大学物理（第二版）

本书是大学物理第二版，在前版基础上做了改进。本书的编写有以下几个特点。

 

物理学的研究对象是物质的结构和规律。物质的结构，从微观到宏观，再到天体和宇宙，尺度之大，范围之广，涵盖了所有的物质形态。微观范畴，如原子的结构、原子核的结构、粒子如何构成原子核；宏观范畴，如凝聚态的结构、材料的性质；天体范畴，如银河系的构成、河外星系的结构等，都属于物理学研究的对象。除了研究各个层次的物质的结构，还要弄清物质的运动规律。就目前的科学水平，在微观，主要的物理理论是量子力学；在宏观，起支配作用的是经典物理学，也就是力学和电磁学；在宇宙的尺度，主要的理论是广义相对论。这些理论，在人类不断加深对自然界认识的基础上不断发展。本教材按照教育部高等学校大学物理课程教学指导委员会制定的基本要求编写，包括了所有规定的A部分的内容，也有选择性地包含了B部分的内容，可以供理工类本科和专科各类学生学习大学物理使用。本书的编写有以下几个特点。(1)注重书的历史厚重感。在讲解物理的重要知识时，简要地讲述它的背景和来龙去脉，让学生更好地把握科学的发展历程，而不至于感到物理知识是断裂的、片段的知识。(2)穿插介绍近20多年来与人类生活密切相关的诺贝尔物理学奖，让学生及时接触、了解物理学的前沿领域的发展。(3)考虑到一些对力学要求比较高的专业的需要,增加了分析力学基础一章。在后的3章，专门介绍了物理学与新技术：激光及其应用，纳米技术，非线性科学：混沌、分形、孤立子。这些内容虽然不在传统的大学物理教学范围内，但是，可以作为选讲内容或学生课外阅读材料。(4)每一章和节的标题，以及每章中的重要定理都附有英语翻译。主要是考虑到目前大多数学生还没有机会学习物理的双语课程，通过此种形式，让学生尽早地接触英语中重要的物理名词。本书还按照内容，分为几大篇，便于不同专业按照模块安排教学。

陈义万，教授，湖北工业大学教师。

目录

 

A篇力学

第1章质点运动学(3)

1.1质点的位置与位移(3)

1.2质点的速度加速度(5)

1.3自然坐标系中的速度加速度(8)

1.4圆周运动中的角度量(12)

1.5相对运动(14)

【思考题与习题】(14)

物理学诺贝尔奖介绍1(19)

1985年量子霍尔效应(19)

第2章牛顿运动定律(22)

2.1牛顿第一定律(22)

2.2牛顿第二定律(23)

2.3牛顿第三定律(26)

2.4牛顿运动定律的应用(27)

【思考题与习题】(31)

第3章功和能(34)

3.1功(34)

3.2动能定理(36)

3.3势能(38)

3.4机械能守恒定律(41)

【思考题与习题】(43)

第4章动量和冲量(47)

4.1动量动量定理(47)

4.2动量守恒(49)

4.3碰撞(51)

4.4质心(54)

4.5变质量问题火箭的推进器(56)

【思考题与习题】(58)

第5章刚体力学基础(60)

5.1刚体运动的描述(60)

5.2刚体定轴转动定律(61)

5.3力矩的功刚体的动能(67)

5.4质点的角动量及角动量定理(68)

5.5刚体对轴的角动量及角动量定理(69)

5.6进动(70)

【思考题与习题】(71)

第6章分析力学基础(75)

6.1约束广义坐标(75)

6.2虚功原理(76)

6.3拉格朗日方程(79)

6.4哈密顿正则方程(82)

6.5泊松括号与泊松定理(85)

6.6哈密顿原理(87)

6.7正则变换(91)

6.8刘维尔定理(92)

【思考题与习题】(94)

物理学诺贝尔奖介绍2(95)

1987年高温超导(95)

B篇电磁学

第7章静电场(101)

