绪论 物理学的作用与意义 1
0.1 物理学是自然科学的带头学科 1
0.2 物理学是现代技术革命的先导 2
0.3 物理学是科学的世界观和方法论的基础 4
第1篇 力学与相对论 11
第1章 质点运动学 11
1.1 力学的起源 11
1.1.1 力学的研究对象 11
1.1.2 近代力学的开端 11
1.2 空间和时间的计量 13
1.2.1 长度的计量 14
1.2.2 时间的计量 14
1.3 物质世界的层次和数量级 15
1.3.1 空间尺度 15
1.3.2 时间尺度 16
1.4 参考系 质点 16
1.4.1 参考系 16
1.4.2 坐标系 17
1.4.3 质点 17
1.5 速度 加速度 18
1.5.1 质点的位置矢量 18
1.5.2 位移 18
1.5.3 速度 19
1.5.4 加速度 20
1.6 直线运动 21
1.6.1 匀加速直线运动 21
1.6.2 落体佯谬 22
1.6.3 伽利略对自由落体运动的研究 23
1.6.4 伽利略的科学思想方法 25
1.7 曲线运动 26
1.7.1 抛体运动 26
1.7.2 圆周运动 28
1.8 相对运动 31
1.9 行星运动：托勒密与哥白尼之争 33
1.9.1 天体的视运动 33
1.9.2 托勒密的地心体系 34
1.9.3 哥白尼的日心体系 35
1.10 开普勒定律的发现 38
1.10.1 开普勒的行星轨道模型 38
1.10.2 等面积定律的确立 39
1.10.3 椭圆轨道的发现 42
1.10.4 和谐定律的提出 43
1.10.5 开普勒的科学思想方法 43
思考题 44
习题 45
第2章 牛顿运动定律和万有引力定律 49
2.1 牛顿力学体系的形成 49
2.1.1 伽利略的惯性原理 49
2.1.2 笛卡儿的力学原理 50
2.1.3 惠更斯对碰撞和摆的研究 50
2.1.4 牛顿的《自然哲学的数学原理》的问世 52
2.2 牛顿第一定律 惯性参考系 53
2.2.1 惯性定律 53
2.2.2 惯性参考系 53
2.3 牛顿第二定律 力和质量的概念 54
2.3.1 牛顿第二定律的表述 54
2.3.2 力的叠加原理 55
2.3.3 力的概念 55
2.3.4 质量的概念 56
2.4 牛顿第三定律 57
2.5 单位制和量纲 57
2.5.1 单位制 基本单位和导出单位 57
2.5.2 量纲 58
2.6 牛顿定律的应用 58
2.6.1 自然界中常见的力 58
2.6.2 应用举例 60
2.7 非惯性系 惯性力 61
2.7.1 非惯性系中的力学定律 61
2.7.2 惯性离心力 63
2.8 伽利略相对性原理和坐标变换 64
2.8.1 伽利略相对性原理 64
2.8.2 伽利略变换式 65
2.9 牛顿绝对时空概念的局限和惯性的起源 66
2.10 万有引力定律的建立 68
2.10.1 引力平方反比律的发现 68
2.10.2 引力平方反比律的地月验证 70
2.10.3 在椭圆轨道上运动物体所受的引力 71
2.10.4 球体引力问题的解决 引力普适性概念的确立 73
2.11 引力定律的应用和验证 74
2.11.1 对潮汐现象的解释 74
2.11.2 引力常数与天体质量 76
2.11.3 海王星的发现 78
2.12 牛顿的科学思想方法 79
思考题 82
习题 84
第3章 动量与角动量 88
3.1 历史上两种量度之争 88
3.2 动量定理 92
3.2.1 动量与动量定理 92
3.2.2 冲量 93
3.3 动量守恒与火箭飞行 94
3.3.1 质点系的动量定理 94
3.3.2 动量守恒定律 95
3.3.3 火箭飞行原理 97
3.3.4 地球同步卫星的发射 98
3.4 质点的角动量与角动量守恒定律 103
3.4.1 质点的角动量 103
3.4.2 力矩与角动量定理 104
3.4.3 角动量守恒定律 105
思考题 106
习题 107
第4章 功和能 109
4.1 功 动能 109
4.1.1 功 109
4.1.2 动能 动能定理 110
4.2 保守力 势能 112
4.2.1 保守力的功 112
4.2.2 势能 114
4.3 功能原理 机械能守恒定律 115
4.3.1 质点系的动能定理 115
4.3.2 功能原理 115
4.3.3 机械能守恒定律 116
4.3.4 三种宇宙速度 118
4.4 守恒定律与对称性 120
4.4.1 什么是对称性 120
4.4.2 物理定律的对称性 121
4.4.3 空间均匀性与动量守恒 122
4.4.4 空间各向同性与角动量守恒 122
4.4.5 时间均匀性与机械能守恒 123
思考题 123
习题 125
第5章 振动与波动 129
5.1 简谐振动的描述 129
5.1.1 简谐振动的表达式 129
5.1.2 相与相差 131
5.1.3 简谐振动的矢量图表示法 132
5.2 阻尼振动和受迫振动 135
5.2.1 阻尼振动 135
5.2.2 受迫振动 共振 136
5.3 同频率的简谐振动的合成 137
5.3.1 同方向、同频率的简谐振动的合成 138
5.3.2 相互垂直的同频率的简谐振动的合成 139
5.4 波的传播和波的描述 140
5.4.1 机械波产生的条件 140
5.4.2 波动过程的特征 141
5.4.3 描述波传播的几个物理量 142
5.4.4 平面简谐波的表达式 142
5.5 波的干涉 驻波 145
5.5.1 叠加原理 145
