《大學物理學》分為上、下兩冊,《大學物理學(下)》為下冊,從第8章到第14章。第8章和第9章屬于熱學內(nèi)容,講述氣體動理論和熱力學基本定律;第10章到第12章屬于電磁學內(nèi)容,講述靜電場、穩(wěn)恒電流磁場、電磁感應和電磁波的基本概念;第13章和第14章屬于量子物理基礎(chǔ)內(nèi)容,講述量子物理基本概念、原子中電子的狀態(tài)和分布規(guī)律,并簡單介紹固體的結(jié)構(gòu)及其組成粒子之間的相互作用與運動規(guī)律。上、下冊都開設(shè)專題閱讀,介紹物理前沿和現(xiàn)代物理思想。
《大學物理學》涵蓋《理工科非物理類專業(yè)大學物理課程教學基本要求》的所有A類內(nèi)容,B類內(nèi)容有的帶“?”號出現(xiàn),有的寫成專題形式;適合中等學時的大學物理教學。
物理學是研究物質(zhì)的基本結(jié)構(gòu)、相互作用和物質(zhì)運動最基本、最普遍的形式及其相互轉(zhuǎn)化規(guī)律的科學。物理學的研究對象具有極大的普遍性,它的基本理論滲透在自然科學的一切領(lǐng)域,并廣泛地應用于生產(chǎn)技術(shù)的各個部門。以物理學的基礎(chǔ)知識為內(nèi)容的“大學物理學”課程,它所包括的經(jīng)典物理、近代物理以及它們在科學技術(shù)上應用的初步知識是理工科學生進一步學習專業(yè)知識的基礎(chǔ)。為了很好地完成“大學物理學”課程的教學任務,目前有大量的相關(guān)教材。不同的教材是根據(jù)不同的實際情況編寫的,這是因為隨著高校招生規(guī)模的擴大,高等教育正在從精英教育向大眾教育過渡,分層次辦學以及人才培養(yǎng)多樣化的趨勢日漸突出。
本書編寫的初衷,是為中等學時的大學物理教學提供一套難度合適、篇幅精練、易教易學的教材。本書是根據(jù)教育部最新制定的《理工科非物理類專業(yè)大學物理課程教學基本要求》,在福州大學邱雄等人主編的《大學物理》(上、下冊,2002版)基礎(chǔ)上進行編寫的。它涵蓋《理工科非物理類專業(yè)大學物理課程教學基本要求》的所有A類內(nèi)容;B類內(nèi)容有的帶“”號出現(xiàn)、有的寫成專題形式。
在本書編寫初衷的指導下,本書具備以下特色: ①強調(diào)物理思想和物理圖像,簡約推導,能夠用物理圖像解釋清楚的,盡量不用復雜的數(shù)學推證; ②精心設(shè)計問題,引導讀者學習,體現(xiàn)引導式、研究性學習理念; ③注重物理學知識與科學技術(shù)相結(jié)合、與自然現(xiàn)象相結(jié)合、與生活相結(jié)合,以增強物理學理論的真實感和生動感; ④注重科學思維和方法的培養(yǎng),把物理學方法論中所涉及的一些基本原理介紹給讀者; ⑤在近代物理學內(nèi)容的敘述上力求通俗、生動,突出物理學圖像,以近代物理學發(fā)展的歷史為主線編寫近代物理; ⑥開設(shè)專題閱讀,介紹物理前沿和現(xiàn)代物理思想,以激發(fā)讀者學習物理的興趣; ⑦版面設(shè)計美觀,寫作語言樸實流暢、通俗易懂。
本書分上、下兩冊。上冊包括質(zhì)點力學、剛體定軸轉(zhuǎn)動、狹義相對論、振動波動和光學等內(nèi)容,下冊包括熱學、電磁學、量子物理基礎(chǔ)和固體物理簡介等內(nèi)容。在保證大學物理教學體系的整體性和系統(tǒng)性的基礎(chǔ)上,章節(jié)的編排適當?shù)乜紤]了教學上的方便。例如,狹義相對論雖然屬于近代物理內(nèi)容,但本書把它排在質(zhì)點力學和剛體定軸轉(zhuǎn)動之后,目的是在經(jīng)典時空觀之后緊接著全新的狹義相對論時空觀,形成鮮明的對比;又如,由于振動和波動是波動光學的基礎(chǔ),所以把光學安排在上冊。
