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第1篇　时空观与粒子力学 1

第1章　运动、时间与空间的相对性 2

1.1　运动的相对性 2

1.1.1 物体的运动和运动的物体 2

1.1.2 描述运动的基本物理量 5

1.1.3 经典时空观与伽利略变换 6

1.2　时间的相对性 8

1.2.1 经典的绝对时间概念 8

1.2.2 爱因斯坦的假设 9

1.2.3 时间的膨胀效应 11

1.3　长度的相对性 14

1.3.1 长度的洛伦兹收缩效应 14

1.3.2 科学幻想曲——星外旅行 16

1.4　洛伦兹变换　相对论运动学 18

1.3.1 洛伦兹坐标变换 18

1.3.2　相对论运动学 22

第2章　运动变化和相互作用 24

2.1　质点运动学 24

2.1.1 质点运动的矢量描述 24

2.1.2　速度和加速度的相对性 28

2.1.3　研究与探索：广义坐标的运用 29

2.2　几种基本的运动学问题 32

2.2.1 由加速度到速度与坐标 32

2.2.2 匀加速运动 33

2.2.3 圆周运动 37

2.2.4　在给定轨道上的运动 39

2.3　牛顿运动定律 41

2.3.1 惯性定律 41

2.3.2 牛顿第二定律 44

2.3.3 牛顿第三定律——作用与反作用原理 46

2.3.4 几种常见的力 46

2.4　质心的运动和外力 50

2.4.1 质心运动定理 50

2.4.2 质心运动守恒定律 54

第3章 时空对称性与守恒定律 57

3.1　对称性原理与守恒定律 57

3.1.1 对称性 57

3.1.2 守恒定律 60

3.2　空间平移对称性和动量守恒定律 62

3.2.1 空间均匀性和动量守恒 62

3.2.2 时空对称性破缺与动量定理 64

3.2.3 研究与探索：用广义坐标和Dirac符号表述的动量原理 66

3.3　质心坐标系与二体系统 70

3.3.1 质心坐标系 70

3.3.2 二体系统相对于质心的运动 70

3.3.3 火箭的运动 72

3.4　时间平移对称性与能量守恒定律 75

3.4.1 时间均匀性与能量守恒定律 75

3.4.2 动能定理 77

3.4.3 保守力与势能 78

3.4.4 机械能守恒定律及其应用 83

3.5　科尼希定理　二体碰撞 87

3.5.1　科尼希定理 87

3.5.2 二体碰撞 89

3.5.3 二体碰撞应用技术 92

3.5.4 理论预言与抓住机遇：中子的发现 93

3.6　相对论中的守恒定律 96

3.6.1 动量守恒与质速关系 96

3.6.2 相对论的能量与能量守恒定律 97

3.6.3 相对论动量-能量四维矢量及其长度的不变性 100

3.6.4 科学猜想：从零质量与负能量猜想负质量 102

3.7　空间各向同性与角动量守恒 104

3.7.1 描述转动的物理量 104

3.7.2 角动量定理 106

3.7.3 角动量守恒定律 107

3.8　刚体定轴转动 111

3.8.1 刚体的转动 111

3.8.2 刚体的角动量、转动动能和转动惯量 113

3.8.3 刚体定轴转动动力学方法 116

3.9　研究与探索：广义动量原理与广义动量-能量原理 121

3.9.1 刚体的平面平行运动 121

3.9.2 广义坐标表述的广义动量原理 123

3.9.3 广义坐标表述的广义动量-能量原理 125

第4章　分子热运动的统计描述 128

4.1　气体状态的描述 128

4.1.1 气体的平衡态 128

4.1.2 气体状态方程 131

4.2　气体分子热运动的速率和能量分布 134

4.2.1 麦克斯韦速率分布律 134

4.2.2 玻耳兹曼分布 138

4.2.3 麦克斯韦-玻耳兹曼能量分布 140

4.3　气体温度和压强的统计意义 141

4.3.1 温度的微观实质 141

4.3.2　理想气体压强公式 143

4.4　能量按自由度均分定理 144

4.4.1 能量均分定理的理论依据 144

4.4.2 能量按自由度均分定理 145

4.4.3 理想气体的内能 146

4.5　分子的碰撞与气体内的迁移现象 148

4.5.1 气体分子的平均自由程 148

4.5.2　输运过程的宏观规律 149

