本書是根據(jù)精講多練教學(xué)法的實(shí)踐成果, 面向應(yīng)用型本科非物理類學(xué)生編寫的教學(xué)用書?偟闹笇(dǎo)思想是: 多形象分析, 少抽象推演; 多用通俗易懂的語言描述, 少用深奧晦澀的術(shù)語論證。全套共分上、下兩冊, 建議總學(xué)時為128學(xué)時, 其中加※號及熱學(xué)部分內(nèi)容教師可根據(jù)實(shí)際教學(xué)需要進(jìn)行取舍。本冊為上冊。
本書是編者結(jié)合自己20余年普通物理教學(xué)經(jīng)驗(其中十余年的應(yīng)用技術(shù)型本科教學(xué)經(jīng)驗)編寫而成,內(nèi)容結(jié)構(gòu)合理,難點(diǎn)處理得當(dāng),尤其適合于應(yīng)用技術(shù)型本科普通物理課程教學(xué)使用。主要有以下四點(diǎn):一是考慮不同需求,內(nèi)容劃分層次。標(biāo)有 “ ※”號的章節(jié)內(nèi)容為自選內(nèi)容,教師可以根據(jù)教學(xué)需求進(jìn)行取舍,無論取與舍,都不影響內(nèi)容的完整性和邏輯性。習(xí)題按難度分為A、B兩類,學(xué)生可以根據(jù)自身情況選做對應(yīng)難度的題目;二是注意過渡與銜接,方便學(xué)生的預(yù)習(xí)和自學(xué)。每部分內(nèi)容開始都有引言,結(jié)束都有小結(jié),構(gòu)造出清晰的物理知識體系和脈絡(luò);三是注重學(xué)法指導(dǎo),降低學(xué)習(xí)難度。對于中學(xué)相對陌生的內(nèi)容,進(jìn)行專門學(xué)習(xí)方法說明。如剛體一章開始即強(qiáng)調(diào)類比方法的運(yùn)用,并編寫了大量的類比表格;四是精選物理學(xué)家的故事作為閱讀材料,激發(fā)學(xué)習(xí)興趣,培養(yǎng)奮斗精神。
前言
本書是在《大學(xué)物理》(2008年,北京郵電大學(xué)出版社出版)基礎(chǔ)之上,吸納幾年來使用本教材的各院校一線教師建議修改而成。本書是依據(jù)2004年教育部“非物理類專業(yè)基礎(chǔ)物理課程教學(xué)指導(dǎo)委員會”頒布的《大學(xué)物理課程教學(xué)基本要求》選擇教學(xué)內(nèi)容,針對應(yīng)用型本科學(xué)生的特點(diǎn),面向非物理類應(yīng)用型本科學(xué)生編寫的物理課程教材。本書主要特點(diǎn)如下。
1.注重科學(xué)思維,整體架構(gòu)清晰
物理學(xué)科在理工科院校是基礎(chǔ)課程,它要完成的一個主要任務(wù)就是通過此課程的學(xué)習(xí)培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維品質(zhì),培養(yǎng)學(xué)生理性的、邏輯的思維。因此,本書在結(jié)構(gòu)和內(nèi)容的安排上力求具有較強(qiáng)的邏輯性,從而給學(xué)生一個完整知識體系框架和一個清晰的脈絡(luò)層次。本書共分上、下兩冊,上冊包括力學(xué)、機(jī)械振動和機(jī)械波、熱學(xué)三篇,下冊包括波動光學(xué)、電磁學(xué)、量子物理三篇。
2.注重精講多練,重點(diǎn)內(nèi)容突出
“精講”體現(xiàn)在兩個方面:一是根據(jù)教學(xué)需要精選重點(diǎn)內(nèi)容;二是在博采眾家所長的基礎(chǔ)上,針對應(yīng)用型本科學(xué)生的基礎(chǔ)和學(xué)習(xí)特點(diǎn),采用最優(yōu)化方案精講重點(diǎn)內(nèi)容。“多練”也體現(xiàn)在兩個方面:一是多介紹知識在生產(chǎn)生活中的應(yīng)用;二是對于重點(diǎn)內(nèi)容和典型問題設(shè)有例題、練習(xí)、習(xí)題三個環(huán)節(jié)進(jìn)行強(qiáng)化和鞏固,這三個環(huán)節(jié)相輔相成,共同實(shí)現(xiàn)對內(nèi)容掌握的牢固性和應(yīng)用的靈活性。