編寫教材是提高教學質(zhì)量的有效途徑之一,福州大學的所有大學物理學任課教師都參與了本書的編寫工作。龔炎芳、張曉嵐和陳永毅編寫第1章到第4章和專題A,陳美鋒、曾群英、江云坤和楊開宇編寫第5章到第7章和專題B,蔣夏萍和黃碧華編寫第8章、第9章、專題C和專題D,曾曉萌、蘇萬鈞、鐘志榮和翁臻臻編寫第10章到第12章、專題E和專題F,曾永志、黃春暉、王松柏和夏巖編寫第13章、第14章和專題G。全書由陸培民、陳美鋒和曾永志主編。
本書編寫參考了許多資料和兄弟院校的教材,在此一并表示真誠的謝意。
由于水平所限,加上時間緊,書中的錯誤和不足在所難免,請讀者提出寶貴意見,以期再版時作進一步的修改。
第8章 氣體動理論1
8.1 熱學的基本概念 1
8.1.1 熱力學系統(tǒng) 平衡態(tài)1
8.1.2 熱力學第零定律2
8.1.3 理想氣體狀態(tài)方程4
8.2 理想氣體的壓強和溫度5
8.2.1 理想氣體的壓強5
8.2.2 理想氣體的溫度8
8.3 能量均分原理10
8.3.1 自由度10
8.3.2 能量按自由度均分原理11
8.3.3 理想氣體的內(nèi)能11
8.4 麥克斯韋速率分布律12
8.4.1 速率分布函數(shù)13
8.4.2 麥克斯韋速率分布函數(shù)14
8.4.3 麥克斯韋速率分布函數(shù)的實驗驗證15
8.5 玻耳茲曼分布律17
8.6 碰撞及輸運過程19
8.6.1 氣體分子的碰撞和平均自由程19
8.6.2 氣體分子的輸運過程21
8.7 實際氣體的狀態(tài)方程23
習題27
第9章 熱力學基礎(chǔ)30
9.1 熱力學第一定律30
9.1.1 內(nèi)能、功和熱量30
9.1.2 熱力學第一定律33
9.2 幾個典型的熱力學過程34
9.2.1 等體過程35
9.2.2 等壓過程35
9.2.3 等溫過程36
9.2.4 絕熱過程和多方過程37
9.3 循環(huán)過程40
9.3.1 準靜態(tài)的循環(huán)過程41
9.3.2 卡諾循環(huán)42
9.3.3 循環(huán)過程的應用43
9.4 熱力學第二定律 熵47
9.4.1 熱力學過程的方向性47
9.4.2 熱力學第二定律48
9.4.3 熱力學第二定律的微觀意義49
9.4.4 克勞修斯熵公式52
9.4.5 熵增加原理53
專題c 熵概念的擴展56
專題d 耗散結(jié)構(gòu)簡介60
習題63
第10章 靜電場67
10.1 真空中的靜電場67
10.1.1 庫侖定律67
10.1.2 電場 電場強度69
10.2 真空中的高斯定理及其應用73
10.3 環(huán)路定理 電勢78
10.3.1 靜電場的環(huán)路定理78
10.3.2 電勢與電勢差79
10.3.3 電勢的計算80
10.3.4 電場強度與電勢的微分關(guān)系81
10.4 靜電場中的導體83
10.4.1 導體的靜電平衡83
10.4.2 靜電屏蔽84
10.5 靜電場中的電介質(zhì)86
10.5.1 電介質(zhì)的極化87
10.5.2 電介質(zhì)中的高斯定理88
10.6 電容與電容器90
10.6.1 孤立導體的電容90
10.6.2 電容器的電容90
10.7 靜電場的能量92
10.7.1 電容器的能量93
10.7.2 電場的能量93
習題96
第11章 穩(wěn)恒電流磁場100
11.1 穩(wěn)恒電流 電動勢100
11.1.1 穩(wěn)恒電流 電流密度100
11.1.2 電源 電動勢101
11.2 穩(wěn)恒電流的磁場102
11.2.1 磁場 磁感應強度102