4.5.3　输运过程的微观解释 151

第5章　能量转换的热力学定律 154

5.1　热力学第一定律 154

5.1.1 准静态过程的功 154

5.1.2 热力学第一定律 157

5.2　热力学第一定律对理想气体的应用 159

5.2.1 第一定律在三个等值过程中的应用 159

5.2.2 理想气体的摩尔热容 160

5.2.3 绝热过程 162

5.2.4 多方过程 163

5.3　循环过程　卡诺循环 165

5.3.1 正循环过程 165

5.3.2 逆循环过程 168

5.3.3 应用技术 170

5.4　热力学第二定律　卡诺定理 173

5.4.1 热力学第二定律的开尔文表述 173

5.4.2 热力学第二定律的克劳修斯表述 174

5.4.3 热力学第二定律两种表述的等效性 175

5.4.4 热力学第二定律的意义与实质 176

5.4.5 卡诺定理 177

5.5　熵与熵增加原理 179

5.5.1 熵是态函数 179

5.5.2 系统熵变的计算 181

5.5.3 熵增原理 182

5.5.4 熵增加原理的本质 183

5.5.5 研究与探索：熵和信息、生命及其他 185

第6章　原子与原子核 188

6.1　α粒子散射与原子核式模型 188

6.1.1 原子的基本性质 188

6.1.2 卢瑟福原子模型 190

6.1.3 卢瑟福散射公式 193

6.2　原子的量子态 195

6.2.1 玻尔的量子态原子模型 195

6.2.2 原子的角动量与原子态 200

6.3　原子核及其放射性衰变 204

6.3.1 原子核的一般性质 204

6.3.2 原子核的放射性 206

6.4　核反应中的守恒定律 210

6.4.1 核反应中的守恒性 210

6.4.2 应用技术——原子的裂变和聚变及其利用 213

第2篇　场与波 215

第7章 电荷与电场 216

7.1 电荷 电场和电场强度 216

7.1.1 电荷及其守恒定律 216

7.1.2　库仑定律 218

7.1.3 电场与电场强度 219

7.1.4 静电应用与防范技术 223

7.2　静电场的环路定理和电势 224

7.2.1 静电场的环路定理 224

7.2.2 电势与电势差 225

7.2.3 电势的计算 226

7.3 电场强度与电势梯度的关系 229

7.3.1 电场与电势的几何描述 229

7.3.2 电场强度与电势的关系 231

7.3.3 用电势梯度计算电场强度 232

7.4　电介质　静电场的高斯定理 234

7.4.1 电介质及其极化 234

7.4.2 静电场的高斯定理 236

7.4.3 用高斯定理计算电场强度 238

7.5　静电场中的导体　电容 242

7.5.1 静电场中的导体 242

7.5.2 导体空腔与静电屏蔽 244

7.5.3 电容器及其电容 245

第8章　磁场 249

8.1　磁场和磁感强度 249

8.1.1 磁性起源于电荷的运动——电流 249

8.1.2 磁场的基本性质：对运动电荷的作用 250

8.1.3　霍耳效应 252

8.1.4 洛伦兹力的应用 254

8.2　毕奥-萨伐尔定律 255

8.2.1 毕奥-萨伐尔定律 255

8.2.2 毕奥-萨伐尔定律的应用 256

8.3　电磁场的相对论变换 259

8.3.1 运动电荷的磁场 259

8.3.2 电磁场的相对论变换 261

8.3.3 相对论条件下运动电荷的电磁场 262

8.4　磁场的两个基本定理 264

8.4.1　磁场的高斯定理 264

8.4.2 磁场的安培环路定理 264

8.4.3 安培环路定理的应用 265

8.5　磁场对电流的作用 268

8.5.1 安培定律 268

8.5.2　安培定律的应用 268

8.6　磁场中的磁介质 273

8.6.1 磁介质及其磁化强度 273

8.6.2 有磁介质时的安培环路定理 275

8.7　磁场中的原子 277

8.7.1　原子的磁矩 277

8.7.2 外磁场对原子的作用 278

第9章 电磁感应与电磁场 283

9.1　电磁感应定律 283

9.1.1　楞次定律 283

9.1.2 法拉第电磁感应定律 284

9.2　动生电动势与感生电动势 286

9.2.1 动生电动势 286

