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开 本: 16开包 装: 平装是否套装: 否国际标准书号ISBN: 9787030455253丛书名: 普通高等教育“十二五”规划教材
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可作为理工科、师范院校及各类高职院校、成人大学普通物理课程的教材，有关科技人员及广大青年
内容简介
《大学物理学（上册）》以普通物理学教学大纲(非物理专业)为依据，系统地论述了普通物理学的基本内容.《大学物理学（上册）》分上、下两册.上册包括力学、振动与波、热学、电磁学；下册包括光学和近代物理共六篇．《大学物理学（上册）》内容丰富，观点明确，注重物理思想和方法，注意启发思维，培养能力．特别是对基本概念、基本理论、基本规律和方法的叙述严密、准确，重点突出，脉络分明．尤其对定理和公式的推导、分析、应用，表述简明、清晰；对易错或混淆之处叙述详细．
目 录
目录
前言
**篇 力学
第1章 质点运动学 3
1.1 参照系和坐标系 3
1.2 质点位矢和位移 4
1.3 速度加速度 5
1.4 直线运动 7
1.5 曲线运动 10
1.6 相对运动 16
思考题 18
习题 18
第2章 质点动力学 21
2.1 Newton运动三定律 21
2.2 力学的单位制和量纲 24
2.3 Newton定律的应用 25
2.4 惯性系和非惯性系 36
思考题 38
习题 39
第3章 功和能 42
3.1 功及功率 42
3.2 动能定理 44
3.3 势能 47
3.4 机械能守恒定律 51
3.5 行星的运动宇宙速度 53
思考题 56
习题 56
第4章 动量定理 59
4.1 动量定理 59
4.2 动量守恒定律 62
4.3 火箭的运动 65
4.4 碰撞 66
思考题 70
习题 71
第5章 刚体力学 72
5.1 刚体的基本运动 72
5.2 质心运动定理 76
5.3 刚体的转动惯量 78
5.4 转动定律 82
5.5 力矩的功刚体定轴转动的动能定理 85
5.6 角动量守恒定律 89
思考题 94
习题 95
第二篇 振动与波
第6章 机械振动 101
6.1 简谐振动 101
6.2 初始条件谐振子的能量 104
6.3 同方向简谐振动的合成 106
6.4 相互垂直的简谐振动的合成 108
6.5 阻尼振动受迫振动共振 110
思考题 112
习题 112
第7章 机械波 115
7.1 机械波的产生和传播简谐波 115
7.2 波的特征量 116
7.3 平面简谐波方程 118
7.4 波的能量和能流 120
7.5 Huygens原理波的反射和折射 123
7.6 波的叠加原理波的干涉 125
7.7 驻波 127
7.8 Doppler效应 129
7.9 声波超声波次声波 130
思考题 132
习题 132
第三篇 热学
第8章 气体动理论 137
8.1 平衡态状态参量 137
8.2 气体分子动理论 139
8.3 理想气体的压强公式 142
8.4 气体分子的平均动能 145
8.5 能量均分定理 147
8.6 Maxwell分子速率分布率 150
8.7 分子平均碰撞次数与平均自由程 154
8.8 气体的迁移现象 156
8.9 真空的获得 159
思考题 162
习题 163
第9章 热力学基础 165
9.1 内能功热量 165
9.2 热力学**定律 166
9.3 mol热容量 168
9.4 等温过程绝热过程 170
9.5 循环过程 176
9.6 热力学第二定律 179
9.7 可逆过程和不可逆过程 181
9.8 Carnot循环Carnot定理 182
9.9 热力学第二定律的统计意义 186
9.10 低温物理简介 187
思考题 190
习题 191
第四篇 电磁学
第10章 静电场的基本规律 195
10.1 电荷电场 195
10.2 Coulomb定律 197
10.3 电场强度场强叠加原理 200
10.4 Gauss定理 209
10.5 静电场力的功电势 215
10.6 电场强度与电势的关系 223
思考题 225
习题 226
第11章 静电场中的导体和电介质 228