3.注重細(xì)節(jié)設(shè)計,適應(yīng)不同學(xué)生
一是考慮不同需求,內(nèi)容劃分層次。標(biāo)有“*”號的章節(jié)內(nèi)容為自選內(nèi)容,教師可以根據(jù)教學(xué)需求進(jìn)行取舍,無論取與舍,都不影響內(nèi)容的完整性和邏輯性。習(xí)題按難度分為A、B兩類,學(xué)生可以根據(jù)自己的學(xué)習(xí)情況選做對應(yīng)難度的題目。
二是注意過渡與銜接,方便學(xué)生的預(yù)習(xí)和自學(xué)。每部分內(nèi)容開始都有引言,結(jié)束都有小結(jié),構(gòu)造出清晰的物理知識體系和脈絡(luò)。
三是注重學(xué)法指導(dǎo),降低學(xué)習(xí)難度。對于中學(xué)階段相對陌生的內(nèi)容,進(jìn)行專門學(xué)習(xí)方法說明。如“剛體”一章開始即強(qiáng)調(diào)類比方法的運(yùn)用,并編寫了大量的類比表格。
四是精選物理學(xué)家的故事作為閱讀材料,激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣,培養(yǎng)其奮斗精神。
本書由大連理工大學(xué)城市學(xué)院王秀敏老師編寫第1~4章、第9~15章,葛楠老師編寫第5~8章,王淑娟老師編寫所有的閱讀材料及附錄。全書由王秀敏老師統(tǒng)稿。
編寫適合應(yīng)用型本科學(xué)生的教材是一種嘗試,盡管編者不斷努力以求盡善盡美,但由于水平有限,書中難免存在缺憾和遺漏之處,懇請讀者和同行批評指正。
編者
2017年5月
王秀敏:1971年出生,教授,本科及研究生均畢業(yè)于東北師范大學(xué)物理系。遼寧省普通高等學(xué)校優(yōu)秀青年骨干教師,城市學(xué)院物理學(xué)科教學(xué)負(fù)責(zé)人。從事物理教育23年,編寫教材四部,發(fā)表論文十余篇(期中國家刊物六篇),參與教學(xué)改革多項,榮獲軍隊級教學(xué)成果二等獎等等。2008年編寫《大學(xué)物理》上、下兩冊,北京郵電大學(xué)出版社出版,任主編。2009年編寫《大學(xué)物理學(xué)習(xí)指導(dǎo)》,北京郵電大學(xué)出版社出版,任主編。2012年《新編大學(xué)物理》上、下冊,北京郵電大學(xué)出版社出版,任主編。2016年編寫《電磁場與電磁波基礎(chǔ)》,北京清華大學(xué)出版社出版,任主編。
目錄
第1篇力學(xué)
第1章質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動學(xué)
1.1參考系、坐標(biāo)系及質(zhì)點(diǎn)模型
1.2質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動的描述
1.3直線運(yùn)動及運(yùn)動學(xué)的兩類問題
1.4運(yùn)動疊加原理及拋體運(yùn)動
1.5圓周運(yùn)動
1.6相對運(yùn)動
小結(jié)
閱讀材料物理學(xué)的產(chǎn)生和發(fā)展
習(xí)題
第2章質(zhì)點(diǎn)動力學(xué)
2.1常見力
2.2牛頓運(yùn)動定律及其應(yīng)用
*2.3非慣性系和慣性力
2.4質(zhì)點(diǎn)的動量定理
2.5質(zhì)點(diǎn)系動量定理及其守恒定律
2.6功及動能定理
2.7功能原理及機(jī)械能守恒定律
2.8碰撞問題
小結(jié)
閱讀材料經(jīng)典物理的奠基人——牛頓
習(xí)題
第3章剛體的定軸轉(zhuǎn)動
3.1剛體定軸轉(zhuǎn)動的描述
3.2剛體定軸轉(zhuǎn)動定律及轉(zhuǎn)動慣量
3.3轉(zhuǎn)動定律的應(yīng)用
