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第一篇 力学 3

第一章 运动学 3

1.1 参照系和坐标系 3

1.2 质点和刚体 4

1.3 位矢、速度和加速度 4

1.3.1 位置、位矢和位移 4

1.3.2 速度和加速度 6

1.3.3 速度、加速度的直角坐标分量表示式 7

1.3.4 质心 7

1.4 曲线运动、切向加速度和法向加速度 9

1.4.1 曲线运动、已知加速度求速度和位矢 9

1.4.2 切向加速度和法向加速度 12

1.4.3 圆周运动、角位移、角速度和角加速度 15

1.4.4 角量和线量的关系 16

1.4.5 刚体绕固定轴的转动 17

1.5 相对运动 18

1.6 力学单位制、量纲 20

1.6.1 力学单位制 20

1.6.2 量纲 21

附录1.1 微积分简介 22

1.1.1 导数 22

1.1.2 导数的运算 24

1.1.3 单变量函数的微分 26

1.1.4 积分 27

附录1.2 矢量 29

阅读材料 科学家介绍——伽利略 32

思考题与习题 35

第二章 动力学 38

2.1 牛顿三定律 38

2.1.1 牛顿三定律 38

2.1.2 4种基本相互作用 39

2.1.3 接触力 40

2.1.4 牛顿三定律的应用 42

2.1.5 伽利略相对性原理 49

2.1.6 非惯性系中的惯性力 50

2.2 动量和动量守恒定律 53

2.2.1 动量、冲量和动量定理 53

2.2.2 动量守恒定律 56

2.2.3 质心运动定理 57

2.2.4 变质量体系的运动方程、火箭 59

2.3 角动量和角动量守恒定律 62

2.3.1 质点的角动量和刚体定轴转动的角动量 62

2.3.2 平行轴定理 64

2.3.3 力矩 66

2.3.4 质点和定轴转动刚体的角动量定理、转动定律 68

2.3.5 角动量守恒定律 70

阅读材料2.1 科学家介绍——牛顿 74

阅读材料2.2 引力波 76

阅读材料2.3 关于惯性力——从月亮绕地球转还是地球绕月亮转说起 79

思考题与习题 82

第三章 功与能、机械能守恒定律 89

3.1 功和功率 89

3.1.1 力的功和功率 89

3.1.2 力矩的功和功率 90

3.2 几种力的功、势能 91

3.2.1 保守力的功 91

3.2.2 摩擦力的功 94

3.2.3 功和参照系的关系 94

3.2.4 势能 96

3.3 动能定理 97

3.3.1 质点的动能和动能定理 97

3.3.2 刚体定轴转动的动能定理 98

3.4 机械能守恒定律 99

3.4.1 功能原理 99

3.4.2 机械能守恒定律 100

3.4.3 功和能的定理与参照系的关系 100

3.4.4 刚体的平面运动 103

3.5 碰撞 107

3.5.1 碰撞与守恒定律 107

3.5.2 弹性碰撞和完全非弹性碰撞 107

3.6 进动 110

阅读材料 人为何能前行 111

思考题与习题 115

第四章 狭义相对论基础 122

4.1 狭义相对论的基本假设 122

4.1.1 爱因斯坦的基本假设 122

4.1.2 洛伦兹变换 123

4.1.3 狭义相对论的时空性质 124

4.2 相对论速度变换 127

4.3 相对论质量、动量和能量 129

4.3.1 相对论质量和动量 129

4.3.2 相对论能量 131

阅读材料4.1 科学家介绍——爱因斯坦 134

阅读材料4.2 宇宙大爆炸理论和实验证据 136

阅读材料4.3 正、负电子对撞机 139

思考题与习题 142

第五章 流体力学 144

5.1 流体运动的描述 144

5.1.1 流场、流线和流管 144

5.1.2 定常流动和不定常流动 145

5.2 定常流动的连续性方程 145

5.3 伯努利方程 146

5.3.1 理想流体 146

5.3.2 伯努利方程 146

5.3.3 伯努利方程的应用举例 148

5.4 实际流体的运动规律 151

5.4.1 粘滞流体的能量方程 151

5.4.2 湍流和雷诺数 153

5.4.3 泊肃叶定律 154

阅读材料 血液的流动和血压 156

思考题与习题 158

第二篇 热学 165

第六章 气体分子运动论 165

6.1 理想气体状态方程 165

6.1.1 状态参量 165

6.1.2 理想气体状态方程 166

6.2 理想气体的压强公式 167

6.2.1 理想气体的微观模型和等概率假说 167

6.2.2 理想气体的压强公式 169

6.2.3 温度的统计意义 170

6.3 麦克斯韦速率分布律 171

6.3.1 统计规律性与分布函数 171

6.3.2 麦克斯韦速率分布律 173

6.3.3 最概然速率、平均速率和方均根速率 174

6.3.4 验证麦克斯韦速率分布律的实验 176

6.4 玻耳兹曼分布律 177