11.1 静电场中的导体 228
11.2 电容电容器 233
11.3 电介质中的静电场电位移 238
11.4 电场的能量 244
思考题 247
习题 248
第12章 稳恒电流和稳恒电场 250
12.1 电流密度电流的连续性方程 250
12.2 电阻Ohm定律 253
12.3 电功和电功率Joule定律 256
12.4 电动势 257
12.5 Kirchhoff定律及其应用 262
12.6 电子的脱出功温差电现象 265
思考题 268
习题 269
前言
**篇 力学
第1章 质点运动学 3
1.1 参照系和坐标系 3
1.2 质点位矢和位移 4
1.3 速度加速度 5
1.4 直线运动 7
1.5 曲线运动 10
1.6 相对运动 16
思考题 18
习题 18
第2章 质点动力学 21
2.1 Newton运动三定律 21
2.2 力学的单位制和量纲 24
2.3 Newton定律的应用 25
2.4 惯性系和非惯性系 36
思考题 38
习题 39
第3章 功和能 42
3.1 功及功率 42
3.2 动能定理 44
3.3 势能 47
3.4 机械能守恒定律 51
3.5 行星的运动宇宙速度 53
思考题 56
习题 56
第4章 动量定理 59
4.1 动量定理 59
4.2 动量守恒定律 62
4.3 火箭的运动 65
4.4 碰撞 66
思考题 70
习题 71
第5章 刚体力学 72
5.1 刚体的基本运动 72
5.2 质心运动定理 76
5.3 刚体的转动惯量 78
5.4 转动定律 82
5.5 力矩的功刚体定轴转动的动能定理 85
5.6 角动量守恒定律 89
思考题 94
习题 95
第二篇 振动与波
第6章 机械振动 101
6.1 简谐振动 101
6.2 初始条件谐振子的能量 104
6.3 同方向简谐振动的合成 106
6.4 相互垂直的简谐振动的合成 108
6.5 阻尼振动受迫振动共振 110
思考题 112
习题 112
第7章 机械波 115
7.1 机械波的产生和传播简谐波 115
7.2 波的特征量 116
7.3 平面简谐波方程 118
7.4 波的能量和能流 120
7.5 Huygens原理波的反射和折射 123
7.6 波的叠加原理波的干涉 125
7.7 驻波 127
7.8 Doppler效应 129
7.9 声波超声波次声波 130
思考题 132
习题 132
第三篇 热学
第8章 气体动理论 137
8.1 平衡态状态参量 137
8.2 气体分子动理论 139
8.3 理想气体的压强公式 142
8.4 气体分子的平均动能 145
8.5 能量均分定理 147
8.6 Maxwell分子速率分布率 150
8.7 分子平均碰撞次数与平均自由程 154
8.8 气体的迁移现象 156
8.9 真空的获得 159
思考题 162
习题 163
第9章 热力学基础 165
9.1 内能功热量 165
9.2 热力学**定律 166
9.3 mol热容量 168
9.4 等温过程绝热过程 170
9.5 循环过程 176
9.6 热力学第二定律 179
9.7 可逆过程和不可逆过程 181
9.8 Carnot循环Carnot定理 182
9.9 热力学第二定律的统计意义 186
9.10 低温物理简介 187
思考题 190
习题 191
第四篇 电磁学
第10章 静电场的基本规律 195
10.1 电荷电场 195
10.2 Coulomb定律 197
10.3 电场强度场强叠加原理 200
10.4 Gauss定理 209
10.5 静电场力的功电势 215
10.6 电场强度与电势的关系 223
思考题 225
习题 226
第11章 静电场中的导体和电介质 228
11.1 静电场中的导体 228
11.2 电容电容器 233
11.3 电介质中的静电场电位移 238
11.4 电场的能量 244
思考题 247
习题 248
第12章 稳恒电流和稳恒电场 250
12.1 电流密度电流的连续性方程 250
12.2 电阻Ohm定律 253
12.3 电功和电功率Joule定律 256
12.4 电动势 257
12.5 Kirchhoff定律及其应用 262
12.6 电子的脱出功温差电现象 265
