本書根據(jù)編者多年教學(xué)經(jīng)驗,結(jié)合物理學(xué)的最新發(fā)展編寫而成,主要內(nèi)容包括: 物體的運(yùn)動與時空觀、牛頓運(yùn)動定律與剛體定軸轉(zhuǎn)動定律、功與能、動量與角動量、狹義相對論動力學(xué)、機(jī)械振動、機(jī)械波、氣體動理論、熱力學(xué)基礎(chǔ)、靜止電荷的電場、恒定電流的磁場、電磁感應(yīng)與電磁波、波動光學(xué)、量子力學(xué)基礎(chǔ)、量子力學(xué)應(yīng)用、粒子物理學(xué)及宇宙學(xué)簡介,共16章。 本書的內(nèi)容緊緊圍繞大學(xué)物理課程的基本要求,難度適中,物理概念清晰,論述深入淺出,同時引入了大量生活及生產(chǎn)的應(yīng)用實(shí)例。書中還加入了若干計算機(jī)程序解題的例子,方便讀者學(xué)習(xí)。
當(dāng)今世界,由于物理學(xué)及信息科學(xué)不斷取得令人欣喜的突破,信息、能源、材料、醫(yī)藥、環(huán)保等領(lǐng)域突飛猛進(jìn),新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革浪潮席卷而來。為順應(yīng)這一潮流,需要千千萬萬基礎(chǔ)扎實(shí)、視野開闊的高素質(zhì)人才,特別是具有創(chuàng)新精神的理工科人才大軍,才能把我們的社會帶入智能生產(chǎn)、綠色生活的新時代,把我們的國家建設(shè)成為創(chuàng)新型國家。
面對時代的要求,作為理工科各專業(yè)重要基礎(chǔ)課的大學(xué)物理,在人才培養(yǎng)方面必須有所作為。為此,我們在高等教育出版社物理分社的建議下,力圖編寫一本體系新穎、內(nèi)容豐富、適應(yīng)時代要求的新教材,供廣大理工科學(xué)生選用,充分體現(xiàn)“努力實(shí)現(xiàn)學(xué)生知識、能力、素質(zhì)的協(xié)調(diào)發(fā)展”[摘自《理工科類大學(xué)物理課程教學(xué)基本要求》(2010年版)]。
基于上述考慮,本教材著力精選和安排了適量的必修內(nèi)容,使得學(xué)時數(shù)不很多的學(xué)校能夠在有限的時間內(nèi)完成那些最基本、最精彩的物理內(nèi)容和物理思想的教學(xué)。同時,我們努力做到理論聯(lián)系實(shí)際,引入大量生活及生產(chǎn)的應(yīng)用實(shí)例,將近代物理和科學(xué)技術(shù)發(fā)展的最新成就極大限度地引入傳統(tǒng)的教學(xué)內(nèi)容中,拓展學(xué)生的思路,極大地激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)物理學(xué)的興趣。概括地說,本教材在如下方面作了新的嘗試。
。1)每章開頭插入1~2幅圖片和簡略的導(dǎo)入語,有歷史的回顧、當(dāng)今的成就、未來的展望等,簡明扼要地體現(xiàn)物理學(xué)對人類文明發(fā)展的卓越貢獻(xiàn),以此引導(dǎo)學(xué)生關(guān)注重點(diǎn)內(nèi)容,有利于引起學(xué)生對這一章的學(xué)習(xí)興趣。
。2)在內(nèi)容的安排上作了精心地設(shè)計,努力探索與實(shí)踐長期以來提倡“保證經(jīng)典,加強(qiáng)現(xiàn)代”的教學(xué)理念。例如,力學(xué)部分在體系上作了較大的變動,將質(zhì)點(diǎn)與剛體交織處理,將相對論力學(xué)與經(jīng)典力學(xué)結(jié)合講解,這就加強(qiáng)了學(xué)生對力學(xué)模型的認(rèn)識,及早地引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)入近代物理領(lǐng)域,樹立起相對論時空觀,消除他們對大學(xué)物理與中學(xué)物理的重復(fù)感。又如在熱力學(xué)一章加強(qiáng)了熱力學(xué)第二定律的論述,特別是從微觀的角度著力介紹了玻耳茲曼熵的定義,有利于學(xué)生在更廣泛的基礎(chǔ)上理解熱力學(xué)第二定律和熵的意義。在量子理論的應(yīng)用方面也加入了許多新內(nèi)容,具有前瞻性的引導(dǎo)意義。
。3)在所引入的大量與生活密切相關(guān)的應(yīng)用實(shí)例中,有相當(dāng)一部分是過去國內(nèi)傳統(tǒng)教材中沒有涉及的。例如在力學(xué)和光學(xué)中以不同角度介紹了目前大量使用的光盤及液晶顯示的工作原理;講絕熱過程時,提到絕熱膨脹解釋霧霾天形成的機(jī)理;在電磁學(xué)中以一簡單的電磁力例子驗證了相對論的有關(guān)結(jié)論;在講熱輻射時以人體皮膚表面熱輻射為例,計算輻射波長和凈輻射功率,并把它與食入能量作了比較,使原本比較抽象的內(nèi)容更貼近生活實(shí)際……這樣的例子分布在教材正文、例題和習(xí)題中,多達(dá)近百個,在理論聯(lián)系實(shí)際上有所前進(jìn),大大提升了本教材的可讀性。
