预备知识 矢量 1
0.1 标量和矢量 1
0.2 矢量的加法和减法 1
0.2.1 矢量的加法 1
0.2.2 矢量的减法 2
0.3 矢量合成的解析法 3
0.4 矢量的乘法 3
0.4.1 矢量数乘 3
0.4.2 矢量标积 4
0.4.3 矢量矢积 4
0.5 矢量的导数 5
0.6 矢量的积分 5
0.6.1 矢量的不定积分 5
0.6.2 矢量的定积分 6
第1篇 力学 7
第1章 质点运动学 7
1.1 质点、参考系、坐标系和单位制 7
1.1.1 质点 7
1.1.2 参考系 8
1.1.3 坐标系 8
1.1.4 单位制 9
1.2 描述质点运动的物理量 10
1.2.1 位矢 10
1.2.2 位移 10
1.2.3 速度 11
1.2.4 加速度 13
1.3 运动方程 14
1.4 平面曲线运动 16
1.4.1 切向加速度和法向加速度 16
1.4.2 圆周运动的角量描述 18
1.4.3 线量和角量的关系 19
1.5 相对运动 20
本章小结 22
思考与练习 23
第2章 牛顿运动定律 25
2.1 牛顿三大定律 25
2.1.1 牛顿第一定律 25
2.1.2 牛顿第二定律 26
2.1.3 牛顿第三定律 26
2.2 力学中常见的几种力 27
2.2.1 万有引力 27
2.2.2 重力 27
2.2.3 弹力 27
2.2.4 摩擦力 28
2.3 牛顿运动定律的应用 28
本章小结 32
思考与练习 33
第3章 动量守恒与机械能守恒 34
3.1 动量定理和动量守恒定律 34
3.1.1 质点的动量和动量定理 34
3.1.2 质点系的动量定理 36
3.1.3 动量守恒定律 37
3.2 功和动能定理 39
3.2.1 功 39
3.2.2 功率 41
3.2.3 质点的动能定理 41
3.2.4 质点系的动能定理 43
3.3 势能 44
3.3.1 万有引力、重力与弹力做功 44
3.3.2 保守力与非保守力 46
3.3.3 势能 46
3.4 功能原理和机械能守恒定律 47
3.4.1 功能原理 47
3.4.2 机械能守恒定律 48
3.4.3 能量守恒定律 48
本章小结 50
思考与练习 51
第4章 刚体的定轴转动 53
4.1 刚体的运动 53
4.1.1 刚体的平动 53
4.1.2 刚体的定轴转动 53
4.2 刚体定轴转动定律 54
4.2.1 力矩 54
4.2.2 转动定律 55
4.2.3 转动惯量 56
4.3 刚体定轴转动的动能定理 59
4.3.1 力矩的功 59
4.3.2 转动动能 60
4.3.3 刚体定轴转动的动能定理 60
4.4 刚体的角动量定理和角动量守恒定律 61
4.4.1 角动量 62
4.4.2 刚体的角动量定理 63
4.4.3 刚体的角动量守恒定律 63
本章小结 64
思考与练习 65
第2篇 热学 67
第5章 气体动理论 67
5.1 分子运动论和统计规律性 67
5.1.1 分子运动论的基本观点 67
5.1.2 统计规律性 68
5.2 理想气体状态方程 68
5.2.1 宏观态与微观态 69
5.2.2 平衡态 69
5.2.3 气体的状态参量 69
5.2.4 理想气体状态方程 70
5.3 理想气体的压强与温度 71
5.3.1 理想气体的微观模型 71
5.3.2 平衡态气体的统计假设 71
5.3.3 理想气体的压强公式 71
5.3.4 理想气体的温度公式 73
5.4 能量均分定理与理想气体的内能 74
5.4.1 自由度 74
5.4.2 能量均分定理 75
5.4.3 理想气体的内能 76
5.5 麦克斯韦速率分布律 77
5.5.1 速率分布函数 77
5.5.2 麦克斯韦速率分布律 78
5.5.3 三种统计速率 79
本章小结 80
思考与练习 81
第6章 热力学基础 83
6.1 热力学系统及准静态过程 83
6.2 内能、做功及传热 84
6.2.1 内能 84
6.2.2 做功 84
6.2.3 传热 85
6.3 热力学第一定律及其应用 85
6.3.1 热力学第一定律 86
6.3.2 热力学第一定律的应用 87
6.4 循环过程与卡诺循环 93
6.4.1 循环过程 93
6.4.2 卡诺循环 95
6.5 热力学第二定律 97