思考题 268
习题 269
前 言
序言
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**篇 力学
第1章 质点运动学
自然界中，物质的运动形式是多种多样的，而*基本又*简单的运动是物体相对位置的改变，称为机械运动。如行星绕太阳的运动，太阳绕银河中心的运动，以及车、船的运动，水和空气等流体的流动等都属于机械运动。在描述机械运动时，常用位移、速度、加速度等物理量来描述。在研究位移、速度、加速度等物理量随时间的变化规律时，若不考虑引起变化的原因，则称之为运动学；若考虑物体的相互作用对物体运动的影响，则称之为动力学。本章讨论质点的运动学。
1.1 参考系和坐标系
1.1.1 参考系
宇宙间的一切物体都在不停地运动着。大到天体，小到原子、分子以及核子，它们每时每刻都在运动。因此，运动是普遍的、**的。虽然运动是**的，但就一定物体的运动而言，则具有相对性。例如，地球上的桥梁、山脉在地球上看来是静止的，而从太阳上看来，它们都在随地球一起运动；在地面上看来是竖直下落的雨滴，而从匀速行驶的列车上来看，雨滴却在做斜下抛运动。由此可见，运动具有相对性。因此，我们在描述一个物体的运动时，必须明确它是相对于另外哪一个物体或物体系而言的。在描述物体运动时被选作参照标准的物体或物体系(物体系中的物体没有相对运动)被称为参考系或参考系。
在运动学中，参考系的选择可以是任意的，但选取参考系的原则只有一个，即什么参考系描述物体的运动*简洁、*方便，就选什么参考系。例如，研究地球上物体的运动，*好以地球为参考系，若以太阳为参考系，则显得复杂。
1.1.2 坐标系
有了参考系，我们只能定性地描述物体的运动。要定量描述物体的运动，还必须在参考系上建立坐标系。坐标系的选取也是以描述问题的方便为准的，通常选用直角坐标系，也用极坐标系、自然坐标系等。坐标系是固定于参考系上的，因此坐标系的实质是参考系的数学抽象，明确了坐标系也就明确了参考系。故而在运动学中如无特别要求，一般只明确坐标系即可。
1.1.3 时间与时刻
任何物体的运动都发生在一定的时间和空间。时间是衡量事物发展变化过程长短的一个物理量。在现实生活中，所发生的一切过程均不可逆，故我们常说时间具有单方向性的特点。
在描述物体运动时，我们也常用时刻的概念。所谓时刻指时间流逝中的一刹那，又称“瞬时”。物体运动到某一位置时均与一定的时刻相对应。时刻与时刻之间的间隔即为时间。
1.2 质点位矢和位移
1.2.1 质点
任何物体都有一定的大小和形状。在物体运动时，物体上各点的位置变化一般各不相同，故而要描述一个物体的运动状态常常是很复杂的。为使问题简化，我们常采用抽象的方法，当物体的形状、大小在所研究的问题中不起作用或起次要作用时，通常把物体看成一个没有大小和形状，只具有质量的理想物体，称之为质点。
一个物体能否看成质点，要依所研究问题的具体情况而定，与物体的大小没有关系。当我们在同一参考系内研究同一物体时，如果只考虑平动，就可以把物体看成没有大小和形状的点。物体的质量就集中在此点上，它依然具有动量、能量等所有物理属性，但当研究此物体的转动时，就不能把此物体看成质点。例如，研究地球绕太阳的公转时，由于地球的直径与公转轨道的直径相比要小得多，即可认为地球上各点相对太阳的运动是相同的，故可将地球视为质点。但若要研究地球的自转，就不能将地球看成质点来处理了。
1.2.2 位置矢量
为了描述质点的位置，在参考系上选一参考点O，从参考点O指向质点所在位置P的矢量，称为质点的位置矢量，简称位矢，也称矢径。如图1-1所示，通常记作r，即
图1-1 质点的位矢图示
如图1-2所示，在参考系上建立直角坐标系O-XYZ，令坐标原点与参考点O重合，则位置矢量在直角坐标系中的表示形式为
其中，i、j、k分别为x、y、z轴方向的单位矢量；x、y、z为质点的位置坐标。位矢r的大小为
图1-2 位矢在直角坐标系的投影
位矢的方向余弦为
质点运动过程中，其空间位置是随时间发生变化的，即质点的坐标x、y、z和位矢r都是关于时间t的函数。表示质点运动过程的函数关系常称为运动方程，通常写为
(1-2)
或(1-3)
由上可见，若知式(1-2)，则式(1-3)亦知，反之亦然。常称式(1-2)为质点运动方程的标量形式。
