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目录 1

绪论 1

第1篇 力学 7

1 运动和力 7

1.1 质点运动学 8

1.1.1 质点、参考系和坐标系 8

1.1.2 时间和空间的计量 8

1.1.3 位置矢量 位移 9

1.1.4 速度 加速度 10

1.2 牛顿运动定律 12

1.2.1 牛顿第一定律 惯性系 12

1.2.2 牛顿第二定律 13

1.2.3 牛顿第三定律 13

1.3 力学相对性原理 伽利略变换 14

1.4 惯性力 15

思考题 16

习题 17

2 动量守恒 角动量守恒 20

2.1.1 动量、冲量和质点动量定理 21

2.1 动量定理 动量守恒定理 21

2.1.2 质点组的动量定理 22

2.1.3 动量守恒定理 24

2.2 角动量定理 角动量守恒 25

2.2.1 力矩 25

2.2.2 质点角动量 26

2.2.3 角动量定理 26

2.2.4 刚体绕固定轴的转动 28

2.2.5 角动量守恒定律 30

思考题 32

习题 33

3 能量守恒 36

3.1 功 37

3.2 动能和动能定理 38

3.2.1 质点的动能及其动能定理 38

3.2.2 刚体的动能及其动能定理 39

3.3 势能 40

3.3.1 保守力和耗散力 40

3.3.2 势能 41

3.3.3 势能曲线 42

思考题 44

3.4 机械能守恒定律 44

习题 45

4 流体力学 47

4.1 流体静力学 48

4.1.1 静止流体内一点的压强 48

4.1.2 静止流体内两点的压强差 50

4.2 理想流体的定常流动 52

4.2.1 理想流体 52

4.2.2 定常流动 53

4.2.4 伯努利方程 54

4.2.3 连续性方程 54

4.2.5 伯努利方程应用 56

4.3 黏滞流体的运动 58

4.3.1 层流的黏滞定律 59

4.3.2 泊肃叶公式 60

4.3.3 层流和湍流 64

4.4 黏滞流体中运动物体受到的阻力 66

思考题 67

习题 68

5 气体分子动理论 72

第2篇 热学 72

5.1 平衡态 状态方程 73

5.1.1 系统 宏观描述与微观描述 73

5.1.2 平衡态 73

5.1.3 状态方程 75

5.2 理想气体的压强公式 76

5.2.1 分子热运动的描述 76

5.2.2 理想气体的微观模型 77

5.2.3 按气体分子动理论计算压强 78

5.3 气体分子动理论对温度的解释 81

5.4.1 统计规律 分布函数 83

5.4 麦克斯韦速率分布 83

5.4.2 麦克斯韦速率分布律 85

5.4.3 理想气体的特征速率 86

5.4.4 麦克斯韦速率分布律的实验验证 88

5.5 玻尔兹曼分布律 89

5.5.1 玻尔兹曼分布律 89

5.5.2 重力场中粒子按高度的分布 92

5.6 能量均分定理 93

5.6.1 自由度 94

5.6.2 能量均分定理 95

5.6.3 理想气体的内能 95

5.7.1 分子的平均碰撞频率 97

5.7 气体分子的平均自由程 97

5.7.2 分子的平均自由程 99

5.8 气体内的输运过程 100

5.8.1 黏性 100

5.8.2 热传导 101

5.8.3 扩散 102

5.9 范德瓦耳斯方程 103

思考题 105

习题 107

6 热力学基础 110

6.1 热力学第一定律 111

6.1.1 热量 111

6.1.2 功 113

6.1.3 热力学第一定律 114

6.2 理想气体的典型热力学过程 115

6.2.1 等体过程 116

6.2.2 等压过程 116

6.2.3 等温过程 118

6.2.4 绝热过程 119

6.3.1 循环过程 122

6.3 循环过程 卡诺循环 122

6.3.2 卡诺循环及其效率 124

6.4 热力学第二定律 126

6.4.1 可逆过程与不可逆过程 126

6.4.2 热力学第二定律 127

6.4.3 克劳修斯不等式 129

6.4.4 卡诺定理 131

6.5 熵 132

6.5.1 熵 熵增加原理 132

6.5.2 孤立系的平衡判据 135

6.6.1 宏观状态与微观状态 137

6.6 熵的微观实质与统计学意义 137

6.6.2 玻尔兹曼关系式 138

思考题 140

习题 141

7 液体的表面性质 145

7.1 液体的表面张力 146