6.5.1 热力学第二定律的两种表述 98
6.5.2 自发过程的方向性 98
6.5.3 可逆过程与不可逆过程 99
本章小结 99
思考与练习 100
第3篇 电磁学 102
第7章 静电场 102
7.1 电荷守恒定律与电荷的量子化 102
7.1.1 电荷 102
7.1.2 电荷守恒定律 103
7.1.3 电荷的量子化 103
7.2 库伦定律 103
7.3 电场强度 104
7.3.1 静电场 104
7.3.2 电场强度 105
7.3.3 点电荷的场强 105
7.3.4 场强叠加原理 106
7.3.5 连续带电体的场强 107
7.4 高斯定理 112
7.4.1 电场线 112
7.4.2 电通量 113
7.4.3 高斯定理 115
7.4.4 高斯定理的应用 116
7.5 电势 120
7.5.1 静电场的安培环路定理 121
7.5.2 电势能 122
7.5.3 电势与电势差 122
7.5.4 点电荷电场中的电势 123
7.5.5 电势叠加原理 123
7.5.6 连续带电体电场中的电势 124
7.5.7 等势面 125
7.5.8 场强与电势的微分关系 125
7.5.9 电势的计算 126
7.6 静电场中的导体 129
7.6.1 导体的静电平衡条件 129
7.6.2 静电平衡导体上的电荷分布 130
7.6.3 静电屏蔽 132
7.7 静电场中的电介质 133
7.7.1 电介质的分类 133
7.7.2 电介质的极化 134
7.7.3 电介质中的高斯定理 136
7.8 导体的电容 137
7.8.1 孤立导体的电容 137
7.8.2 电容器的电容 138
7.9 静电场的能量 141
7.9.1 电容器的静电能 141
7.9.2 静电场的能量 142
本章小结 143
思考与练习 147
第8章 稳恒磁场 149
8.1 基本磁现象与磁感应强度 149
8.1.1 基本磁现象 149
8.1.2 磁感应强度 150
8.2 毕奥—萨伐尔定律及其应用 151
8.2.1 毕奥—萨伐尔定律 151
8.2.2 毕奥—萨伐尔定律的应用 152
8.3 磁场的高斯定理 157
8.3.1 磁感应线 157
8.3.2 磁通量 158
8.3.3 磁场的高斯定理 159
8.4 磁场的安培环路定理及其应用 160
8.4.1 安培环路定理 160
8.4.2 安培环路定理的应用 161
8.5 磁场对带电粒子的作用力 165
8.5.1 洛伦兹力 165
8.5.2 带电粒子在匀强磁场中的运动 166
8.5.3 霍尔效应 168
8.6 磁场对载流导线的作用 169
8.6.1 安培定律 169
8.6.2 磁力矩 172
8.7 磁场中的磁介质 173
8.7.1 磁介质 173
8.7.2 磁介质的磁化机理 174
8.7.3 磁介质的磁导率 174
8.7.4 磁介质中的安培环路定理 175
8.7.5 铁磁质 176
本章小结 178
思考与练习 180
第9章 电磁感应与电磁场 182
9.1 电磁感应定律 182
9.1.1 电源的电动势 182
9.1.2 电磁感应现象 184
9.1.3 楞次定律 185
9.1.4 法拉第电磁感应定律 185
9.1.5 感应电流和感应电荷 186
9.2 动生电动势与感生电动势 188
9.2.1 动生电动势 188
9.2.2 感生电动势 190
9.3 自感与互感 192
9.3.1 自感 192
9.3.2 互感 194
9.4 磁场的能量 195
9.4.1 自感线圈储存的能量 195
9.4.2 磁场的能量 196
9.5 电磁场与电磁波 197
9.5.1 麦克斯韦电磁场理论 197
9.5.2 电磁波 200
本章小结 200
思考与练习 202
第4篇 振动与波动第10章 机械振动 204
10.1 简谐振动 204
10.1.1 简谐振动的运动方程 204
10.1.2 描述简谐振动的物理量 206
10.1.3 简谐振动曲线 209
10.1.4 旋转矢量法 209
10.1.5 简谐振动的能量 211
10.2 简谐振动的合成 212
10.2.1 相位差 212
10.2.2 两个同方向、同频率简谐振动的合成 213
10.2.3 两个同方向、不同频率简谐振动的合成 215
