x_1 x_2 - y_1 y_2) + i(x_1 y_2 + y_1 x_2)$
复共轭:$\overline{z} = x - iy$
模:$|z| = \sqrt{x^2 + y^2}$
用极坐标表示时,复数的乘法和除法可以简化为:
乘法:$z_1 z_2 = r_1 r_2 e^{i(\theta_1 + \theta_2)}$
除法:$z_1 / z_2 = \frac{r_1}{r_2} e^{i(\theta_1 - \theta_2)}$
复共轭:$\over ...
质点系动力学
质点系运动定理质点系的物理量满足标量和矢量叠加定理:
m=\sum m_i,\quad\vec{p}=\sum \vec{p_i},\quad\vec{L}=\sum \vec{L_i},\quad T=\sum T_i质心系质心的位置是质点的位置关于质量的加权平均,其质量为各质点质量之和:
m_0=\sum m_i,\vec{r}_0=\frac{\sum m_i\vec{r}_i}{m_0}质心的速度和加速度和动量为:
\vec{v}_0=\frac{d\vec{r}_0}{dt}=\frac{\sum m_i\vec{v}_i}{m_0},\vec{a}_0=\frac{d\vec{v}_0}{dt}=\frac{\sum m_i\vec{a}_i}{m_0},\vec{p}_0=\sum \vec{p}_i=\sum m_i\vec{v}_i这说明质点系的速度、加速度、动量和质心的速度、加速度、动量是相同的(注意角动量的不同)。
质点系的角动量为:
\begin{aligned}
\vec{L}&=\sum \vec{L}_i\\
&=\sum \vec{r}_i\times\ ...
质点动力学
省流
质点动力学基本定律
力学相对性原理
非惯性系与惯性力
质点动力学运动定理
动量定理和动能定理
角动量定理与角动能定理
常见的力
重力与引力
弹力
摩擦力
常见物体的转动惯量
匀质细杆
匀质圆盘
常见物体的转动惯量汇总
例题
匀质杆掉落瞬间
求解
省流
以牛顿定律$F=ma$和$M=I\beta$为基础推导出的动量定理$p=\int Fdt$和动能定理$E_k=\int Fdx$,以及角动量定理$L=\int Mdt$和角动能定理$E_r=\int Md\theta$,是质点动力学的核心定理。
这些定理本身就是微分形式的积分结果,所以使用牛顿定理进行求解与使用拉格朗日量求解是等价的。
对于转动问题,分别列出质心的平动方程和绕质心(或瞬时转轴)的转动方程联合求解,从而避免对约束力逐个分析(解除转动自由度);转动与平动相互耦合,转动会反过来影响质心运动。
质点动力学基本定律质点动力学以牛顿三定律为基础:
牛顿第一定律:如果一个物体不受外力作用,它将保持静止或匀速直线运动状态;
牛顿第二定律:物体的加速度与所受外力成正比,与物体的质量成反比;\vec{F}=m ...
质点运动学
省流
固定坐标系下的质点运动学
直角坐标系
极坐标系
柱坐标系
球坐标系
相对运动
任意平动参考系
旋转参考系
省流
运动的描述是求解动力学过程的基础。拉格朗日量和哈密顿量的求解十分依赖坐标的选取。一套好的坐标可能隐含了约束,从而降低求解的难度。
固定坐标系下的质点运动学矢量力学通过科学抽象,将研究对象简化为刚体乃至质点。我们通过矢量来描述质点的诸多物理量:
选定参考系的原点,质点的位置由径向矢量 $\vec{r}=r\hat{\tau}$ 表示;
质点的运动通过径向矢量的变化——位移来表示:$\Delta \vec{r}=\vec{r}_2-\vec{r}_1$;
质点的平均速度由位移对时间的导数来表示:$\bar{\vec{v}}=\frac{\Delta \vec{r}}{\Delta t}$;
质点的平均加速度由速度对时间的导数来表示:$\bar{\vec{a}}=\frac{\Delta \vec{v}}{\Delta t}$。
很多时候,我们更关心质点的瞬时速度和瞬时加速度:
\begin{aligned}
\vec{v}&=\lim_{\Delta t ...
