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绪论 1

一、科学技术——从学习物理开始 1

二、学习物理学——从观察与实验开始 2

三、学习物理学的研究方法——建模 3

四、理解物理学的理论 3

第一章 物体的运动与时空观 5

1-1运动的参考系与运动物体的模型 5

一、参考系和坐标系 6

二、运动物体的模型 6

1-2质点运动的描述 7

一、位置矢量与运动学方程 7

二、位移 8

三、速度 9

四、加速度 10

1-3质点的圆周运动 切向加速度与法向加速度 16

一、变速圆周运动 16

二、圆周运动的角量描述 18

1-4刚体运动的描述 20

1-5相对运动 伽利略变换 23

一、相对运动 23

二、伽利略坐标变换式 25

三、速度和加速度的变换 26

四、伽利略相对性原理 27

1-6洛伦兹变换及狭义相对论的时空观 27

一、狭义相对论基本原理 洛伦兹坐标变换式 27

二、狭义相对论的速度变换 29

三、狭义相对论的时空观 31

四、相对论效应对GPS的影响 37

习题 39

第二章 牛顿运动定律与刚体定轴转动定律 43

2-1牛顿运动定律 43

一、牛顿运动定律 43

二、力学中的常见力 45

三、牛顿运动定律应用举例 47

四、刚体的平动 51

2-2非惯性系与惯性力 52

一、非惯性系 52

二、惯性力 53

2-3刚体的定轴转动 转动惯量 55

一、力矩 55

二、刚体定轴转动定律 56

三、转动惯量的计算 58

习题 61

第三章 功与能 66

3-1功 动能 功能原理 66

一、功的概念 66

二、质点的动能定理 68

三、刚体定轴转动的功能关系 70

3-2保守力 势能 71

一、保守力与非保守力 71

二、保守力做功与势能 72

3-3机械能守恒定律 76

习题 79

第四章 动量与角动量 83

4-1动量守恒定律 83

一、动量定理 83

二、动量守恒定律 86

4-2火箭飞行原理 88

4-3碰撞 90

一、完全非弹性碰撞 91

二、完全弹性碰撞 91

4-4质点的角动量及其守恒定律 93

一、质点的角动量 93

二、质点的角动量守恒定律 95

4-5刚体定轴转动的角动量及其守恒定律 98

一、刚体定轴转动的角动量 98

二、刚体的角动量守恒定律 98

习题 101

第五章 相对论动力学 105

5-1相对论的动量和质量 105

5-2相对论的动能 质能关系 107

5-3相对论动量和能量的关系 109

习题 110

第六章 机械振动 112

6-1谐振动 112

一、谐振动的一般描述 112

二、谐振动与圆周运动的关系 114

6-2谐振动的运动方程及能量 118

一、谐振动的运动方程 118

二、谐振动的能量 120

6-3阻尼振动 受迫振动 共振 123

一、阻尼振动 123

二、受迫振动 125

三、共振 125

习题 127

第七章 机械波 131

7-1平面简谐波的描述 131

一、机械波的传播特征 132

二、描述机械波的特征量 133

三、平面简谐波的表达式 135

四、波动方程 137

7-2波的能量 波的强度 138

一、波的能量 138

二、波的强度 139

7-3波的叠加 141

一、波的干涉 141

二、驻波 144

三、拍 146

7-4多普勒效应 148

7-5其他振动与波动 151

一、振动与波动的分解 151

二、激波 153

三、非线性振动与混沌 154

习题 155

第八章 气体动理论 160

8-1热现象的研究 160

一、研究热现象的方法 160

二、状态参量与平衡态 161

8-2麦克斯韦速率分布律 162

一、麦克斯韦速率分布律 162

二、三个统计速率 164

8-3压强和温度的统计意义 166

一、理想气体模型 166

二、理想气体压强的统计意义 166

三、温度的统计意义 168

四、理想气体物态方程 168

8-4能量均分定理 理想气体的内能 170

一、能量按自由度均分定理 170

二、理想气体的内能 172

8-5分子碰撞频率和平均自由程 173

8-6真实气体的范德瓦耳斯方程建模 175

习题 177

第九章 热力学基础 180

9-1热力学第零定律和第一定律 180

一、热力学第零定律 180

二、准静态过程 181

三、热力学第一定律 182

四、功与热量 182

9-2理想气体的摩尔热容 185

一、理想气体的摩尔定容热容 185

二、理想气体的摩尔定压热容 186

9-3绝热过程 188

9-4循环过程 热机和制冷机 191

一、循环过程 191

二、热机及其效率 192

三、制冷机 热泵 193

9-5可逆过程与不可逆过程 卡诺定理 195

一、可逆过程与不可逆过程 195

二、卡诺循环与卡诺定理 196

9-6热力学第二定律 198

9-7熵 200

一、熵 200

二、熵增加原理 热力学第二定律的统计意义 202

三、进化论与热力学第二定律 203

四、熵与信息 204

习题 205

第十章 静止电荷的电场 209

10-1库仑定律 209

一、电荷 209

二、库仑定律 210

10-2电场强度 212

一、电场及电场强度 212

二、电场强度的叠加原理 213

三、电荷连续分布带电体的电场强度 215

四、电场线 218

