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概 述篇 3

第0章 概述物理学 3

0.1物理学和物质世界 3

0.1.1物质世界 3

0.1.2关于两个前沿的基本理论 3

0.1.3物理学使人们深刻认识物质世界 4

0.2物理学与科学思维 5

0.2.1物理学的研究方法 5

0.2.2物理学家的科学态度 6

0.3物理学与其他的学科发展 6

0.3.1物理学为其他学科创立原理和技术 6

0.3.2物理学为一切学科提供了基本的实验手段和基本研究方法 6

0.3.3物理知识是促进各学科发展的重要基础知识 6

0.4物理学中的基本研究思路 7

0.4.1物理学的分支 7

0.4.2物理学研究问题的共同思路 7

力 学篇 11

第1章 牛顿运动定律 11

1.1理想模型 自由度 11

1.1.1质点 刚体 11

1.1.2机械运动的基本形式 自由度 11

1.2质点运动的描述 12

1.2.1描述质点运动的物理量 12

1.2.2运动的坐标表述 13

1.3质点运动学问题举例 15

1.3.1直线运动 15

1.3.2抛体运动 16

1.3.3圆周运动 16

1.4牛顿运动定律 17

1.4.1牛顿运动定律 17

1.4.2牛顿运动定律与惯性参考系 18

1.5牛顿运动定律的应用举例 18

1.6非惯性系中的惯性力 20

1.6.1加速平动参考系中的惯性力 20

1.6.2均匀转动参考系中的惯性力——惯性离心力、科里奥利力 20

1.6.3地球因公转、自转引起的力学现象 21

习题 23

教学参考1-1矢量的基本运算和单位矢量的变化率 24

教学参考1-2常见力 26

教学参考1-3科里奥利力 27

第2章 运动与时空 31

2.1相对性原理和变换 31

2.1.1力学相对性原理和伽利略变换 31

2.1.2狭义相对论的基本原理 32

2.1.3爱因斯坦-洛伦兹变换 34

2.2狭义相对论的运动学效应 36

2.2.1时间膨胀（运动时钟变慢） 36

2.2.2长度缩短（运动尺度收缩） 37

2.2.3时空不变量 37

2.3相对论速度变换 38

2.4狭义相对论质量和动量 39

2.4.1相对论性质量和动量 39

2.4.2狭义相对论运动方程 39

2.4.3相对论性动能和能量 40

2.4.4相对论动量能量关系 41

2.5广义相对论简介 42

2.5.1等效原理 42

2.5.2广义相对性原理 43

2.5.3史瓦西场中固有时与真实距离 43

2.5.4史瓦西半径和黑洞 45

2.5.5广义相对论的可观测效应 45

习题 46

教学参考2-1洛伦兹变换的导出 47

第3章 对称性与守恒定律 50

3.1动量定理和动量守恒定律 50

3.1.1质点的动量定理 50

3.1.2质点系的动量定理 51

3.1.3动量守恒定律 52

3.2角动量定理和角动量守恒定律 54

3.2.1质点对定点的角动量 54

3.2.2质点的角动量定理和质点的角动量守恒 54

3.2.3质点系的角动量定理和角动量守恒定律 55

3.3动能定理和机械能守恒定律 56

3.3.1功和功率 56

3.3.2质点的动能定理 57

3.3.3质点系的动能定理 58

3.3.4一对内力的功 58

3.3.5保守力 58

3.3.6势能 60

3.3.7机械能守恒定律 61

3.4对称性与守恒定律 63

3.4.1对称性和对称操作（变换） 64

3.4.2对称性和因果律——对称性原理 64

3.4.3对称性与守恒定律 65

3.5质心和质心运动定理 65

3.5.1质心 65

3.5.2质心的速度 66

3.5.3质心运动定理 67

3.6质心参考系 67

3.6.1质心参考系 67

3.6.2质心系中的动力学规律 68

3.7刚体的定轴转动 69

3.7.1刚体的定轴转动 69

3.7.2定轴转动的基本方程 69

3.7.3转动惯量及其计算 70

3.7.4转动动能和力矩的功 72

3.7.5刚体定轴转动的角动量守恒 73

3.8牛顿力学的内在随机性 74

习题 75

教学参考3-1定轴转动定律和力矩的功 77

教学参考3-2旋进 78

波 动篇 85

第4章 振动 85

4.1简谐振动的描述 85

4.1.1简谐振动的特征 85

4.1.2谐振动的旋转矢量图示 86

