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第一篇 力学 3

第1章　质点运动学 3

1.1　质点，参考系和坐标系 3

1.1.1　理想模型——质点 3

1.1.2　参考系和坐标系 3

1.2　时间和空间的测量 3

1.2.1　时间的测量 4

1.2.2　空间的测量 5

1.3　位矢、速度和加速度 5

1.3.1　位矢和运动方程 6

1.3.2　位移 6

1.3.3　速度 6

1.3.4　加速度 7

1.3.5　切向加速度和法向加速度 8

1.4　运动学中的问题类型和常见运动 9

1.4.1　直线运动 10

1.4.2　理想的抛体运动应满足哪四个假设条件 11

1.4.3　圆周运动 12

1.5　相对运动 14

思考题 16

习题 16

物理学与现代科学技术 17

探索太空 17

第2章　质点动力学 22

2.1　牛顿运动定律 22

2.1.1　牛顿第一定律 22

2.1.2　牛顿第二定律 22

2.1.3　牛顿第三定律 23

2.1.4　牛顿运动定律的适用范围 23

2.2 四种基本的力和力学中的常见力 23

2.2.1 四种基本的相互作用力 23

2.2.2　力学中的常见力 24

2.3　牛顿运动定律的应用 25

2.3.1 动力学问题的类型及解题的基本方法 25

2.3.2　在使用牛顿定律解题时的解题步骤 25

2.4　用有效质量替代法求解复合阿特伍德机 27

2.4.1　简单阿特伍德机的有效质量 27

2.4.2　求解复合机 28

2.4.3　多次复合机 28

2.4.4　学生练习 29

2.5　非惯性系、非惯性系中的运动定律 30

2.5.1　惯性系和非惯性系 30

2.5.2　非惯性系中的运动定律 30

2.5.3　惯性力 30

2.5.4　宇航员遇到的超重和失重 31

2.6　惯性离心力 32

2.6.1　惯性离心力 32

2.6.2　惯性离心力的典型事例及其应用 32

2.6.3　科里奥利力简介 32

思考题 33

习题 33

科学家介绍 35

牛顿（Isaac Newton,1642—1727） 35

第3章　运动守恒定律 37

3.1　功、动能定理 37

3.1.1 变力沿曲线所作的功 37

3.1.2　功率 39

3.1.3　动能　动能定理 39

3.2　保守力和势能 40

3.2.1　保守力、非保守力和耗散力 40

3.2.2　势能 41

3.3　功能原理、机械能守恒、能量守恒定律 42

3.3.1　功能原理 42

3.3.2　机械能守恒和转换定律 43

3.3.3　能量守恒和转换定律 43

3.3.4　第一、第二、第三宇宙速度 44

3.4　动量定理 46

3.4.1　质点的动量和动量定理 46

3.4.2　冲力和冲量 46

3.4.3　对动量定理的几点说明 47

3.5 动量守恒 48

3.5.1　质点系的动量定理 48

3.5.2　动量守恒定律 48

3.5.3　同一性问题 50

3.6　火箭飞行原理 50

3.6.1　单级火箭的飞行 50

3.6.2　多级火箭 51

3.6.3　火箭的推力及火箭的运动方程 51

3.7　质点的角动量定理和角动量守恒 52

3.7.1　力矩 52

3.7.2　角动量 53

3.7.3　质点的角动量定理和角动量守恒 53

3.7.4　角动量守恒定律的应用 54

3.8　刚体运动的描述 55

3.8.1　刚体 55

3.8.2　刚体的平动和转动 55

3.8.3　刚体定轴转动的描述 56

3.9　定轴转动的转动定律及转动惯量 56

3.9.1　定轴转动的转动定律 56

3.9.2　转动惯量的概念 57

3.9.3　转动惯量的计算 57

3.10　刚体的角动量定理和角动量守恒 60

3.10.1　刚体的角动量 60

3.10.2　刚体的角动量定理 60

3.10.3　角动量守恒及其应用 61

3.11　对称性与守恒定律 62

3.11.1　对称性 62

3.11.2　物理定律的对称性 62

3.11.3　物理定律对称性与守恒定律 63

思考题 64

习题 65

物理学与现代科学技术 67

中国与其他强国重要科技成就时间比较 67

第4章　狭义相对论基础 68

4.1　伽利略变换和力学的相对性原理 68

4.1.1　伽利略变换 68