7.1电荷库仑定律(101)

7.2静电场电场强度(103)

 

C篇热学

第15章气体动理论(3)

15.1热力学与统计物理研究方法平衡态(3)

15.2热力学第零定律温标(4)

15.3理想气体状态方程(5)

15.4分子运动论的基本概念(7)

15.5统计规律的特征(8)

15.6理想气体的压强与温度(9)

15.7麦克斯韦速率分布律(13)

15.8玻耳兹曼分布律(18)

15.9理想气体的内能(19)

15.10气体分子的碰撞(23)

15.11非平衡态输运过程(25)

【思考题与习题】(27)

第16章热力学第一定律(31)

16.1功热量内能热力学第一定律(31)

16.2几种典型的热力学过程(35)

16.3绝热过程多方过程(38)

16.4循环效率卡诺循环(40)

【思考题与习题】(43)

第17章热力学第二定律(48)

17.1可逆过程宏观过程的方向(48)

17.2热力学第二定律(49)

17.3热力学第二定律的统计解释(52)

17.4玻耳兹曼熵公式熵增加原理(54)

17.5卡诺定理(55)

17.6克劳修斯熵公式(56)

【思考题与习题】(59)

物理学诺贝尔奖介绍5(62)

2007年巨磁电阻效应(62)

D篇机械振动与机械波

第18章机械振动(69)

18.1简谐振动(69)

18.2简谐振动的能量(74)

18.3简谐振动和匀速圆周运动的关系(75)

18.4简谐振动的合成(77)

18.5阻尼振动(81)

18.6受迫振动共振(82)

【思考题与习题】(84)

第19章机械波(87)

19.1机械波的基本概念(87)

19.2平面简谐波方程(90)

19.3平面简谐波的能量(95)

19.4惠更斯原理(97)

19.5波的叠加驻波(99)

19.6声波(103)

19.7多普勒效应(106)

19.8相速度和群速度(108)

【思考题与习题】(112)

E篇波 动 光 学

第20章光的干涉(119)

20.1光与光程(119)

20.2双缝干涉(122)

20.3薄膜干涉(124)

20.4迈克尔逊干涉仪(128)

【思考题与习题】(130)

第21章光的衍射(133)

21.1光的衍射惠更斯菲涅尔原理(133)

21.2夫琅禾费单缝衍射(136)

21.3夫琅禾费圆孔衍射(139)

21.4光栅衍射(143)

21.5X射线衍射(148)

【思考题与习题】(150)

第22章光的偏振(153)

22.1光的偏振(153)

22.2偏振光的获得和检测马吕斯定律(155)

22.3由反射与折射获得偏振光布儒斯特定律(157)

22.4双折射现象(159)

22.5偏振光的干涉(161)

22.6旋光现象(164)

【思考题与习题】(165)

物理学诺贝尔奖介绍6(167)

2009年光纤CCD电荷耦合技术(167)

F篇狭义相对论

第23章狭义相对论基础(175)

23.1伽利略变换经典物理的内部矛盾(175)

23.2狭义相对论基本假设(178)

23.3洛伦兹变换洛伦兹速度变换(179)

23.4狭义相对论的时空观(182)

23.5狭义相对论力学简介(185)

【思考题与习题】(187)

物理学诺贝尔奖介绍7(190)

2010年石墨烯(190)

G篇量子物理基础

第24章量子物理的实验基础(197)

24.1黑体辐射(198)

24.2光电效应(201)

24.3康普顿效应(204)

24.4氢原子光谱(207)

24.5微观粒子的波粒二象性(210)

【思考题与习题】(212)

第25章量子力学基础(215)

25.1概率波函数(215)

25.2不确定关系(216)

25.3薛定谔方程(218)

25.4无限深势阱问题(219)

25.5势垒穿透(221)

【思考题与习题】(222)

第26章原子结构的量子理论(224)

26.1氢原子的量子理论(224)

26.2电子的自旋(227)