9.2.2　感生电动势 289

9.2.3 感生电场的应用 290

9.3　自感与互感 291

9.3.1 自感 291

9.3.2　互感 293

9.4 电磁场的能量 电磁场能量密度 295

9.4.1 静电场的能量 295

9.4.2　磁场的能量 297

9.5　麦克斯韦电磁场理论 299

9.5.1　位移电流假设 300

9.5.2　麦克斯韦方程组 301

第10章　振动与波 305

10.1　简谐运动　相位 305

10.1.1 简谐运动的特征 305

10.1.2 简谐运动的描述 309

10.1.3 计算本征频率的能量法 312

10.2　振动的合成　受迫振动 315

10.2.1 振动的合成 315

10.2.2 受迫振动 318

10.2.3 应用技术：隔振与消振 320

10.3　机械波 323

10.3.1 固体弹性介质的力学性质 324

10.3.2　平面简谐波的波函数 326

10.3.3　波的能量与波的强度 329

10.4　波的叠加和干涉　驻波 332

10.4.1 波的干涉 332

10.4.2　驻波及其形成 334

10.5　电磁振荡与电磁波 338

10.5.1 电磁振荡 338

10.5.2 电磁波 340

10.6　声波　多普勒效应 345

10.6.1 声波 345

10.6.2 声波的多普勒效应 347

10.6.3 多普勒效应的应用 349

第3篇　波粒二象性 352

第11章　光的波动性 353

11.1　光的双缝干涉 353

11.1.1 光的干涉的基本概念 353

11.1.2　杨氏双缝干涉 355

11.2　薄膜干涉　劈尖干涉　牛顿环 358

11.2.1　薄膜干涉 358

11.2.2　劈尖干涉 359

11.2.3　牛顿环 360

11.2.4 干涉在工程技术中的应用——测量某些气体含量 361

11.3　光的单缝与圆孔衍射 362

11.3.1 夫琅和费单缝衍射 362

11.3.2 圆孔衍射 365

11.4　光栅衍射　X射线的衍射 367

11.4.1　衍射光栅 367

11.4.2 关于光栅衍射的几个问题 368

11.4.3 衍射在工程技术中的应用——晶体X射线分析 370

11.5　光的偏振　马吕斯定律 371

11.5.1 自然光和偏振光 372

11.5.2 马吕斯定律 372

11.5.3 反射光和折射光的偏振 374

第12章　光的粒子性 376

12.1　黑体辐射和普朗克量子假设 376

12.1.1 热辐射现象 376

12.1.2 黑体辐射基本定律 377

12.1.3 普朗克量子假设和普朗克公式 378

12.2　光电效应和爱因斯坦光子理论 381

12.2.1 光电效应 381

12.2.2 爱因斯坦光子理论 382

12.3　康普顿散射 384

12.3.1 康普顿散射公式 384

12.3.2 电子与光子作用的理论研究与探索 388

12.4　光的波粒二象性 388

12.4.1 对光的认识的历史回顾 388

12.4.2 光波粒二像性的关系式 389

第13章　粒子的概率波 391

13.1　物质的波粒二象性 391

13.1.1 德布罗意的物质波假说 391

13.1.2 德布罗意假设的实验验证 393

13.1.3 德布罗意驻波思想和量子态 394

13.1.4 微观粒子在微观空间的运动没有轨道 394

13.2　波函数及概率慨念　不确定关系 396

13.2.1 物质波函数 396

13.2.2 物质波是概率波 396

13.2.3 态的叠加原理 398

13.2.4 不确定度关系 398

13.3　薛定谔方程 401

13.3.1 含时薛定谔方程 401

13.3.2　定态薛定谔方程 402

13.3.3 应用举例：一维无限深势阱 403

13.4　氢原子的量子力学模型 406

13.4.1 氢原子的薛定谔方程 406

13.4.2 量子化条件和量子数 407

13.4.3 氢原子的波函数和电子的概率分布 408

13.5　原子的壳层结构与元素周期律 410

13.5.1 电子状态的描述 410

13.5.2 原子的电子壳层结构 412

13.5.3 元素周期律 413

13.5.4 激光 414

习题参考答案 417