3.4轉(zhuǎn)動動能定理
3.5角動量定理及角動量守恒定律
小結(jié)
習(xí)題
目錄
大學(xué)物理(上冊)
第4章狹義相對論
4.1力學(xué)相對性原理及經(jīng)典力學(xué)時空觀
4.2狹義相對論基本原理及洛倫茲變換
4.3狹義相對論的時空觀
4.4狹義相對論的動力學(xué)基礎(chǔ)
小結(jié)
閱讀材料物理學(xué)的革命者——愛因斯坦
習(xí)題
第2篇機(jī)械振動和機(jī)械波
第5章機(jī)械振動
5.1簡諧振動的特征
5.2描述簡諧振動的物理量
5.3簡諧振動的描述方法
5.4阻尼振動、受迫振動及共振
5.5簡諧振動的合成
小結(jié)
習(xí)題
第6章機(jī)械波
6.1機(jī)械波的產(chǎn)生和傳播
6.2平面簡諧波表達(dá)式的建立與意義
6.3波的能量及能量傳播
6.4聲波
6.5波的疊加原理及波的干涉
6.6駐波
*6.7多普勒效應(yīng)
小結(jié)
閱讀材料鐘擺的發(fā)明者——惠更斯
習(xí)題
第3篇熱學(xué)
第7章氣體動理論
7.1熱力學(xué)系統(tǒng)、平衡態(tài)及理想氣體狀態(tài)方程
7.2理想氣體的壓強(qiáng)公式
7.3理想氣體的溫度公式
7.4能量按自由度均分定理及理想氣體內(nèi)能
7.5麥克斯韋速率分布律
7.6分子的平均碰撞頻率和平均自由程
*7.7玻耳茲曼分布
小結(jié)
習(xí)題
第8章熱力學(xué)基礎(chǔ)
8.1準(zhǔn)靜態(tài)過程和功
8.2熱量及熱力學(xué)第一定律
8.3理想氣體的等值過程
8.4氣體的摩爾熱容量
8.5絕熱過程
8.6循環(huán)過程
*8.7熱力學(xué)第二定律及熵
小結(jié)
閱讀材料熱功當(dāng)量的測量者——焦耳
習(xí)題
附錄A矢量及其運(yùn)算
A.1矢量和標(biāo)量
A.2矢量合成
A.3矢量乘法
A.4矢量函數(shù)的導(dǎo)數(shù)和積分
附錄B國際單位制
附錄C習(xí)題參考答案
第3章剛體的定軸轉(zhuǎn)動
剛
體是固體物件的理想化模型。本章主要研究剛體定軸轉(zhuǎn)動的描述、力矩對剛體的作用效果等問題。力矩對剛體的作用效果可以分為兩個方面:一是力矩的瞬時作用效果,剛體定軸轉(zhuǎn)動定律反映了這方面的規(guī)律;二是力矩的持續(xù)作用效果,剛體的轉(zhuǎn)動動能定理和角動量定理分別從兩個角度反映了這方面的規(guī)律。
本章的學(xué)習(xí)方法是:把剛體知識與質(zhì)點(diǎn)力學(xué)相關(guān)知識進(jìn)行類比。通過類比來理解剛體知識,并通過類比來尋求解決剛體轉(zhuǎn)動問題的方法。
3.1剛體定軸轉(zhuǎn)動的描述
在第1章中,我們采用位移、速度、加速度等線量描述質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動狀態(tài)。那么,在本章中,將采用哪些量、什么量來描述剛體的運(yùn)動狀態(tài)?如何描述剛體的運(yùn)動狀態(tài)呢?這就是本節(jié)主要研究的內(nèi)容。
3.1.1剛體
通過前面的學(xué)習(xí),我們知道,如果研究物體運(yùn)動時,可以忽略物體的大小和形狀,則可把物體視為質(zhì)點(diǎn)。但是,在許多實(shí)際問題中,物體的大小和形狀往往不能忽略。例如,行進(jìn)中的車輪,輪上各點(diǎn)的運(yùn)動情況不盡相同,離軸越遠(yuǎn)的點(diǎn)運(yùn)動速率越大,這時,我們不能忽略車輪的大小和形狀,不能再把車輪視為質(zhì)點(diǎn);再比如,許多物體在外力的作用下會發(fā)生形變,而且有的物體形變明顯(如海綿),其上各點(diǎn)的運(yùn)動情況相差也很大,這時,我們也不能把物體視為質(zhì)點(diǎn)。顯然,只有質(zhì)點(diǎn)這個物理模型是不夠的,我們有時需要考慮物體的大小和形狀。