数学物理方法
数学物理方法数学物理方法(按梁昆淼老师的讲法)包括复变函数和数学物理方程,我这里顺便把概统也加上了。
复变函数复变函数即自变量是复数的映射及其计算与性质。物理中能涉及到复数的部分主要在于电磁学(波动光学)与量子力学。
复变函数
级数与留数定理
数学物理方程数学物理方程聚焦于常微分方程和偏微分方程的解法。常微分方程一般解法较多,且存在许多已知的解析函数解(包括特殊函数);偏微分方程则有以下三种思路:
分离变量法:将偏微分方程转化为常微分方程,求解常微分方程的本征值问题;
积分变换法:利用傅里叶变换或拉普拉斯变换将偏微分方程转化为常微分方程;
格林函数法:将偏微分方程转化为一个积分方程。
偏微分方程
常微分方程
特殊函数和方程
偏微分方程的分离变量法1
偏微分方程的分离变量法2
偏微分方程的积分变换法
偏微分方程的格林函数法
概率与统计如果说随机变量及其分布是概率论的“静力学”部分,那么随机过程对应着“运动学”,随机微分方程对应着“动力学”。随机过程本身是随机微分方程的解,而随机微分方程则是随机过程的动力学方程。
随机变量及其分布
随机过程
随机微分方程
理论力学
理论力学研究物体机械运动的学科,被称为理论力学。其下的两大分支分别为——经典力学(矢量力学)和分析力学。
矢量力学研究力学,很自然从矢量力学开始,如位移、速度、加速度、力等。用矢量来表征物理量,以力矢量为核心,自然牛顿力学离不开图像的介入,这也与后面的分析力学形成了鲜明的对比。
从运动的定义出发,结合力的作用,可以发展出质点的运动学和(静)动力学,进而扩展为质点系的动力学。
质点运动学
质点动力学
质点系动力学
分析力学分析力学则抛弃了力的核心地位与矢量这一主要工具,转而以能量为核心,采用拉格朗日方程和哈密顿方程来描述物体的运动。
分析力学与经典力学是完全等价的,只不过,经典力学很难推广到其他领域;相反,分析力学则可以推广到电磁学、光学乃至量子力学。其中的根本原因在于,经典力学无法隐藏约束,只能将约束显式作为方程的一部分来减少自由度;如果我们不那么关注约束力的情况,那么分析力学可以简单明了的给出相应的运动规律。
达朗贝尔原理
拉格朗日动力学
哈密顿力学
在相应的理论框架下,分析力学可以在不同的应用场景大显身手:
有心力和散射问题
小振动
刚体力学
除此之外,还有以四维 ...
波动光学(偏振)
偏振光学
偏振态
马吕斯定律
自然光
部分偏振光
圆偏振光
椭圆偏振光
偏振度
双折射率晶体
晶体的双折射现象
介电常数张量
确定折射的方向
双折射晶体的应用
偏振器
相位延迟片(波晶片)
偏振光学偏振态一般将光的偏振态分为五种:
线偏振光:$\vec{E(t)}=\vec{A}\cos{(\omega t)}$,光矢量的模随时间变化,而方向不变,可以分解为两个正交的线偏振光分量:E_x=A_x\cos{(\omega t)},E_y=\pm A_y\cos{(\omega t)}
自然光:自然光是大量不同且独立的线偏振光的几何,因而具有轴对称性;
部分偏振光:自然光经过反射或折射,部分方向的线偏振光减弱,从而对称性减小;
圆偏振光:$\vec{E(t)}=\vec{A}\cos{(\omega t+\phi)}$,光矢量的模不变,方向随时间变化,可以分解为两个正交的线偏振光分量:E_x=A_x\cos{(\omega t)},E_y=\pm A_y\sin{(\omega t)}依据正负号分别表示右旋圆偏振光和左旋圆偏振光;
椭圆偏振光:分解为两个非正交的线偏振 ...
