计算机模拟简介 1
第一章 质点运动学 4
1.1 质点运动的描述 4
1.1.1 参考系 4
1.1.2 位置矢量 5
1.1.3 位移 5
1.1.4 速度 6
1.1.5 加速度 8
1.1.6 两类基本问题 9
1.2 圆周运动 12
1.2.1 角量描述 12
1.2.2 自然坐标描述 13
1.3 相对运动 15
计算机模拟（一） 16
习题 17
第二章 质点动力学 20
2.1 牛顿运动定律 20
2.1.1 牛顿运动定律 20
2.1.2 牛顿运动定律的应用 22
2.1.3 非惯性系 惯性力 25
2.2 动能定理 机械能守恒定律 26
2.2.1 功与功率 26
2.2.2 保守力与非保守力 势能 29
2.2.3 动能定理 30
2.2.4 机械能守恒定律 能量守恒定律 33
2.3 动量定理 动量守恒定律 35
2.3.1 质点的动量定理 35
2.3.2 质点系的动量定理 39
2.3.3 动量守恒定律 40
计算机模拟（二） 43
习题 44
第三章 刚体的定轴转动 48
3.1 刚体运动的描述 48
3.1.1 刚体的运动 48
3.1.2 刚体定轴转动的角量 50
3.2 转动定律 51
3.2.1 力矩 52
3.2.2 转动定律 53
3.3 转动动能定理 57
3.3.1 力矩的功 57
3.3.2 转动动能 58
3.3.3 转动动能定理 58
3.4 角动量定理 角动量守恒定律 60
3.4.1 角动量定理 61
3.4.2 角动量守恒定律 63
计算机模拟（三） 66
习题 67
第四章 狭义相对论 70
4.1 伽利略变换和经典力学时空观 70
4.2 狭义相对论的基本原理 洛伦兹变换 72
4.2.1 狭义相对论的基本原理 73
4.2.2 洛伦兹变换 73
4.3 狭义相对论的时空观 75
4.3.1 “同时”的相对性 75
4.3.2 长度的收缩 76
4.3.3 时间的延缓 77
4.4 狭义相对论动力学 78
4.4.1 质量和速度的关系 79
4.4.2 狭义相对论动力学的基本方程 79
4.4.3 质量和能量的关系 80
4.4.4 动量和能量的关系 82
习题 83
第五章 气体动理论 85
5.1 气体状态的描述 85
5.1.1 状态参量 平衡态 85
5.1.2 理想气体的微观模型 物态方程 86
5.1.3 气体分子热运动的统计规律性 86
5.2 理想气体的压强和温度 87
5.2.1 理想气体的压强 87
5.2.2 理想气体的温度 89
5.3 能量均分定理 理想气体的内能 90
5.3.1 自由度 91
5.3.2 能量均分定理 92
5.3.3 理想气体的内能 92
5.4 麦克斯韦速率分布律 93
5.4.1 速率分布函数 93
5.4.2 麦克斯韦速率分布律 94
5.4.3 三种统计速率 95
5.5 气体分子的平均碰撞频率和平均自由程 96
5.5.1 平均碰撞频率 96
5.5.2 平均自由程 97
5.6 范德瓦耳斯方程 98
习题 99
第六章 热力学基础 102
6.1 热力学的几个基本概念 102
6.1.1 准静态过程 102
6.1.2 内能 102
6.1.3 功 103
6.1.4 热量 103
6.2 热力学第一定律 104
6.3 理想气体的典型过程 105
6.3.1 等体过程 105
6.3.2 等压过程 106
6.3.3 等温过程 107
6.3.4 绝热过程 108
6.4 循环过程 卡诺循环 111
6.4.1 循环过程 111
6.4.2 热机效率和制冷系数 111
6.4.3 卡诺循环 114
6.5 热力学第二定律 卡诺定理 115
6.5.1 可逆过程与不可逆过程 116
6.5.2 热力学第二定律的两种表述 116
6.5.3 卡诺定理 117
6.6 热力学第二定律的统计意义 熵 118
6.6.1 热力学第二定律的统计意义 118
6.6.2 熵 119
习题 120
第七章 静电场 123
7.1 电荷 库仑定律 123
7.1.1 电荷的量子化和守恒定律 123
7.1.2 库仑定律 124
7.2 电场 电场强度 126
7.2.1 电场强度 126
7.2.2 场强叠加原理 128
7.2.3 场强的计算 129
7.3 电场强度通量 高斯定理 133
7.3.1 电场强度通量 134
7.3.2 高斯定理 135
7.3.3 高斯定理的应用 137
7.4 静电场力的功 静电场的环路定理 140
7.4.1 静电场力的功 140
7.4.2 静电场的环路定理 141
7.5 电势 142
7.5.1 电势 电势差 143
7.5.2 电势的叠加原理 144
7.5.3 电势的计算 145
7.6 电场强度与电势的微分关系 148
7.7 密立根电子电荷量测量实验 149
7.8 静电场中的导体与电介质 151
7.8.1 静电场中的导体 151
7.8.2 静电场中的电介质 155
7.9 电容 静电场的能量 159
7.9.1 电容器及其电容 159
7.9.2 静电场的能量 162
计算机模拟（四） 164
习题 165
第八章 恒定磁场 171
8.1 恒定电流 电动势 171
8.1.1 恒定电流 电流密度 171
8.1.2 电源 电动势 172
8.2 磁场 磁感应强度 174
8.2.1 磁场 磁感应强度 175
8.2.2 毕奥-萨伐尔定律 176
8.2.3 毕奥-萨伐尔定律的应用 177
8.3 磁通量 磁场中的高斯定理 181
8.3.1 磁通量 181
8.3.2 磁场中的高斯定理 182
8.4 安培环路定理 183
8.4.1 安培环路定理 183
