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