波动光学(衍射)
衍射导论
菲涅尔衍射积分
基尔霍夫衍射积分
基尔霍夫边界条件与傍轴衍射积分公式
衍射的分类
巴比涅原理
菲涅尔圆孔衍射
半波带法
单缝夫琅禾费衍射
矩孔夫琅禾费衍射
圆孔夫琅禾费衍射
夫琅禾费多缝衍射
正弦光栅
光栅光谱仪
闪耀光栅
\newcommand{\oiint}{\,\bigcirc\kern{-13.5pt}\int\kern{-7.2pt}\int}衍射导论当光波遇到障碍物的时候,或多或少偏离几何光学的直线传播,这种现象统称为光的衍射。光的波长和孔径线度相当时,衍射现象尤为明显,且关系满足:
\rho \Delta \theta\approx\lambda衍射现象可以使用惠更斯原理来解释,菲涅尔推导了衍射的数学表达式,称为惠更斯-菲涅尔原理:
\tilde{U}(P)=\oiint d\tilde{U}(P)菲涅尔衍射积分从物理的角度考虑,可以给出$d\tilde{U}(P)$的决定因素:
面元大小$dS$;
次波源的振幅$\tilde{U_0}$;
次波源发射球面波到场点$\dfrac{e^{ikr}}{r}$;
倾角因子$f(\theta_0,\th ...
波动光学(干涉理论)
干涉理论
干涉的条件
平行光干涉
分波前干涉
杨氏双缝干涉
菲涅尔双面镜
菲涅尔双棱镜
劳埃德镜
对切透镜
分振幅干涉
薄膜干涉
楔形薄膜(等厚干涉)
牛顿环(等厚干涉)
等倾干涉
迈克尔逊干涉仪
多光束干涉
法布里-珀罗干涉仪
非平行单色光
平行非单色光
空间相干性和时间相干性
干涉理论一般用复振幅描述光波:
U(P,t) =A(P) \cos{\omega t-\varphi(P)}\Leftrightarrow\tilde{U}(P,t) = A(P) e^{-i(\omega t-\varphi(P))}复振幅在运算中具有天然的优势。常见的复振幅有:
平面波:$U(P,t) = A \cos{\omega t - \vec{k} \cdot \vec{r}}\Leftrightarrow\tilde{U}(P,t) = A e^{-i(\omega t - \vec{k} \cdot \vec{r})}$
球面波:$U(P,t) = \frac{A}{r} \cos{\omega t - kr}\Leftrightarrow\tilde{U}(P ...
矩阵光学
Introduction and Assumptions矩阵光学指的是通过线性变换矩阵来描述几何光学传播过程的方法。这其中隐含了几个假设:
光线是直线(这也是几何光学的基本假设);
光线的传播是线性的;
光线满足傍轴近似(即光线的角度很小)。
我们用两个参数来描述光线的传播——光线的位置和方向:
\begin{pmatrix} x \\ \theta \end{pmatrix}光线通过线性变换矩阵$M$传播后,位置和方向变为:
\begin{pmatrix} x' \\ \theta' \end{pmatrix} = M \begin{pmatrix} x \\ \theta \end{pmatrix}显然,矩阵$M$是一个$2 \times 2$的矩阵:
M = \begin{pmatrix} A & B \\ C & D \end{pmatrix}如果我们有多个光学元件,每个元件都有一个传播矩阵$M_i$,那么这些元件的传播矩阵的乘积就是整个系统的传播矩阵:
M = M_n M_{n-1} \cdots M_2 M_1Sign Convention在矩阵光学中,我们使用以下符号 ...