但是,考慮物體大小和形狀時,物體的運(yùn)動往往是比較復(fù)雜的。我們僅考慮其中較為簡單的情況,即物體在力作用下所產(chǎn)生的形變很小,對所研究的問題沒有影響,這時,我們可以只考慮物體的大小和形狀,而忽略物體的形變,這樣的物體稱為剛體。剛體是我們引入的又一個理想物理模型。
由于剛體是有大小和形狀的,所以研究剛體運(yùn)動時,應(yīng)把剛體視為許多質(zhì)點(diǎn)組成的質(zhì)點(diǎn)系;又由于剛體是沒有形變的物體,所以可以將剛體視為一個特殊的質(zhì)點(diǎn)系——系統(tǒng)內(nèi)部各質(zhì)點(diǎn)間沒有相對運(yùn)動。剛體的這一特點(diǎn)是我們以后研究剛體運(yùn)動所必須隨時考慮的,也是我們研究剛體運(yùn)動的基本方法。
3.1.2剛體的運(yùn)動形式
剛體的運(yùn)動形式有平動、轉(zhuǎn)動以及二者的結(jié)合。
圖31剛體的平動
如果剛體運(yùn)動時,其上任意兩點(diǎn)連成的直線始終與其初始位置平行,這種運(yùn)動稱為平動,如圖31所示。根據(jù)平動的定義可以看出,剛體平動時,剛體上各點(diǎn)的運(yùn)動情況都相同,因此,我們可以用其上任意一點(diǎn)代表整個剛體的運(yùn)動,此時,剛體可視為質(zhì)點(diǎn)。可以用描述質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動的物理量描述剛體的平動,用解釋質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動的相關(guān)規(guī)律解釋剛體的平動。相關(guān)的知識在前兩章中已經(jīng)進(jìn)行了充分的討論,本章不再贅述。
如果剛體運(yùn)動時,其上點(diǎn)的運(yùn)動不符合上面的特征,則稱為轉(zhuǎn)動。剛體的轉(zhuǎn)動又可以分為兩種形式:定軸轉(zhuǎn)動和非定軸轉(zhuǎn)動。轉(zhuǎn)軸固定不動的轉(zhuǎn)動,稱為定軸轉(zhuǎn)動。如機(jī)床上齒輪、飛輪的轉(zhuǎn)動,門窗的開關(guān)等都是定軸轉(zhuǎn)動;轉(zhuǎn)軸運(yùn)動的轉(zhuǎn)動稱為非定軸轉(zhuǎn)動。如行駛中車輪的轉(zhuǎn)動即為非定軸轉(zhuǎn)動。兩種轉(zhuǎn)動中,定軸轉(zhuǎn)動是最簡單的,也是最基本的。本章主要研究定軸轉(zhuǎn)動的情況。
3.1.3剛體定軸轉(zhuǎn)動的描述
剛體作定軸轉(zhuǎn)動時,其上各點(diǎn)的運(yùn)動有如下特點(diǎn):一是到軸距離不同的點(diǎn)在相同時間內(nèi)的位移不同,速度、加速度也
圖32剛體的轉(zhuǎn)動
不同,如圖32所示。因而,剛體定軸轉(zhuǎn)動無法用位移、速度、加速度等線量描述;二是軸上各點(diǎn)都不動,其他點(diǎn)都繞軸作圓周運(yùn)動。圓周運(yùn)動所在的平面都與軸垂直,這樣的平面稱為轉(zhuǎn)動平面;三是相同的時間內(nèi)各點(diǎn)轉(zhuǎn)過的角位移相同。如果我們選擇角量描述剛體的轉(zhuǎn)動,則可以用任意一點(diǎn)代替整個剛體,從而使描述得以簡化。因而,對于剛體的定軸轉(zhuǎn)動,我們選擇角量描述。把剛體上任一點(diǎn)的角位移、角速度、角加速度作為定軸轉(zhuǎn)動剛體角位移、角速度和角加速度。這樣,我們便可以用第1章中圓周運(yùn)動的有關(guān)公式描述剛體的定軸轉(zhuǎn)動。
如果剛體勻速轉(zhuǎn)動,則有
θ=θ0+ωt
式中:θ0為剛體初始的角位置;ω為剛體轉(zhuǎn)動的角速度。
如果剛體作勻加速轉(zhuǎn)動,則有
θ=θ0+ω0t+12βt2,ω=ω0+βt,ω2-ω20=2βΔθ
式中:ω0為剛體初始的角速度;β為剛體轉(zhuǎn)動的角加速度;Δθ為該段時間內(nèi)剛體的角位移。
……