4.1.2　经典力学的时空观 69

4.1.3　力学的相对性原理 69

4.2　狭义相对论的基本原理 70

4.2.1　经典力学的困难 70

4.2.2　狭义相对论的基本原理 70

4.3　洛仑兹变换 71

4.3.1　洛仑兹 71

4.3.2　洛仑兹变换 72

4.3.3　相对论的速度变换式 72

4.4　相对论的时空观 74

4.4.1　同时性的相对性 74

4.4.2　时间间隔的相对性 74

4.4.3　空间长度的相对性 76

4.5　狭义相对论动力学方程 77

4.5.1　相对论质量与速率的关系 77

4.5.2　相对论动量 78

4.5.3　相对论动力学方程 78

4.6　相对论动能和质能关系式 79

4.6.1　相对论动能 79

4.6.2　相对论质能关系式 79

4.6.3　相对论能量和动量关系式 80

4.7　广义相对论简介 81

4.7.1　等效原理　广义相对性原理 81

4.7.2　广义相对论效应及其实验验证 82

思考题 83

习题 83

科学家介绍 83

爱因斯坦（Albert Einstein,1879—1955） 83

第5章　机械振动 86

5.1　简谐振动 86

5.1.1　弹簧振子模型 86

5.1.2　简谐振动的动力学方程 86

5.1.3　简谐振动的速度和加速度 87

5.1.4　描绘简谐振动的三个特征参量——振幅、周期和相位 88

5.1.5　相位差 88

5.2　简谐振动的旋转矢量表示法 91

5.3　简谐振动的能量 92

5.4　简谐振动的合成 93

5.4.1 同方向同频率的两简谐振动的合成 94

5.4.2　两个互相垂直的同频率的简谐振动的合成 95

5.5　阻尼振动、受迫振动及共振 97

5.5.1　阻尼振动 97

5.5.2　受迫振动　共振 98

思考题 98

习题 99

物理学与现代科学技术 100

混沌（chaos） 100

第6章　机械波 102

6.1　机械波的基本概念 102

6.1.1　机械波的产生条件和传播特征 102

6.1.2　机械波的类型 103

6.1.3　波长、波速和波的频率 103

6.2　平面简谐波的表达式 104

6.2.1　平面波的研究方法 104

6.2.2　平面简谐波的表达式 104

6.2.3　平面简谐波表达式的物理意义 105

6.2.4　计算题的类型 106

6.3　波的能量和能流密度 107

6.3.1 在波动存在的媒质内任一体积元△V中的能量 107

6.3.2　波的能量传播特征 108

6.3.3　能量密度 108

6.3.4　能流、能流密度或波强 108

6.3.5　声强和声强级 109

6.4　波的叠加原理和波的干涉 110

6.4.1　波的叠加原理 110

6.4.2　波的干涉 110

6.5　反射波的相位和驻波 112

6.5.1　反射波的相位 112

6.5.2　驻波 113

6.6　多普勒效应 114

思考题 115

习题 116

物理学与现代科学技术 117

超声波的特性及其应用 117

第二篇　热学 123

第7章　气体动理论 123

7.1　气体动理论的基本观点 123

7.1.1　分子运动的基本观点 123

7.1.2　气体系统的平衡态 124

7.1.3　分子运动的统计规律性 125

7.2　气体运动状态的描述 125

7.2.1　物态参量 125

7.2.2　物态方程 125

7.2.3　道尔顿分压定律 127

7.3　理想气体的压强公式和温度的意义 127

7.3.1　克劳修斯的理想气体模型 127

7.3.2　理想气体的压强公式 128

7.3.3　温度的统计意义 129

7.4　能量均分定理　理想气体的内能 130

7.4.1　分子运动的自由度 130

7.4.2　能量均分定理 130

7.4.3　理想气体的内能 131

7.5　麦克斯韦和玻耳兹曼统计分布律 131

7.5.1　麦克斯韦速率分布定律 131

7.5.2　分子速率的统计平均值 132

7.5.3　玻耳兹曼分布定律 134

7.5.4　大气密度和压强随高度的变化 135

7.6　气体分子的碰撞 135

7.6.1　平均碰撞频率 135

7.6.2　平均自由程 136

7.7　非平衡态下气体内的迁移现象 137

7.7.1　粘滞现象 137

7.7.2　热传导现象 137