4.1.3谐振动的运动微分方程 87

4.1.4谐振动的能量 90

4.2同方向简谐振动的合成 90

4.3垂直方向谐振动的合成 93

习题 94

教学参考4-1阻尼振动 96

教学参考4-2受迫振动 96

第5章 波动 99

5.1平面简谐波的描述 99

5.1.1波的产生 100

5.1.2平面简谐波的传播 100

5.1.3平面简谐波的余弦表达式（波函数） 101

5.1.4简谐波的复数表示 复振幅 103

5.1.5波的能量 103

5.2波的衍射 106

5.2.1惠更斯原理 106

5.2.2惠更斯原理给出所有波都具有衍射现象 107

5.2.3惠更斯作图法的应用举例 107

5.3波的干涉 108

5.3.1波的叠加原理和线性方程 108

5.3.2波的干涉现象 109

5.3.3驻波 110

5.4多普勒效应 113

5.4.1机械波的多普勒效应 113

5.4.2光波的多普勒效应 116

5.5光的横波性与偏振现象 117

5.5.1平面电磁波的波动方程和表达式 117

5.5.2基本偏振态 118

5.5.3光在各向同性介质表面反射折射时的偏振现象 120

5.5.4散射光的偏振现象 120

5.5.5光在各向异性晶体中的双折射现象 121

5.6光的干涉 123

5.6.1获得相干光的基本原则 123

5.6.2光程 124

5.6.3典型干涉实验 124

5.6.4椭圆偏振光 圆偏振光 134

5.7光的衍射 135

5.7.1光的衍射现象 惠更斯-菲涅耳原理 135

5.7.2单缝的夫琅禾费衍射 136

5.7.3光栅的夫琅禾费衍射 139

5.7.4圆孔的夫琅禾费衍射 140

5.7.5 X射线的衍射 142

习题 143

电 磁篇 147

第6章 恒定电场和恒定磁场 147

6.1真空中的静电场 147

6.1.1电荷量守恒定律和库仑定律 147

6.1.2电场和电场强度 148

6.1.3电场强度的计算 149

6.1.4静电场的性质方程之一——高斯定理 150

6.1.5静电场的性质方程之二——环路定理 155

6.1.6电势的计算 156

6.1.7等势面与电力线 157

6.2导体存在时的静电场 157

6.2.1金属导体的静电平衡 158

6.2.2导体的应用之一——静电屏蔽 161

6.2.3导体的应用之二——电容器的电容 162

6.3有电介质时的静电场 164

6.3.1电介质的极化可改变场的分布 164

6.3.2自由电荷和极化电荷共同产生电场 165

6.3.3电介质存在时的高斯定理 168

6.3.4电场能量密度 169

6.4恒定电流的电场 171

6.4.1电流 电流的连续性方程 171

6.4.2恒定电流的电场性质 172

6.4.3恒定电场和恒定电流的关系 172

6.4.4电动势 电源的作用 174

6.5真空中的稳恒磁场 175

6.5.1基本磁现象 磁性的起源 175

6.5.2磁场 磁感应强度 176

6.5.3磁感强度的计算 176

6.5.4稳恒磁场的性质方程 178

6.5.5应用安培环路定理求典型电流的磁场 179

6.5.6洛伦兹（磁）力的应用 182

6.5.7载流导线在磁场中受力 安培力 184

6.6磁介质 185

6.6.1磁介质对磁场的影响 185

6.6.2有介质时的磁场性质方程 186

习题 187

第7章 电磁场的统一性和相对性 193

7.1感生电场 193

7.1.1法拉第电磁感应定律 193

7.1.2感生电动势和感生电场 195

7.1.3实际电路中的感生电场 196

7.1.4磁场能量 197

7.2感生磁场 198

7.2.1电流概念的推广 全电流定理 198

7.2.2感生磁场 200

7.3麦克斯韦电磁场方程组 201

7.3.1麦克斯韦电磁场方程组的积分形式 201

7.3.2麦克斯韦电磁场方程组的微分形式 202

7.3.3麦克斯韦方程组与宏观电磁理论 202

7.4电磁场的物质性 统一性 相对性 203

7.4.1电磁场的物质性 203

7.4.2电磁场的统一性和相对性 204

7.4.3电磁场量的相对论变换 204

习题 205

统计量子篇 209

第8章 热学基础概念 209

8.1概述 209

8.1.1热学的研究对象 209

8.1.2热力学和统计物理 209

8.1.3系统的理想特征 210