7.2 球形液面内外的压强差 148

7.3 毛细现象 151

思考题 154

习题 154

8 静电场 158

第3篇 电磁学 158

8.1 电场强度 场强叠加原理 159

8.1.1 电荷 电荷守恒定律 159

8.1.2 库仑定律 160

8.1.3 电场 场强叠加原理 161

8.2 静电场的高斯定理 167

8.2.1 电场线 167

8.2.2 电通量 168

8.2.3 高斯定理 169

8.3.1 静电场环路定理 173

8.3 静电场环路定理 电势 173

8.3.2 电势差 电势 175

8.3.3 电势叠加原理 177

8.3.4 等势面 电势梯度 179

8.4 静电场中的导体 181

8.4.1 静电场中的导体 静电屏蔽 181

8.4.2 电容和电容器 182

8.5 静电场中的电介质 185

8.5.1 电介质的极化 185

8.5.2 电介质中的场强 介电常量 186

8.5.3 电位移矢量 有电介质时的高斯定理 188

8.6.1 电容器储能 189

8.6 静电场的能量 189

8.6.2 电场能量 电场能量密度 190

思考题 191

习题 192

9 恒定电流 196

9.1 电流密度矢量 电流的恒定条件 197

9.1.1 电流强度 197

9.1.2 电流密度矢量 197

9.1.3 电流的恒定条件 198

9.2.1 欧姆定律 199

9.2 欧姆定律的微分形式 199

9.2.2 电阻率 电导率 200

9.2.3 欧姆定律的微分形式 202

9.3 电动势 203

9.3.1 电源及其电动势 203

9.3.2 含电源电路的欧姆定律 204

9.4 电子逸出功 温差电现象 207

9.4.1 电子逸出功 207

9.4.2 接触电势差 207

9.4.3 温差电现象 208

思考题 209

习题 210

10 恒定磁场 212

10.1 磁现象的电本质 213

10.1.1 早期发现的磁现象 213

10.1.2 奥斯特实验 214

10.1.3 磁现象的电本质 215

10.2 磁场 磁感应强度矢量 215

10.2.1 磁感应强度矢量 215

10.2.2 毕奥—萨伐尔定律 216

10.2.3 毕奥—萨伐尔定律的应用 217

10.2.4 运动电荷的磁场 220

10.3 恒定磁场的基本性质 221

10.3.1 磁场的高斯定理 221

10.3.2 安培环路定理 222

10.4 磁场对载流导线的作用 225

10.4.1 安培定律 225

10.4.2 两无限长平行载流直导线间的相互作用力 226

10.4.3 矩形载流线圈在均匀磁场中所受的力矩 227

10.5 带电粒子在磁场中的运动 228

10.5.1 洛伦兹力 228

10.5.2 带电粒子在均匀磁场中的运动 229

10.5.3 霍尔效应 231

10.6 磁介质 233

10.6.1 介质的磁化 233

10.6.2 有磁介质时的磁场高斯定理和安培环路定理 磁场强度矢量 237

10.6.3 铁磁质 239

思考题 241

习题 243

11 电磁感应 246

11.1.1 电磁感应现象 247

11.1 法拉第电磁感应定律 247

11.1.2 法拉第电磁感应定律 248

11.1.3 楞次定律 250

11.2 动生电动势和感生电动势 250

11.2.1 动生电动势 250

11.2.2 感生电动势 感生电场 251

11.3 自感和互感 253

11.3.1 自感 253

11.3.2 互感 255

11.4 磁场的能量 257

11.4.1 自感磁能 257

11.4.3 磁场的能量 258

11.4.2 互感磁能 258

思考题 260

习题 262

12 电磁场和电磁波 265

12.1 麦克斯韦方程组 266

12.1.1 静电场 恒定磁场和变化磁场的基本规律 266

12.1.2 位移电流 267

12.1.3 安培环路定理的普遍形式 268

12.1.4 麦克斯韦方程组 268

12.2.1 电磁波的产生及其性质 269

12.2 电磁波 269

12.2.2 电磁波的能流密度 271

12.2.3 电磁波谱 272

思考题 274

习题 274

第4篇 光学 278

13 振动与波 278

13.1 简谐振动 279

13.1.1 概述 279

13.1.2 弹簧振子 279

13.1.3 单摆 280

13.1.4 描述简谐振动的物理量 282