当质点做平面运动时(运动限定在某一平面内)，总可使O-XY面与质点运动所在的平面重合。其运动方程可简化为
当质点做直线运动时，其运动方程可化简为
若知道了运动方程，则质点在任一时刻的位置(何时在何处)就可以确定，从而就确定了质点的运动状态。因此，运动方程是力学的中心问题。
质点运动在空间所经过的路径称为运动轨迹或轨道，质点的运动轨迹依赖于参考系的选取。轨迹方程可从式(1-2)中消去参数t而得到。
例题1.1 一质点的运动方程为
试求其轨迹方程。
解由运动方程可知
消去参数t，则有。
显然，这是一个圆心在坐标原点，半径为R的圆的方程，故其运动轨迹为一圆。
1.2.3 位移
位移是指位置矢量的改变量，通常用Δr表示。如图1-3所示，OA=r(t)表示t时刻的位置矢量，表示(t+Δt)时刻的位置矢量，则
图1-3 位移和路程
可见，位移表示的是质点位置的改变，而并非质点所经路径.质点所经路径的长度通常称为路程，常用Δs或s表示，其为一标量，如图1-3中AB所示。一般而言，总有
位置矢量、位移和路程在量值上都表示长度，其常用的单位为千米(km)、米(m)和厘米(cm)。
1.3 速度加速度
1.3.1 速度
为了描述质点的位置随时间变化的快慢，我们引入速度的概念。如图1-3所示，在Δt时间内，质点的位移为Δr，则Δr与Δt的比值称为质点在Δt时间内的平均速度，记作，即
平均速度的方向与位移Δr方向相同。平均速度只反映在Δt时间内质点的位置的平均变化快慢程度，要准确地描述质点在某一时刻(或某一位置)的运动状态，则利用平均速度的极限值——瞬时速度(通常简称为速度)，即质点在某一时刻(或某一位置)的瞬时速度等于当时间Δt趋近于零时平均速度的极限，记作
即速度等于位矢对时间的一阶导数。
速度是一个矢量，既有大小又有方向。速度的方向就是平均速度或位移的极限方向。如图1-4所示，在Δt3时间内，位移为，其平均速度的方向沿AD，当时间缩短为Δt2时，Δt2时间内的平均速度沿AC方向；当时间缩短为Δt1时，Δt1时间内的平均速度沿AB方向；当Δt继续减小趋近于零时，平均速度的方向沿轨道上A点的切线方向，并指向质点运动的一方，此即为A点的速度方向。
图1-4 A点的速度方向
在描述质点运动时，也常用到速率的概念.速率为一标量，它反映了质点所经路程随时间变化的快慢。如图1-3所示，在Δt时间内，质点所经路程为Δs，Δs与Δt的比值称为Δt时间内质点的平均速率，即
平均速率只反映了在一段时间内路程的平均变化快慢，要描述在某一时刻(或某一位置)路程随时间变化的快慢，则要采用瞬时速率(简称速率)，用v表示。速率等于平均速率的极限值，即
即速率就是速度的大小。
必须注意，平均速率和平均速度的区别，瞬时速率与瞬时速度的联系。
1.3.2 加速度
为了描述质点的位置随时间变化的快慢，我们引入了速度的概念。同样，为了描述质点的速度随时间变化的快慢，我们引入加速度的概念。如图1-5所示，在Δt时间内，速度的增量为Δv=vB-vA，与平均速度相类似，我们称Δv与Δt的比值为在Δt时间内质点的平均
第1章 质点运动学
自然界中，物质的运动形式是多种多样的，而*基本又*简单的运动是物体相对位置的改变，称为机械运动。如行星绕太阳的运动，太阳绕银河中心的运动，以及车、船的运动，水和空气等流体的流动等都属于机械运动。在描述机械运动时，常用位移、速度、加速度等物理量来描述。在研究位移、速度、加速度等物理量随时间的变化规律时，若不考虑引起变化的原因，则称之为运动学；若考虑物体的相互作用对物体运动的影响，则称之为动力学。本章讨论质点的运动学。
1.1 参考系和坐标系
1.1.1 参考系
宇宙间的一切物体都在不停地运动着。大到天体，小到原子、分子以及核子，它们每时每刻都在运动。因此，运动是普遍的、**的。虽然运动是**的，但就一定物体的运动而言，则具有相对性。例如，地球上的桥梁、山脉在地球上看来是静止的，而从太阳上看来，它们都在随地球一起运动；在地面上看来是竖直下落的雨滴，而从匀速行驶的列车上来看，雨滴却在做斜下抛运动。由此可见，运动具有相对性。因此，我们在描述一个物体的运动时，必须明确它是相对于另外哪一个物体或物体系而言的。在描述物体运动时被选作参照标准的物体或物体系(物体系中的物体没有相对运动)被称为参考系或参考系。