10-3电场强度通量 静电场的高斯定理 219

一、电场强度通量 219

二、静电场的高斯定理 220

三、应用高斯定理求解电场强度示例 222

10-4电势 静电场的环路定理 225

一、电势与电势差 225

二、静电场的环路定理 226

三、电势的叠加原理 226

四、电荷连续分布带电体的电势 227

五、电场强度与电势的微分关系 228

六、等势面 229

10-5静电场中的导体与电介质 230

一、导体的静电平衡 230

二、静电场中的电介质 236

三、有电介质时的高斯定理 239

10-6电容器的电容 241

一、电容器的电容 241

二、电容器电容的计算 241

三、电容器的组合连接 243

10-7静电场的能量 245

习题 247

第十一章 恒定电流的磁场 251

11-1磁感应强度 251

一、磁场 磁感应强度 251

二、磁感应线和磁通量 253

11-2毕奥-萨伐尔定律 254

11-3磁场的高斯定理和安培环路定理 258

一、磁场的高斯定理 258

二、安培环路定理 258

三、有磁介质时的安培环路定理 260

四、应用安培环路定理求解磁感应强度示例 260

11-4带电粒子在电场和磁场中的运动 264

一、洛伦兹力 264

二、带电粒子在磁场中的运动 265

三、回旋加速器 267

四、霍尔效应 268

11-5磁场对载流导线和载流线圈的作用 271

一、磁场对载流导线的作用 271

二、磁场对载流线圈的作用 275

11-6铁磁介质 277

一、铁磁介质的性质 277

二、铁磁质的分类及应用 279

习题 281

第十二章 电磁感应与电磁波 286

12-1电磁感应定律 286

一、电磁感应现象 286

二、法拉第电磁感应定律 288

三、楞次定律 289

12-2动生电动势 292

12-3感生电动势及感生电场 295

一、感生电动势及感生电场 295

二、涡电流 298

12-4互感应和自感应 300

一、互感应 300

二、自感应 302

12-5磁场的能量 305

12-6位移电流 电磁场理论 306

一、位移电流 306

二、麦克斯韦方程组 308

12-7电磁波 309

一、赫兹实验 电磁波的产生 309

二、平面电磁波的性质 310

三、电磁波谱 311

四、电磁波的能量 312

习题 315

第十三章 波动光学 319

13-1相干光 双缝干涉 319

一、相干光的获得 319

二、分波阵面法——杨氏双缝实验 320

三、劳埃德镜实验与半波损失 322

13-2分振幅法——薄膜干涉 325

一、光程与光程差 325

二、平行平面膜干涉 326

三、劈尖膜干涉 328

四、迈克耳孙干涉仪 331

13-3光的衍射 332

一、惠更斯原理 光的衍射现象 332

二、单缝的夫琅禾费衍射 334

三、光学仪器的分辨率 336

13-4光栅 338

一、光栅方程与光栅光谱 338

二、缺级 340

13-5偏振光 342

一、自然光与偏振光 342

二、马吕斯定律 344

三、反射和折射时光的偏振 346

13-6光盘与液晶显示 347

一、光盘中的光学 347

二、液晶显示中的偏振光 349

习题 350

第十四章 量子力学基础 354

14-1热辐射 普朗克的能量子假设 354

一、热辐射 黑体辐射 354

二、经典理论的困难 357

三、普朗克的能量子假设 358

14-2光子理论 359

一、光电效应 359

二、康普顿效应 362

三、光的波粒二象性 364

14-3微观粒子的波粒二象性 波函数及其统计诠释 365

一、德布罗意波 365

二、波函数及其统计诠释 367

14-4不确定关系 369

14-5薛定谔方程 372

14-6一维定态薛定谔方程的应用 373

一、粒子在无限深势阱中的运动 373

二、一维势垒 隧道效应 375

14-7氢原子理论 378

一、氢原子光谱的实验公式 378

二、玻尔的氢原子理论 379

三、德布罗意波对原子的应用 380

四、氢原子的量子力学描述 381

14-8电子的自旋 原子的壳层结构 383

一、电子的自旋 383

二、四个量子数 384

三、原子的壳层结构 384

习题 385

第十五章 量子力学应用 388

15-1激光 388

一、自发辐射与受激辐射 389

二、产生激光的条件 389

三、激光的特性及应用 392

15-2半导体 393

一、晶体的能带结构 393

二、杂质半导体 394

三、pn结及其应用 395

15-3纳米材料 398

一、纳米微粒的性质 398

二、巴克球 399

三、碳纳米管和石墨烯 400

15-4量子态叠加原理 量子计算机 402

一、量子态叠加原理 402

二、量子计算机 403

15-5量子生物学 405

一、光合作用 406

二、嗅觉作用 407

三、大脑是量子机器？ 407

第十六章 粒子物理学与宇宙学简介 409

16-1粒子物理学简介 409

一、高能加速器 409

二、基本粒子与相互作用力 410

三、粒子的性质与分类 412

四、夸克 414

五、标准模型 415

16-2宇宙学简介 416

一、星球与星系 416

二、宇宙的起源 418

三、宇宙的未来 421

附录：MATLAB程序 423

部分习题参考答案 427

参考书目 439