26.3原子的电子壳层结构(228)

【思考题与习题】(230)

第27章分子与固体(232)

27.1化学键(232)

27.2分子的振动与转动(234)

27.3金属电子理论(234)

27.4固体的能带理论(236)

27.5绝缘体导体半导体(238)

【思考题与习题】(243)

物理学诺贝尔奖介绍8(244)

2012年操纵单个量子粒子(244)

H篇物理前沿讲座

第28章激光及其应用(251)

28.1激光的历史(251)

28.2激光产生的基本原理(252)

28.3各种激光器(256)

28.4激光的特性及应用(263)

第29章纳米技术(267)

29.1纳米技术的含义(267)

29.2纳米技术发展的原因(268)

29.3纳米制造技术(269)

29.4纳米技术的应用(272)

第30章非线性科学：混沌分形孤立子(275)

30.1混沌(275)

30.2分形(277)

30.3孤立子(280)

参考答案(283)

C篇热学

第15章气体动理论(3)

15.1热力学与统计物理研究方法平衡态(3)

15.2热力学第零定律温标(4)

15.3理想气体状态方程(5)

15.4分子运动论的基本概念(7)

15.5统计规律的特征(8)

15.6理想气体的压强与温度(9)

15.7麦克斯韦速率分布律(13)

15.8玻耳兹曼分布律(18)

15.9理想气体的内能(19)

15.10气体分子的碰撞(23)

15.11非平衡态输运过程(25)

【思考题与习题】(27)

第16章热力学第一定律(31)

16.1功热量内能热力学第一定律(31)

16.2几种典型的热力学过程(35)

16.3绝热过程多方过程(38)

16.4循环效率卡诺循环(40)

【思考题与习题】(43)

第17章热力学第二定律(48)

17.1可逆过程宏观过程的方向(48)

17.2热力学第二定律(49)

17.3热力学第二定律的统计解释(52)

17.4玻耳兹曼熵公式熵增加原理(54)

17.5卡诺定理(55)

17.6克劳修斯熵公式(56)

【思考题与习题】(59)

物理学诺贝尔奖介绍5(62)

2007年巨磁电阻效应(62)

D篇机械振动与机械波

第18章机械振动(69)

18.1简谐振动(69)

18.2简谐振动的能量(74)

18.3简谐振动和匀速圆周运动的关系(75)

18.4简谐振动的合成(77)

18.5阻尼振动(81)

18.6受迫振动共振 (82)

【思考题与习题】(84)

第19章机械波(87)

19.1机械波的基本概念(87)

19.2平面简谐波方程(90)

19.3平面简谐波的能量(95)

19.4惠更斯原理(97)

19.5波的叠加驻波(99)

19.6声波(103)

19.7多普勒效应(106)

19.8相速度和群速度(108)

【思考题与习题】(112)

E篇波 动 光 学

第20章光的干涉(119)

20.1光与光程(119)

20.2双缝干涉(122)

20.3薄膜干涉(124)

20.4迈克尔逊干涉仪(128)

【思考题与习题】(130)

第21章光的衍射(133)

21.1光的衍射惠更斯菲涅尔原理(133)

21.2夫琅禾费单缝衍射(136)

21.3夫琅禾费圆孔衍射(139)

21.4光栅衍射(143)

21.5X射线衍射(148)

【思考题与习题】(150)

第22章光的偏振(153)

22.1光的偏振(153)

22.2偏振光的获得和检测马吕斯定律(155)

22.3由反射与折射获得偏振光布儒斯特定律(157)

22.4双折射现象(159)

22.5偏振光的干涉(161)

22.6旋光现象(164)

【思考题与习题】(165)

物理学诺贝尔奖介绍6(167)

2009年光纤CCD电荷耦合技术(167)

F篇狭义相对论

第23章狭义相对论基础(175)

23.1伽利略变换经典物理内部矛盾(175)

23.2狭义相对论基本假设(178)