8.4.2 安培环路定理的应用 184
8.5 磁场对运动电荷的作用 186
8.5.1 洛伦兹力 186
8.5.2 带电粒子在磁场中的运动 187
8.5.3 霍尔效应 188
8.6 磁场对载流导线的作用 189
8.6.1 安培定律 190
8.6.2 磁场对载流线圈的作用 192
8.7 磁介质 193
8.7.1 磁介质的磁化 194
8.7.2 磁介质中的安培环路定理 196
8.7.3 铁磁质 198
计算机模拟（五） 200
习题 202
第九章 电磁感应 206
9.1 电磁感应定律 206
9.1.1 法拉第电磁感应定律 206
9.1.2 楞次定律 207
9.2 动生电动势和感生电动势 209
9.2.1 动生电动势 209
9.2.2 感生电动势 211
9.2.3 涡电流 212
9.3 自感和互感 213
9.3.1 自感 213
9.3.2 互感 214
9.4 磁场能量 217
9.5 位移电流 麦克斯韦方程组 218
9.5.1 位移电流 218
9.5.2 全电流定律 220
9.5.3 麦克斯韦方程组 220
计算机模拟（六） 221
习题 222
第十章 振动 226
10.1 简谐振动的描述 226
10.1.1 简谐振动的特征 226
10.1.2 描述简谐振动的物理量 228
10.2 旋转矢量法 231
10.3 简谐振动的能量 234
10.4 简谐振动的合成 235
10.4.1 两个同方向同频率简谐振动的合成 235
10.4.2 两个同方向不同频率简谐振动的合成 拍 237
10.4.3 两个相互垂直的简谐振动的合成 238
10.5 阻尼振动 受迫振动 241
10.5.1 阻尼振动 241
10.5.2 受迫振动 242
10.6 电磁振荡 244
10.6.1 LC振荡电路 244
10.6.2 无阻尼电磁振荡 245
计算机模拟（七） 247
习题 248
第十一章 波动 253
11.1 机械波的产生和传播 253
11.1.1 机械波的产生 253
11.1.2 机械波的描述 254
11.2 平面简谐波的波函数 255
11.2.1 平面简谐波的波函数 256
11.2.2 波函数的物理意义 257
11.3 波的能量 能流密度 260
11.3.1 波的能量 260
11.3.2 能流和能流密度 261
11.4 波的干涉和衍射 262
11.4.1 波的干涉 263
11.4.2 波的衍射 266
11.5 驻波 267
11.5.1 驻波的产生 267
11.5.2 驻波方程 269
11.5.3 相位跃变 271
11.5.4 振动的简正模式 271
11.6 多普勒效应 272
11.6.1 波源静止 观察者相对介质运动 272
11.6.2 观察者静止 波源相对介质运动 273
11.6.3 波源和观察者同时相对介质运动 274
11.7 声波 超声波和次声波 274
11.7.1 声波 274
11.7.2 超声波和次声波 275
11.8 电磁波 276
11.8.1 电磁波的产生与传播特性 276
11.8.2 电磁波的能量 279
计算机模拟（八） 280
习题 281
第十二章 波动光学 285
12.1 光的相干性 285
12.2 杨氏双缝干涉 光程 287
12.2.1 杨氏双缝干涉 287
12.2.2 光程 290
12.3 等倾干涉 291
12.3.1 等倾干涉 291
12.3.2 增透膜和增反膜 293
12.4 等厚干涉 295
12.4.1 劈尖干涉 295
12.4.2 牛顿环 297
12.5 迈克耳孙干涉仪 299
12.6 光的衍射 300
12.6.1 光的衍射现象 300
12.6.2 惠更斯-菲涅耳原理 302
12.6.3 菲涅耳衍射和夫琅禾费衍射 302
12.7 单缝衍射 303
12.8 圆孔衍射 光学仪器的分辨本领 307
12.8.1 圆孔衍射 307
12.8.2 光学仪器的分辨本领 308
12.9 光栅衍射 310
12.9.1 光栅 310
12.9.2 光栅衍射 310
12.10 X射线的衍射 314
12.11 光的偏振 马吕斯定律 316
12.11.1 自然光 偏振光 317
12.11.2 偏振片 起偏与检偏 318
12.11.3 马吕斯定律 319
12.12 反射光和折射光的偏振 320
计算机模拟（九） 322
习题 324
第十三章 量子物理基础 328
13.1 黑体辐射 普朗克量子假设 328
13.1.1 黑体辐射定律 328
13.1.2 普朗克量子假设 330
13.2 光电效应 光的波粒二象性 332
13.2.1 光电效应实验规律 333
13.2.2 爱因斯坦方程 335
13.2.3 光的波粒二象性 335
13.2.4 光电效应的应用 337
13.3 康普顿效应 338
13.4 玻尔的氢原子理论 341
13.4.1 氢原子光谱的规律 342
13.4.2 玻尔的氢原子理论 343
13.5 实物粒子的波粒二象性 347
13.6 不确定关系 350
13.7 波函数 薛定谔方程 351
13.7.1 波函数 352
13.7.2 薛定谔方程 353
13.7.3 一维定态问题 354
13.8 氢原子的量子力学描述 358
13.8.1 氢原子的薛定谔方程 358
13.8.2 三个量子数 359
13.9 电子自旋 原子的壳层结构 360
13.9.1 电子自旋 361
13.9.2 原子的壳层结构 362
习题 365
附录一 常用基本物理常量 367
附录二 MATLAB简介 368
习题参考答案 370