。4)引入了大量近年來物理學(xué)新成就,如2013年諾貝爾物理學(xué)獎的“上帝粒子”,2014年諾貝爾物理學(xué)獎的藍(lán)光LED,相對論在GPS上的應(yīng)用,量子計算機(jī),量子生物學(xué)等。另外,在本教材的最后一章還簡要介紹了粒子物理學(xué)和天體物理學(xué)。這些內(nèi)容不僅拉近了基礎(chǔ)物理與前沿的距離,而且有助于開闊學(xué)生的視野,是增強(qiáng)學(xué)生學(xué)習(xí)物理學(xué)興趣的又一舉措。
。5)雖然本教材并沒有在數(shù)學(xué)計算上下太多的工夫,但為了幫助那些對計算機(jī)應(yīng)用有興趣的學(xué)生,本教材列舉了若干利用計算機(jī)程序解題的例子,并在書后附錄中給出了相應(yīng)的MATLAB程序;在每章的習(xí)題中也增加了少量計算機(jī)程序解題的題目,學(xué)生可以通過網(wǎng)絡(luò)查看它們的參考程序。將計算機(jī)數(shù)值計算方法引入課程教學(xué)有助于學(xué)生學(xué)習(xí)興趣和綜合素質(zhì)的培養(yǎng),但作為基礎(chǔ)性課程,教學(xué)中完全可以根據(jù)實(shí)際情況加以舍取,不作要求。
縱觀本教材,我們在力求做到表述簡潔的同時,涵蓋了大學(xué)物理基本要求95010的A類內(nèi)容,并涉及了14個B類內(nèi)容,在體系上有較大的變動,遴選了一批頗有新意的例題,列舉了大量應(yīng)用實(shí)例和前沿成就。這是一項探索性的工作,是否成功敬請讀者評述,不當(dāng)之處也敬請批評指正。
在本書的編寫過程中,我們參閱了大量國內(nèi)外教材及相關(guān)文獻(xiàn)資料,借鑒了一些插圖、例題和習(xí)題,在此謹(jǐn)向相關(guān)作者表示由衷的感謝。同時,我們還要感謝高等教育出版社物理分社高建分社長和程福平編輯對本書的出版給予的大力支持和幫助。
緒論
一、科學(xué)技術(shù)——從學(xué)習(xí)物理開始
二、學(xué)習(xí)物理學(xué)——從觀察與實(shí)驗開始
三、學(xué)習(xí)物理學(xué)的研究方法——建模
四、理解物理學(xué)的理論
第一章 物體的運(yùn)動與時空觀
1-1 運(yùn)動的參考系與運(yùn)動物體的模型
一、參考系和坐標(biāo)系
二、運(yùn)動物體的模型
1-2 質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動的描述
一、位置矢量與運(yùn)動學(xué)方程
二、位移
三、速度
四、加速度
1-3 質(zhì)點(diǎn)的圓周運(yùn)動切向加速度與法向加速度
一、變速圓周運(yùn)動
二、圓周運(yùn)動的角量描述
1-4 剛體運(yùn)動的描述
1-5 相對運(yùn)動 伽利略變換
一、相對運(yùn)動
二、伽利略坐標(biāo)變換式
三、速度和加速度的變換
四、伽利略相對性原理
1-6 洛倫茲變換及狹義相對論的時空觀
一、狹義相對論基本原理 洛倫茲坐標(biāo)變換式
二、狹義相對論的速度變換
三、狹義相對論的時空觀
四、相對論效應(yīng)對GPS的影響
習(xí)題
第二章 牛頓運(yùn)動定律與剛體定軸轉(zhuǎn)動定律
2-1 牛頓運(yùn)動定律
一、牛頓運(yùn)動定律
二、力學(xué)中的常見力
三、牛頓運(yùn)動定律應(yīng)用舉例
四、剛體的平動
2-2 非慣性系與慣性力
一、非慣性系
二、慣性力
2-3 剛體的定軸轉(zhuǎn)動 轉(zhuǎn)動慣量
一、力矩
二、剛體定軸轉(zhuǎn)動定律
三、轉(zhuǎn)動慣量的計算
習(xí)題
第三章 功與能
3-1 功 動能 功能原理
一、功的概念
二、質(zhì)點(diǎn)的動能定理
三、剛體定軸轉(zhuǎn)動的功能關(guān)系
3-2 保守力 勢能
一、保守力與非保守力
二、保守力做功與勢能
3-3 機(jī)械能守恒定律
習(xí)題
第四章 動量與角動量
4-1 動量守恒定律
一、動量定理
二、動量守恒定律
4-2 火箭飛行原理
4-3 碰撞
……
第五章 相對論動力學(xué)
第六章 機(jī)械振動
第七章 機(jī)械波
第八章 氣體動理論
第九章 熱力學(xué)基礎(chǔ)
第十章 靜止電荷的電場
第十一章 恒定電流的磁場
第十二章 電磁感應(yīng)與電磁波
第十三章 波動光學(xué)
第十四章 量子力學(xué)基礎(chǔ)
第十五章 量子力學(xué)應(yīng)用
第十六章 粒子物理學(xué)與宇宙學(xué)簡介
附錄:MATLAB程序
部分習(xí)題參考答案
參考書目