23.3洛伦兹变换洛伦兹速度变换(179)

23.4狭义相对论的时空观(182)

23.5狭义相对论力学简介(185)

【思考题与习题】(187)

物理学诺贝尔奖介绍7(190)

2010年石墨烯(190)

G篇近代物理基础

第24章量子物理的实验基础(197)

24.1黑体辐射(198)

24.2光电效应(201)

24.3康普顿效应(204)

24.4氢原子光谱(207)

24.5微观粒子的波粒二象性(210)

【思考题与习题】(211)

第25章量子力学基础(215)

25.1概率波函数(215)

25.2不确定关系(216)

25.3薛定谔方程(218)

25.4无限深势阱问题(219)

25.5势垒穿透(221)

【思考题与习题】(222)

第26章原子结构的量子理论(224)

26.1氢原子的量子理论(224)

26.2电子的自旋(227)

26.3原子的电子壳层结构(228)

【思考题与习题】(230)

第27章分子与固体(232)

27.1化学键(232)

27.2分子的振动与转动(234)

27.3金属电子理论(234)

27.4固体的能带理论(236)

27.5绝缘体导体半导体(238)

【思考题与习题】(243)

物理学诺贝尔奖介绍8(244)

2012年操纵单个量子粒子(244)

H篇物理前沿讲座

第28章激光及其应用(251)

28.1激光的历史(251)

28.2激光产生的基本原理(252)

28.3各种激光器(256)

28.4激光的特性及应用(263)

第29章纳米科技(267)

29.1纳米技术的含义(267)

29.2纳米技术发展的原因(268)

29.3纳米制造技术(269)

29.4纳米科技的应用(272)

第30章非线性科学混沌分形孤立子(275)

30.1混沌(275)

30.2分形(277)

30.3孤立子(280)

第31章量子信息(283)

31.1量子信息学简介(283)

31.2量子计算(284)

习题答案(286)