6.4.1 重力场中大气密度和压强随高度的分布 177

6.4.2 麦克斯韦-玻耳兹曼分布律 178

6.5 能量按自由度均分定理 180

6.5.1 自由度 180

6.5.2 能量按自由度均分定理 180

6.5.3 理想气体的内能及热容量 182

6.6 气体的输运过程 183

6.6.1 气体分子碰撞频率和平均自由程 183

6.6.2 气体的输运过程 185

6.7 物质透过生物膜的输运 188

6.7.1 物质透过生物膜的输运 188

6.7.2 膜电位 189

阅读材料 血液透析 189

思考题与习题 192

第七章 热力学 195

7.1 热力学第一定律 195

7.1.1 热力学过程 195

7.1.2 功和热量 195

7.1.3 热力学第一定律 196

7.2 热力学第一定律的应用 197

7.2.1 理想气体的等容过程 197

7.2.2 理想气体的等压过程 198

7.2.3 理想气体的等温过程 198

7.2.4 理想气体的绝热过程 199

7.2.5 人体的新陈代谢 201

7.3 循环过程、卡诺循环 202

7.3.1 循环过程和热机的效率 202

7.3.2 卡诺循环 204

7.4 热力学第二定律 207

7.4.1 自然现象的不可逆性 207

7.4.2 热力学第二定律 208

7.4.3 卡诺定理 209

7.4.4 熵和熵增加原理 209

7.4.5 热力学第二定律的统计意义 213

思考题与习题 216

第三篇 电磁学 221

第八章 静电场 221

8.1 库仑定律 221

8.2 电场强度 223

8.2.1 电场和电场强度 223

8.2.2 场强叠加原理 224

8.3 高斯定理 228

8.3.1 电场线 228

8.3.2 电通量 230

8.3.3 高斯定理及其应用 231

8.4 静电场的环路定理、电势 235

8.4.1 静电场的环路定理 235

8.4.2 电势差和电势 236

8.4.3 场强与电势的关系 238

8.4.4 关于电势零点的讨论 241

8.5 导体的静电平衡、电容器 243

8.5.1 导体的静电平衡条件 243

8.5.2 导体表面的电荷分布和电场强度 243

8.5.3 尖端效应和静电屏蔽 246

8.5.4 电容、电容器 248

8.6 稳恒电流、基尔霍夫定律 253

8.6.1 电流的连续性方程、稳恒电流 253

8.6.2 欧姆定律、电动势 255

8.6.3 基尔霍夫定律 258

阅读材料8.1 电泳与太空制药 260

阅读材料8.2 导电高聚物 263

阅读材料8.3 闪电的物理学 267

思考题与习题 270

第九章 磁场 278

9.1 磁场的高斯定理 278

9.1.1 电流的磁效应 278

9.1.2 磁场、磁感应强度和磁感应线 280

9.1.3 磁感通量和磁场的高斯定理 282

9.2 磁场对电流的作用、磁矩 283

9.2.1 安培公式 283

9.2.2 磁场对平面载流线圈的作用、磁矩 284

9.3 毕奥-萨伐尔定律 286

9.3.1 毕奥-萨伐尔定律 286

9.3.2 毕奥-萨伐尔定律的应用 287

9.4 安培环路定理 291

9.4.1 安培环路定理 291

9.4.2 安培环路定理的应用 293

9.5 带电粒子在电场和磁场中的运动 295

9.5.1 洛伦兹力 295

9.5.2 带电粒子在磁场中的运动 295

9.5.3 回旋加速器 298

9.5.4 质谱仪 299

9.5.5 霍耳效应 301

阅读材料9.1 磁流体发电 302

阅读材料9.2 相对论效应不必在高速时显现——浅谈电与磁的相对性 304

思考题与习题 306

第十章 电磁感应 312

10.1 电磁感应定律 312

10.1.1 电磁感应现象 312

10.1.2 楞次定律 313

10.1.3 法拉第电磁感应定律 314

10.2 动生电动势和感生电动势 316

10.2.1 动生电动势 317

10.2.2 感生电动势和感生电场 319

10.3 自感与互感 323

10.3.1 自感应 323

10.3.2 互感应 325

10.4 自感磁能和互感磁能 327

10.4.1 自感磁能 327

10.4.2 互感磁能 329

阅读材料10.1 动物的磁感觉 331

阅读材料10.2 大肠杆菌的物理学 333

阅读材料10.3 核磁共振 336

思考题与习题 339

第十一章 物质中的电场和磁场 344

11.1 电介质、介质中的高斯定理 344

11.1.1 电介质的极化 344

11.1.2 极化强度和极化电荷密度 346

11.1.3 电位移，电介质中的高斯定理 347

11.2 磁介质、介质中的安培环路定理 350

11.2.1 磁介质和磁化强度矢量 350

11.2.2 磁化电流 352

11.2.3 磁介质中的安培环路定理 353