7.7.3　扩散现象 138

7.8　液体的表面现象 138

7.8.1　液体的表面张力 138

7.8.2　弯曲液面下的附加压强 140

7.8.3　润湿现象　毛细现象 141

7.8.4　表面活性物质　表面吸附 143

思考题 144

习题 144

第8章　热力学基础 146

8.1　热力学第一定律 146

8.1.1　热力学的一些基本概念 146

8.1.2　热力学第一定律 148

8.2　理想气体的热力学过程 148

8.2.1　理想气体的等体过程 149

8.2.2　理想气体的等压过程 149

8.2.3　理想气体的等温过程 151

8.2.4　理想气体的绝热过程 152

8.2.5　理想气体的多方过程 153

8.3　循环过程 154

8.3.1　热机循环与致冷机循环 154

8.3.2　卡诺循环 156

8.4　热力学第二定理 158

8.4.1 热力学第二定理的表述 158

8.4.2　可逆过程和不可逆过程 159

8.4.3　卡诺定理 159

8.4.4　热力学第二定理的统计意义 160

8.5　熵 161

8.5.1　熵和熵增加原理 161

8.5.2　熵变计算 162

思考题 164

习题 164

物理学与现代科学技术 165

熵与信息 165

耗散结构 167

第三篇 电磁学 173

第9章　静电场 173

9.1 电荷的基本性质和库仑定律 173

9.1.1　电荷守恒 173

9.1.2　电荷的量子化 174

9.1.3　库仑定律 174

9.1.4　静电力的叠加原理 175

9.2　电场 电场强度 177

9.2.1　电场 177

9.2.2　电场强度 177

9.2.3　点电荷的场强 177

9.2.4　电场强度叠加原理 178

9.3　高斯定理 180

9.3.1　电力线 180

9.3.2　电通量 181

9.3.3　高斯定理 181

9.3.4　利用高斯定理求场强 183

9.4　静电场环路定理　电势 185

9.4.1　静电场力做的功 185

9.4.2　静电场的环路定理 186

9.4.3　电势 186

9.4.4　电势叠加原理 188

9.5　静电场中的导体 电容器 189

9.5.1　导体的静电平衡 189

9.5.2　导体上的电荷分布 190

9.5.3　导体表面的场强 190

9.5.4　静电屏蔽 191

9.5.5　电容器的电容 191

9.6　静电场中的电介质 194

9.6.1　有电介质的电容器 194

9.6.2　电介质的极化 195

9.6.3　电介质中的静电场 196

9.6.4　有电介质时的高斯定理电位移矢量 197

9.7　静电场的能量 199

9.7.1　带电电容器的静电能 199

9.7.2　电场的能量 200

思考题 201

习题 202

物理学与现代科学技术 204

生物的电现象及其应用 204

第10章　稳恒磁场 207

10.1　磁场　磁感应强度 207

10.1.1　基本磁现象 207

10.1.2　磁场 208

10.1.3　磁感应强度 208

10.2　毕奥—萨伐尔定律 209

10.2.1　毕奥—萨伐尔定律 209

10.2.2　运动电荷的磁场 210

10.2.3　毕奥—萨伐尔定律的应用 211

10.3　磁场的高斯定理 213

10.3.1　磁感应线 213

10.3.2　磁通量 213

10.3.3　磁场的高斯定理 214

10.4　安培环路定理 214

10.4.1　安培环路定理的表述及验证 214

10.4.2　安培环路定理的应用 216

10.5　洛仑兹力 安培力 218

10.5.1　洛仑兹力 218

10.5.2　安培力 219

10.5.3　磁约束原理 220

10.6　介质中的磁场 221

10.6.1　磁介质对磁场的影响 221

10.6.2　有磁介质时的高斯定理 222

10.6.3　有磁介质时的安培环路定理 222

思考题 223

习题 224

物理学与现代科学技术 226

超导的基本特性及其应用 226

第11章 电磁感应 电磁场 229

11.1 电磁感应的基本定律 229

11.1.1　电磁感应现象 229

11.1.2　电动势 230

11.1.3　楞茨定律 231

11.1.4　法拉第电磁感应定律 231