13.1.5 简谐振动的旋转矢量表示法 284

13.1.6 简谐振动的能量 284

13.2 阻尼振动 285

13.2.1 弱阻尼时的衰减振动 286

13.2.2 强阻尼时的衰减振动 286

13.2.3 临界阻尼 287

13.3 受迫振动 共振 287

13.4 振动的合成 289

13.4.1 同方向同频率简谐振动的合成 289

13.4.2 同方向不同频率简谐振动的合成 291

13.4.3 振动方向相互垂直、频率相同的两简谐振动的合成 292

13.4.4 振动方向相互垂直、频率不同的两简谐振动的合成 294

13.5 振动的分解 频谱 296

13.6 平面简谐波 297

13.6.1 机械波的产生和传播 297

13.6.2 纵波和横波 298

13.6.3 描述波动的三个基本物理量 298

13.6.4 波的几何描述 300

13.6.5 简谐波的表达式 301

13.6.6 波的能量 303

13.6.7 惠更斯原理 波的衍射 307

13.6.8 波的叠加原理 干涉 309

13.6.9 多普勒效应 310

思考题 311

习题 312

14 光波 315

14.1 光的干涉 316

14.1.1 杨氏实验 316

14.1.2 劳埃德镜和半波损 323

14.1.3 相干光源与非相干光源 323

14.1.4 薄膜干涉 325

14.1.5 迈克尔孙干涉仪 334

14.2 光的衍射 337

14.2.1 惠更斯—菲涅耳衍射原理 337

14.2.2 单缝夫琅禾费衍射 340

14.2.3 衍射光栅 345

14.2.4 圆孔夫琅禾费衍射 355

14.2.5 X射线的衍射 357

14.3 光的偏振 359

14.3.1 自然光和偏振光 359

14.3.2 马吕斯定律和布儒斯特定律 361

14.3.3 晶体双折射 364

14.3.4 旋光性 372

思考题 375

习题 376

15 光的吸收、散射和色散 381

15.1 光的吸收 382

15.1.1 朗伯定律 382

15.1.2 一般吸收和选择吸收 383

15.1.3 吸收光谱 384

15.2.1 光的散射现象 386

15.2 光的散射 386

15.2.2 瑞利散射 387

15.2.3 散射光的偏振状态和散射光强的角分布 388

15.2.4 拉曼散射 390

15.3 光的色散 391

15.3.1 正常色散 391

15.3.2 反常色散 392

思考题 393

习题 393

第5篇 量子物理基础 396

16 量子物理概论 396

16.1.1 经典力学的时空关系 397

16.1 从经典物理学到量子力学 397

16.1.2 光的波粒二象性 398

16.1.3 实物粒子的波粒二象性与物质波 401

16.1.4 物质波的统计解释 403

16.1.5 不确定原理 404

16.2 波函数和薛定谔方程 406

16.2.1 波函数的物理意义及其性质 406

16.2.2 薛定谔方程 407

16.2.3 定态薛定谔方程 408

16.3.1 无限深势阱 409

16.3 一维无限深势阱 409

16.3.2 求解定态薛定谔方程 410

16.4 氢原子的能级结构 412

16.4.1 氢原子的定态薛定谔方程 412

16.4.2 讨论 413

16.4.3 电子自旋 417

16.4.4 量子力学与经典力学的关系 417

16.5 分子的能级结构和分子光谱 418

16.5.1 分子中电子的运动状态和电子能级 418

16.5.2 双原子分子的振动和振动光谱 419

16.5.3 双原子分子的转动与转动光谱 420

16.5.4 荧光和磷光 422

思考题 424

习题 424

17 激光原理 426

17.1 激光的基本原理 427

17.1.1 原子吸收、自发辐射和受激辐射 427

17.1.2 粒子数反转分布 429

17.1.3 工作物质的能级结构 429

17.1.4 光学谐振腔 431

17.1.5 产生激光的必要条件 431

17.2.1 红宝石激光器 432

17.2 激光器简介 432

17.2.2 氦氖激光器 433

17.2.3 二氧化碳激光器 434

17.2.4 可调谐染料激光器 436

思考题 437

习题 437

附录 439

附录1 基本物理常量1998年的推荐值 439

附录2 保留单位和标准值 439

附录3 物理学在促进农业发展中的作用 440

参考文献 453