1.物理学的研究对象物理学的研究对象是物质的结构和规律。物质的结构，从微观到宏观，再到天体和宇宙，尺度之大，范围之广，涵盖了所有的物质形态。微观范畴，如原子的结构、原子核的结构、粒子如何构成原子核；宏观范畴，如凝聚态的结构、材料的性质；天体范畴，如银河系的构成、河外星系的结构等，都属于物理学研究的对象。除了研究各个层次的物质的结构，还要弄清物质的运动规律。就目前的科学水平，在微观，主要的物理理论是量子力学；在宏观，起支配作用的是经典物理学，也就是力学和电磁学；在宇宙的尺度，主要的理论是广义相对论。这些理论，在人类不断加深对自然界认识的基础上不断发展。2.三次工业革命与物理学的关系第1次工业革命发生于1760—1840年，主要的标志是蒸汽机的发明和使用。由于有了蒸汽机代替人力和畜力，生产效率得到极大提高。火车代替了小马车，蒸汽机驱动的纺织机械代替了手工纺织，社会的产品极大丰富，出现了主要用于交换的商品，人类进入一个大发展时期。而蒸汽机的原理就是物理学中热学的内容。第二次工业革命发生于1840—1950年，主要的标志是电的发明和使用。电作为动力，在火车、汽车、电梯等方面得到广泛使用，成为广泛使用的动力；电作为信息传输载体，在有线和无线通信，如电话、电报、传真、互联网等方面，得到非常广泛的使用。物理学电磁场的理论就是电的理论基础。第三次工业革命也叫作信息革命、知识经济时代（1950年至今），是指以电子技术、集成电路、计算机为核心的信息技术时代。这个时代，改变了资本和有形的物质作为工业主体的格局，信息和知识作为工业的主体，计算机在许多方面代替了人的脑力劳动，知识的地位大大提升。这个时代的核心是计算机，而计算机的核心部件是CPU。CPU的基本元件是PN结和三极管，它们都是在硅（锗）的基片上形成的。固体物理是CPU的理论基础。不仅与三次工业革命有紧密的联系，即使在当代，物理学与新技术也密不可分。比如2007年的诺贝尔物理学奖巨磁阻效应，2009年的诺贝尔物理学奖光纤、CCD电荷耦合技术，2010年的石墨烯，这些物理学的成果，已经或者即将形成技术突破，极大地改变人类的生活。作为理工科的大学生，学习物理，了解物理学的新进展，是十分必要的。3.学习大学物理的作用首先，大学物理作为公共基础课，与各个专业的后续课程都有关系。比如，机械类和土木类专业的同学，在后续要学习理论力学、材料力学、机械原理，都需要物理的力学作为基础；而检测类的专业，有不少课程与光学有关；电气信息类的同学，后续课程与电磁理论有关，都需要把大学物理作为基础；轻化类的同学，后续课程与热力学、量子力学有关。其次，大学物理作为科学素养，是理工科同学必备的。人们在生活和工作中，不仅用到专业知识，更多的时候要与非专业的问题打交道，需要有物理的知识背景。比如，普遍使用的复印机，与电学有关；夏天雨后的彩虹，就是光的折射现象；检查身体的X光机、核磁共振仪与原子物理有关。对我们在日常生活中遇到的仪器设备，即使我们只要对它们稍作了解，就需要有大学物理知识。更不用说理工科的学生，在以后的工作中，要结合自己的专业，把物理的新知识应用到专业中去。如前面提到的巨磁阻效应、石墨烯等等，可以预见在不久的将来会在技术上突破，只有及时地把这些物理上的进展，与自己的专业结合，才可能取得突出的成绩。后，也是就业的需要。学生进校后，学习的专业是确定的，而就业则带有偶然性。由于社会需求的变化，可能很多同学要跨专业就业，在另外一个专业领域，学生以前学习的非常专业化的知识这时候起不到多少作用。我们都知道，很多问题，后都归为物理模型和数学方程，所以，大学物理为同学们提供了一个普遍的可以长期起作用的基础。4.学习大学物理的要求第1，做好预习。预习对于集中注意力听课，做到当堂理解，培养自己的自学能力都有好处。第二，适当地做笔记。把教师在课堂上讲的与教材不同的地方记下来，供课后复习参考。第三，独立完成作业。作业不在多，在精练，要独立完成，真正培养自己独立解决问题的能力。第四，适当阅读其他参考书。中外有很多优秀的大学物理教材和参考书，同学们要善于利用，在教师指导下，有选择性地阅读，扩大自己的知识面。前言本套教材按照教育部高等学校大学物理课程教学指导委员会制定的基本要求编写，包括了所有规定的A部分的内容，也有选择性地包含了B部分的内容，可以供理工类本科和专科各类学生学习大学物理使用。本书的编写有以下几个特点。(1)注重书的历史厚重感。在讲解物理的重要知识时，简要地讲述它的背景和来龙去脉，让学生更好地把握科学的发展历程，而不至于感到物理知识是断裂的、片段的知识。(2)穿插介绍近20多年来与人类生活密切相关的诺贝尔物理学奖，让学生及时接触、了解物理学的前沿领域的发展。(3)考虑到一些对力学要求比较高的专业的需要,增加了分析力学基础一章。在后的3章，专门介绍了物理学与新技术：激光及其应用，纳米技术，非线性科学：混沌、分形、孤立子。这些内容虽然不在传统的大学物理教学范围内，但是，可以作为选讲内容或学生课外阅读材料。(4)每一章和节的标题，以及每章中的重要定理都附有英语翻译。主要是考虑到目前大多数学生还没有机会学习物理的双语课程，通过此种形式，让学生尽早地接触英语中重要的物理名词。本书还按照内容，分为几大篇，便于不同专业按照模块安排教学。这些改进或者说特色，是我们对物理教学的一点尝试，效果如何，还要看实践的检验。也希望使用本书的教师和学生及时反馈修改意见。