8.1.4理想气体状态方程 210

8.2分子动理论的理想气体压强公式 211

8.2.1平衡态下气体分子微观量分布的等概率假设 211

8.2.2理想气体的微观图像 211

8.2.3气体分子动理论的压强公式 211

8.2.4温度的本质 212

8.2.5理想气体分子运动的方均根速率 213

8.3能量均分定理 理想气体的内能 213

8.3.1能量按自由度均分定理 213

8.3.2分子的平均动能 214

8.3.3理想气体的内能 214

8.4分布函数 麦克斯韦速率分布率 215

8.4.1分布函数 215

8.4.2麦克斯韦速率分布函数 216

8.4.3平均速率（速率的算术平均值）和方均根速率 216

8.4.4玻耳兹曼粒子密度分布律 217

8.5平均自由程和平均碰撞次数 218

8.6范德瓦耳斯气体方程 220

8.7热力学第一定律 221

8.7.1热力学第一定律 221

8.7.2热力学第一定律对理想气体准静态过程的应用 222

8.7.3自由膨胀 223

8.7.4循环过程 卡诺循环 223

8.8热力学第二定律 225

8.8.1自然过程的不可逆性 225

8.8.2热力学第二定律的宏观表述 225

8.8.3热力学第二定律的微观解释 225

8.8.4熵增加原理 226

8.8.5克劳修斯熵公式 226

习题 227

第9章 量子物理基础 229

9.1量子概念的形成 229

9.1.1黑体辐射 普朗克的能量子假说 229

9.1.2光电效应 爱因斯坦的光量子假说 231

9.1.3氢光谱 玻尔的量子论 232

9.2量子力学的基本原理 233

9.2.1德布罗意波 实物粒子的波粒二象性 233

9.2.2玻恩的统计假设 概率波 234

9.2.3不确定关系 力学量的统计不确定性 235

9.2.4薛定谔方程 236

9.2.5定态薛定谔方程 237

9.3量子力学重要结果举例 238

9.3.1体会量子力学解题过程 一维无限深方势阱中的粒子 239

9.3.2隧道效应 扫描隧道显微镜 240

9.3.3氢原子的量子力学结果 242

9.3.4电子自旋角动量 四个量子数 243

9.3.5原子核外电子的排布 243

9.4量子力学仍在发展 244

习题 244

第10章 耗散结构和社会科学 245

10.1耗散结构及其意义 246

10.1.1自组织现象 246

10.1.2开放系统的熵变 246

10.1.3研究耗散结构的意义 246

10.1.4西方和东方文化传统 247

10.2耗散结构的基元 248

10.3耗散结构的结构特征 250

10.3.1结构的层次性和自相似性 250

10.3.2耗散结构的开放特性 250

10.3.3耗散结构基元间的相互作用 251

10.3.4耗散结构和超循环 251

10.3.5耗散结构的时间响应特征 252

10.4耗散结构的状态特征 253

10.4.1耗散结构状态分类 253

10.4.2耗散结构稳态的特征 254

10.4.3耗散结构的混沌状态特征 255

10.4.4位垒和位垒参数 256

10.4.5耗散结构的稳定度 256

10.4.6混沌边缘状态 256

10.5耗散结构的演化特性 257

10.5.1量子跃迁 257

10.5.2耗散结构的突变 257

10.5.3耗散结构的渐变 258

10.5.4小结构突变对结构的影响 258

10.5.5耗散结构突变对内部结构和环境的影响 259

10.5.6渐变的积累导致突变的发生 260

10.5.7耗散结构演化的结构性、层次性、自相似性 260

10.5.8耗散结构演化的可预测性 261

10.6耗散结构的生成、变异和解体 261

10.6.1耗散结构形成的过程 262

10.6.2耗散结构生成过程的结构性、层次性、自相似性 262

10.6.3涌现性及耗散结构特征的结构性、层次性、自相似性 263

10.6.4耗散结构的变异 263

10.6.5耗散结构的解体 264

10.6.6创生的宇宙、创生的规律、没有终极意义的科学探索 265

10.7类比分析当今经济学 266

10.7.1经济学基元分析 266

10.7.2广义帕累托均衡 267

10.7.3新的人性 269

10.7.4有形手无形手 272

10.7.5做事方法，做人道理 273

习题 276

附录Ⅰ数值表 277

附录Ⅱ部分题解 279