11.2　动生电动势　感生电动势 232

11.2.1　动生电动势 233

11.2.2　感生电动势　感生电场 234

11.3 自感 ＊互感 236

11.3.1 自感现象 236

11.3.2 自感电动势和自感系数 236

11.3.3　互感 237

11.4　磁场的能量 238

11.4.1 自感磁能 238

11.4.2　磁场的能量 239

11.5　位移电流　麦克斯韦方程组 239

11.5.1　位移电流 240

11.5.2　麦克斯韦方程组 241

11.6　电磁波 242

11.6.1 电磁波存在的预言及证实 242

11.6.2　电磁波的基本性质 243

11.6.3　电磁波谱 243

思考题 244

习题 245

科学家介绍 246

法拉第（Michael Faraday,1791—1867） 246

第四篇 波动光学 251

第12章　光的干涉 251

12.1　光干涉的基本原理 251

12.1.1　光的干涉现象 251

12.1.2　产生光干涉的基本条件 251

12.1.3　光干涉的计算方法 252

12.2　光干涉的实现方法及应用 254

12.2.1　分波阵面的双光束干涉 254

12.2.2　分振幅的双光束干涉 257

12.2.3　光干涉在现代科技领域的应用 263

思考题 266

习题 267

第13章　光的衍射 269

13.1　光衍射的基本原理 269

13.1.1　光的衍射现象 269

13.1.2　产生光衍射的基本条件 269

13.1.3　光衍射的分类及计算方法 270

13.2　光衍射的实现方法及应用 271

13.2.1　单缝夫琅禾费衍射 271

13.2.2　圆孔夫琅禾费衍射 274

13.2.3　光栅衍射 275

13.2.4　光衍射在现代科技领域中的应用 278

思考题 283

习题 283

第14章　光的偏振 286

14.1　光偏振的基本原理 286

14.1.1　光的偏振现象 286

14.1.2　光偏振的产生及计算 286

14.1.3　光偏振状态的分类及表示 287

14.2　光偏振的实现方法及应用 288

14.2.1　偏振片的起偏和检偏 288

14.2.2　介质分界面上的反射和折射 290

14.2.3　双折射 292

14.2.4　光偏振在现代科技领域中的应用 295

思考题 298

习题 299

第五篇 近代物理及其应用 303

第15章　量子光学概论 303

15.1　黑体辐射 303

15.1.1　热辐射现象 303

15.1.2　黑体辐射定律 304

15.1.3　普朗克量子假设 305

15.2　光电效应 306

15.2.1　光电效应的实验规律 306

15.2.2　爱因斯坦的光子假设和光电效应方程 308

15.2.3　光电效应的应用 308

15.3　康普顿效应 309

15.3.1　康普顿效应 309

15.3.2　光子理论的解释 309

15.3.3　光的波粒二象性 310

思考题 311

习题 311

第16章　量子力学简介 312

16.1　早期量子论 312

16.1.1　原子模型 312

16.1.2　氢原子光谱 313

16.1.3　玻尔氢原子理论 314

16.2　量子力学基本概念 315

16.2.1　物质波 316

16.2.2　波函数及其统计解释 318

16.2.3　不确定关系 319

16.2.4　薛定谔方程 320

思考题 324

习题 324

第17章 当代物理的新进展及应用简介 325

17.1　现代光学及其应用 325

17.1.1　激光 325

17.1.2　激光全息术 328

17.1.3　激光生物学与现代农业 330

17.1.4　光通信 332

17.2　亚原子物理简介 333

17.2.1　原子核的基本结构 334

17.2.2　放射性衰变和应用 335

17.2.3　核反应及其应用 335

17.2.4　粒子物理与宇宙演化 341

思考题 345

科学家介绍 345

波尔（Niels Bohr,1885—1962） 345

附录Ⅰ 矢量 347

附录Ⅱ 常用物理常量表 351

附录Ⅲ 有关银河系、太阳、地球、月球的数据 352

附录Ⅳ 数学公式 352

附录Ⅴ 希腊字母表 353

习题答案 354

主要参考文献 361