11.2.2 畢奧-薩伐爾定律103
11.3 磁場的高斯定理107
11.4 磁場的安培環(huán)路定理及應用109
11.4.1 磁場的安培環(huán)路定理109
11.4.2 安培環(huán)路定理的應用111
11.5 磁場中的磁介質(zhì)112
11.5.1 磁介質(zhì)的磁化112
11.5.2 磁介質(zhì)中的安培環(huán)路定理114
11.6 磁場對運動電荷及電流的作用115
11.6.1 磁場對運動電荷的作用——洛倫茲力115
11.6.2 磁場對電流的作用——安培力121
11.6.3 磁場對載流線圈的作用122
11.6.4 磁力的功123
11.6.5 磁力的應用124
習題125
第12章 電磁感應130
12.1 電磁感應定律130
12.1.1 電磁感應現(xiàn)象130
12.1.2 法拉第電磁感應定律130
12.2 動生電動勢132
12.3 感生電動勢和感生電場134
12.4 自感和互感137
12.4.1 自感和自感系數(shù)137
12.4.2 互感和互感系數(shù)139
12.5 磁場能量140
12.5.1 自感磁能140
12.5.2 磁場能量140
12.6 位移電流142
12.7 麥克斯韋方程組及電磁波144
12.7.1 麥克斯韋電磁場基本理論144
12.7.2 電磁波145
專題e 巨磁電阻效應147
專題f 等離子體150
習題153
第13章 量子物理基礎(chǔ)156
13.1 經(jīng)典物理的困難157
13.1.1 黑體輻射157
13.1.2 光電效應159
13.1.3 原子的線狀光譜和原子的結(jié)構(gòu)160
13.2 量子論的誕生163
13.2.1 普朗克的能量子理論163
13.2.2 愛因斯坦的光電效應方程168
13.2.3 康普頓散射170
13.3 玻爾氫原子模型173
13.3.1 玻爾的三個假設(shè)173
13.3.2 玻爾的氫原子理論174
13.3.3 弗蘭克-赫茲實驗176
13.3.4 對應性原理179
13.4 微觀粒子的波粒二象性182
13.4.1 德布羅意物質(zhì)波的假設(shè)182
13.4.2 德布羅意假設(shè)的實驗驗證183
13.5 波函數(shù) 不確定關(guān)系186
13.5.1 波函數(shù)186
13.5.2 波函數(shù)的統(tǒng)計詮釋187
13.5.3 粒子的力學量的平均值191
13.5.4 不確定關(guān)系194
13.5.5 不確定關(guān)系的物理意義196
13.6 薛定諤方程及其應用197
13.6.1 薛定諤方程198
13.6.2 薛定諤方程的簡單應用200
13.7 氫原子結(jié)構(gòu)208
13.7.1 氫原子中電子的定態(tài)薛定諤方程208
13.7.2 三個量子數(shù)及其物理意義209
13.7.3 概率密度和電子云211
13.8 原子的殼層結(jié)構(gòu)213
13.8.1 自旋213
13.8.2 元素周期表217
專題g 量子光學220
習題223
第14章 固體物理簡介228
14.1 晶體結(jié)構(gòu)228
14.2 晶體的結(jié)合231
14.3 晶體的能帶及其應用233
14.3.1 固體能帶233
14.3.2 導體、絕緣體和半導體的能帶論解釋235
14.3.3 半導體pn結(jié)237
14.4 超導電性239
14.4.1 超導體的兩個基本特征239
14.4.2 超導的基本理論240
14.4.3 高溫超導241
14.4.4 超導體的應用241
習題242
參考文獻244