11.2.4 铁磁质 356

11.3 静电场和静磁场的能量 357

11.3.1 静电场的能量 357

11.3.2 静磁场的能量 359

阅读材料11.1 超导体 360

阅读材料11.2 科学家介绍——巴丁和库珀轶事 366

思考题与习题 369

第十二章 电磁场和电磁波 372

12.1 麦克斯韦方程组 372

12.1.1 位移电流与感生磁场 372

12.1.2 麦克斯韦方程组 377

12.2 电磁波的产生和传播 378

12.3 电磁波的能量和动量 379

12.3.1 电磁场的能量密度和能流密度 379

12.3.2 电磁波的动量 379

12.4 电磁波的辐射 381

12.4.1 辐射电磁波的条件 381

12.4.2 电偶极辐射和磁偶极辐射 381

12.4.3 轫致辐射 382

12.4.4 同步辐射 383

12.5 电磁波谱 384

阅读材料 生命系统的超微弱光子辐射 385

思考题与习题 387

第四篇 光学 391

第十三章 振动与波 391

13.1 一维简谐振动 391

13.2 阻尼振动、受迫振动与共振 395

13.3 简谐振动的合成 401

13.3.1 同方向、同频率简谐振动的合成 402

13.3.2 同方向、频率相近的简谐振动的合成 403

13.3.3 振动的谐波分析 405

13.3.4 同频率、振动方向垂直的两个简谐振动的合成 408

13.4 机械波的产生和传播 410

13.5 波的干涉、驻波 422

13.5.1 波的干涉 422

13.5.2 驻波 424

13.6 多普勒效应 427

阅读材料13.1 超声波在医学上的应用 430

阅读材料13.2 声音在哪里——人耳如何对声源定位 438

思考题与习题 441

第十四章 光的衍射与干涉 447

14.1 惠更斯-菲涅耳原理 447

14.2 单缝夫琅和费衍射 455

14.3 圆孔夫琅和费衍射与光学仪器的分辨本领 460

14.4 光栅衍射 463

14.4.1 主极大的位置与光强 467

14.4.2 缺级 467

14.4.3 光栅的色散 468

14.5 X光衍射 469

14.6 薄膜干涉 471

14.6.1 等厚与等倾薄膜干涉 472

14.6.2 劈尖干涉 473

14.6.3 牛顿环 474

14.6.4 迈克尔逊干涉仪 476

14.6.5 增透膜 477

14.7 全息照相 479

阅读材料 物种在分子水平上发生变异 482

思考题与习题 484

第十五章 光的偏振 488

15.1 自然光与偏振光 488

15.2 反射光的偏振、布儒斯特角 491

15.3 晶体的双折射 493

15.3.1 光轴在入射面内与晶体表面成一夹角，斜入射 495

15.3.2 光轴平行于晶体表面，正入射 496

15.3.3 光轴垂直于晶体表面，正入射 497

15.4 椭圆偏振光 499

15.5 偏振光的干涉 503

15.6 旋光性 506

阅读材料 光学显微镜的进展 508

思考题与习题 512

第五篇 近代物理 517

第十六章 量子物理基础 517

16.1 黑体辐射与普朗克的量子假说 517

16.2 德布罗意波 521

16.3 薛定谔方程 526

阅读材料16.1 单光子 534

阅读材料16.2 抓住原子的“机械手”——扫描隧穿显微镜 537

阅读材料16.3 微型机器向我们走来 541

阅读材料16.4 对单个生物分子的机械操控 545

思考题与习题 547

第十七章 原子与分子 549

17.1 氢原子 549

17.2 多电子原子 562

17.3 分子结构和分子光谱 568

阅读材料17.1 科学家介绍——居里夫人鲜为人知的另一面 575

阅读材料17.2 电子的质量是如何确定的 577

阅读材料17.3 施特恩与盖拉赫实验和电子自旋 579

思考题与习题 582

第十八章 激光 584

18.1 激光的产生 584

18.2 激光的应用 592

阅读材料18.1 激光冷却、原子捕陷与玻色-爱因斯坦凝聚 594

阅读材料18.2 天文望远镜的进展——激光灯标天文望远镜及哈勃天文望远镜 597

阅读材料18.3 适应光学用于眼科 602

阅读材料18.4 光速的测定及长度单位——米的新定义 604

阅读材料18.5 铯原子钟 608

阅读材料18.6 激光唱片放音机中的光学系统及光学存储器 610

阅读材料18.7 液面反射望远镜 613

第十九章 凝聚态 615

19.1 晶体的结构与能带 615

19.2 固体的电导 622

19.3 准晶体 630

19.4 介观体系 635

阅读材料19.1 负折射和光子晶体 641

阅读材料19.2 碳纳米管和石墨烯 646

附表 654

附表1 基本物理常量1986年的推荐值 654

附表2 保留单位和标准值 654

习题答案 655

主要参考书目 663