10.3 阻尼振动、受迫振动与共振 216
10.3.1 阻尼振动 216
10.3.2 受迫振动 218
10.3.3 共振 219
本章小结 220
思考与练习 221
第11章 机械波 223
11.1 机械波的产生与传播 223
11.1.1 机械波的产生条件 223
11.1.2 横波与纵波 224
11.1.3 波的几何描述 225
11.1.4 描述波动的物理量 225
11.2 平面简谐波的波动方程及其物理意义 226
11.2.1 平面简谐波的波动方程 226
11.2.2 波动方程的物理意义 227
11.3 波的能量与能流密度 230
11.3.1 波的能量 230
11.3.2 能流密度 231
11.4 惠更斯原理与波的衍射 232
11.4.1 惠更斯原理 232
11.4.2 波的衍射 233
11.5 波的叠加原理与波的干涉 233
11.5.1 波的叠加原理 234
11.5.2 波的干涉 234
11.6 驻波 236
11.6.1 驻波的产生 237
11.6.2 驻波方程 237
11.6.3 半波损失 238
11.6.4 驻波的能量 239
11.7 多普勒效应 239
11.7.1 波源不动，观察者相对介质以速度v0运动 239
11.7.2 观察者不动，波源相对介质以速度vs运动 240
11.7.3 波源与观察者同时相对介质运动 241
本章小结 241
思考与练习 243
第12章 波动光学 245
12.1 相干光 245
12.1.1 光的相干性 245
12.1.2 获得相干光的方法 246
12.1.3 光程与光程差 247
12.1.4 透镜的等光程性 248
12.2 杨氏双缝干涉与洛埃镜干涉 248
12.2.1 杨氏双缝干涉 248
12.2.2 洛埃镜干涉 251
12.3 薄膜干涉 251
12.3.1 平面薄膜干涉 251
12.3.2 劈尖 253
12.3.3 牛顿环 256
12.3.4 迈克尔逊干涉仪 258
12.4 光的衍射 259
12.4.1 惠更斯-菲涅耳原理 259
12.4.2 菲涅耳衍射和夫琅禾费衍射 259
12.4.3 夫琅禾费单缝衍射 260
12.5 光学仪器的分辨率 263
12.5.1 圆孔衍射 263
12.5.2 光学仪器的分辨率 264
12.6 衍射光栅 265
12.6.1 光栅衍射条纹的形成 265
12.6.2 光栅的缺级现象 266
12.6.3 光栅光谱 266
12.7 光的偏振 267
12.7.1 自然光与偏振光 267
12.7.2 起偏与检偏 269
12.7.3 马吕斯定律 270
12.7.4 反射光与折射光的偏振 270
本章小结 271
思考与练习 273
第5篇 近代物理基础第13章 狭义相对论基础 275
13.1 经典力学时空观 275
13.2 狭义相对论的基本原理与洛伦兹变换 277
13.2.1 狭义相对论的基本原理 277
13.2.2 洛伦兹变换 277
13.3 狭义相对论的时空观 278
13.3.1 同时的相对性 279
13.3.2 时间的延缓 279
13.3.3 长度的收缩 279
13.4 狭义相对论的动力学基础 281
13.4.1 质速关系 281
13.4.2 相对论动力学的基本方程 281
13.4.3 质能关系 282
13.4.4 能量与动量的关系 283
本章小结 284
思考与练习 285
第14章 量子论基础 287
14.1 黑体辐射与普朗克能量子假设 287
14.1.1 黑体 288
14.1.2 黑体辐射规律 288
14.1.3 普朗克能量子假设 289
14.2 爱因斯坦光量子假设 290
14.2.1 光电效应 290
14.2.2 光量子假设与光电效应方程 292
14.2.3 光的波粒二象性 292
14.3 玻尔氢原子理论 293
14.3.1 氢原子光谱的规律性 293
14.3.2 玻尔氢原子理论 293
14.4 德布罗意波 296
14.4.1 德布罗意假设 296
14.4.2 戴维逊-革末实验 297
14.5 波函数与薛定谔方程 297
14.5.1 波函数 297
14.5.2 薛定谔方程 298
本章小结 299
思考与练习 300
参考文献 302