5.5.2 波的干涉 145
5.5.3 驻波 147
5.6 混沌与牛顿力学的内在随机性 149
5.6.1 混沌现象举例 150
5.6.2 吸引子 153
5.6.3 倍周期分岔 157
5.6.4 费根鲍姆数 159
5.6.5 混沌控制的研究及其应用 160
思考题 161
习题 162
第6章 相对论 165
6.1 狭义相对论的建立 165
6.1.1 物理思想史背景 165
6.1.2 爱因斯坦相对论思想发展的线索 170
6.1.3 狭义相对论原理和变换方程的提出 174
6.2 时间膨胀和长度缩短 177
6.2.1 同时性的相对性 177
6.2.2 时间膨胀 178
6.2.3 长度缩短 180
6.3 洛伦兹变换和速度变换 181
6.3.1 洛伦兹变换公式 181
6.3.2 速度变换 183
6.4 相对论质量、动能和能量 185
6.4.1 质量与速度的关系 185
6.4.2 相对论动能 186
6.4.3 质能关系 187
6.4.4 能量和动量的关系 189
6.5 广义相对论与近代宇宙论简介 189
6.5.1 引力质量与惯性质量的等同性 190
6.5.2 等效原理 191
6.5.3 广义相对性原理和马赫原理 192
6.5.4 光线的引力偏折 193
6.5.5 引力时间延缓 194
6.5.6 弯曲的时空 196
6.5.7 膨胀的宇宙 199
6.6 爱因斯坦的科学思想方法 202
思考题 204
习题 205
第2篇 热学 209
第7章 气体动理论 209
7.1 热学的起源 209
7.1.1 热学的研究对象 209
7.1.2 近代热学的开端 209
7.1.3 对热的本性认识的发展 211
7.2 平衡 态温 度状态方程 213
7.2.1 平衡态 状态参量 213
7.2.2 温度 215
7.2.3 理想气体的状态方程 216
7.3 理想气体的压强与温度 217
7.3.1 克劳修斯对理想气体压强公式的推导 217
7.3.2 温度的微观意义 219
7.4 能量按自由度均分定理 220
7.4.1 自由度 220
7.4.2 能量均分定理 221
7.4.3 理想气体的内能 222
7.5 麦克斯韦速率分布律 222
7.5.1 速率分布函数 223
7.5.2 麦克斯韦速率分布律的建立 224
7.5.3 麦克斯韦速率分布曲线 227
7.6 玻耳兹曼分布律 228
7.6.1 气体分子按能量的分布 228
7.6.2 重力场中粒子按高度的分布 230
7.7 气体分子的平均自由程 230
7.7.1 平均碰撞频率 231
7.7.2 平均自由程 231
7.8 气体内的输运过程 232
7.8.1 热传导 232
7.8.2 扩散 234
7.8.3 内摩擦 235
思考题 236
习题 237
第8章 热力学第一定律 240
8.1 能量守恒定律的发现 240
8.1.1 各种运动形式相互转化的发现 240
8.1.2 迈耶、焦耳和亥姆霍兹的贡献 241
8.1.3 能量原理的确立 245
8.2 准静态过程的功 245
8.2.1 准静态过程 245
8.2.2 功 246
8.3 热量 热力学第一定律 248
8.3.1 热量 248
8.3.2 内能 248
8.3.3 热力学第一定律 249
8.4 热容 250
8.4.1 热容的定义 250
8.4.2 理想气体的热容 250
8.5 绝热过程 252
8.5.1 准静态绝热过程 252
8.5.2 绝热自由膨胀 253
8.6 循环过程 254
8.6.1 循环过程的特征 254
8.6.2 热机循环和热机效率 254
8.6.3 制冷机循环和制冷系数 255
8.7 卡诺循环 255
8.7.1 卡诺关于热的动力的思考 255
8.7.2 卡诺热机循环的效率 257
8.7.3 卡诺制冷循环 258
思考题 259
习题 260
第9章 热力学第二定律 263
9.1 热力学第二定律的两种表述 263
9.1.1 开尔文表述 263
9.1.2 克劳修斯表述 264
9.2 自然过程的方向性 264
9.2.1 自然过程的方向 264
9.2.2 不可逆性的相互关联 265
9.2.3 自然过程方向性的微观意义 266
9.3 可逆过程 卡诺定理 267
9.3.1 可逆过程 267
9.3.2 卡诺定理 268
9.4 熵的概念及其计算 269
9.4.1 热变换的等效值 269
9.4.2 克劳修斯等式 270
9.4.3 态函数熵 271
9.4.4 熵的计算 273
9.5 熵增加原理 275
9.5.1 克劳修斯对熵增加原理的证明 275
9.5.2 熵增加原理举例 276
9.6 熵与热力学概率 277
9.7 熵与“热寂” 279
9.8 耗散结构与信息熵 281
9.8.1 两类有序结构 281
9.8.2 自组织现象 282
9.8.3 开放系统的熵变 287
9.8.4 麦克斯韦妖的启示 287
9.8.5 信息与信息量 289
9.8.6 信息熵 291
9.9 遗传与信息 292
9.9.1 薛定谔对基因物质结构的预言 293
9.9.2 DNA的结构与复制机制 294
9.9.3 遗传密码的破译 296
9.9.4 遗传信息的转录与翻译 297
思考题 299
习题 300
附表 303
附表1 基本物理常量 303
附表2 有关地球、月球、太阳的数据 304
附表3 国际单位制词头 304
习题答案 305
参考文献 311