在运动学中，参考系的选择可以是任意的，但选取参考系的原则只有一个，即什么参考系描述物体的运动*简洁、*方便，就选什么参考系。例如，研究地球上物体的运动，*好以地球为参考系，若以太阳为参考系，则显得复杂。
1.1.2 坐标系
有了参考系，我们只能定性地描述物体的运动。要定量描述物体的运动，还必须在参考系上建立坐标系。坐标系的选取也是以描述问题的方便为准的，通常选用直角坐标系，也用极坐标系、自然坐标系等。坐标系是固定于参考系上的，因此坐标系的实质是参考系的数学抽象，明确了坐标系也就明确了参考系。故而在运动学中如无特别要求，一般只明确坐标系即可。
1.1.3 时间与时刻
任何物体的运动都发生在一定的时间和空间。时间是衡量事物发展变化过程长短的一个物理量。在现实生活中，所发生的一切过程均不可逆，故我们常说时间具有单方向性的特点。
在描述物体运动时，我们也常用时刻的概念。所谓时刻指时间流逝中的一刹那，又称“瞬时”。物体运动到某一位置时均与一定的时刻相对应。时刻与时刻之间的间隔即为时间。
1.2 质点位矢和位移
1.2.1 质点
任何物体都有一定的大小和形状。在物体运动时，物体上各点的位置变化一般各不相同，故而要描述一个物体的运动状态常常是很复杂的。为使问题简化，我们常采用抽象的方法，当物体的形状、大小在所研究的问题中不起作用或起次要作用时，通常把物体看成一个没有大小和形状，只具有质量的理想物体，称之为质点。
一个物体能否看成质点，要依所研究问题的具体情况而定，与物体的大小没有关系。当我们在同一参考系内研究同一物体时，如果只考虑平动，就可以把物体看成没有大小和形状的点。物体的质量就集中在此点上，它依然具有动量、能量等所有物理属性，但当研究此物体的转动时，就不能把此物体看成质点。例如，研究地球绕太阳的公转时，由于地球的直径与公转轨道的直径相比要小得多，即可认为地球上各点相对太阳的运动是相同的，故可将地球视为质点。但若要研究地球的自转，就不能将地球看成质点来处理了。
1.2.2 位置矢量
为了描述质点的位置，在参考系上选一参考点O，从参考点O指向质点所在位置P的矢量，称为质点的位置矢量，简称位矢，也称矢径。如图1-1所示，通常记作r，即
图1-1 质点的位矢图示
如图1-2所示，在参考系上建立直角坐标系O-XYZ，令坐标原点与参考点O重合，则位置矢量在直角坐标系中的表示形式为
其中，i、j、k分别为x、y、z轴方向的单位矢量；x、y、z为质点的位置坐标。位矢r的大小为
图1-2 位矢在直角坐标系的投影
位矢的方向余弦为
质点运动过程中，其空间位置是随时间发生变化的，即质点的坐标x、y、z和位矢r都是关于时间t的函数。表示质点运动过程的函数关系常称为运动方程，通常写为
(1-2)
或(1-3)
由上可见，若知式(1-2)，则式(1-3)亦知，反之亦然。常称式(1-2)为质点运动方程的标量形式。
当质点做平面运动时(运动限定在某一平面内)，总可使O-XY面与质点运动所在的平面重合。其运动方程可简化为
当质点做直线运动时，其运动方程可化简为
若知道了运动方程，则质点在任一时刻的位置(何时在何处)就可以确定，从而就确定了质点的运动状态。因此，运动方程是力学的中心问题。
质点运动在空间所经过的路径称为运动轨迹或轨道，质点的运动轨迹依赖于参考系的选取。轨迹方程可从式(1-2)中消去参数t而得到。
例题1.1 一质点的运动方程为
试求其轨迹方程。
解由运动方程可知
消去参数t，则有。
显然，这是一个圆心在坐标原点，半径为R的圆的方程，故其运动轨迹为一圆。
1.2.3 位移
位移是指位置矢量的改变量，通常用Δr表示。如图1-3所示，OA=r(t)表示t时刻的位置矢量，表示(t+Δt)时刻的位置矢量，则
图1-3 位移和路程
可见，位移表示的是质点位置的改变，而并非质点所经路径.质点所经路径的长度通常称为路程，常用Δs或s表示，其为一标量，如图1-3中AB所示。一般而言，总有
位置矢量、位移和路程在量值上都表示长度，其常用的单位为千米(km)、米(m)和厘米(cm)。
1.3 速度加速度
1.3.1 速度
为了描述质点的位置随时间变化的快慢，我们引入速度的概念。如图1-3所示，在Δt时间内，质点的位移为Δr，则Δr与Δt的比值称为质点在Δt时间内的平均速度，记作，即
平均速度的方向与位移Δr方向相同。平均速度只反映在Δt时间内质点的位置的平均变化快慢程度，要准确地描述质点在某一时刻(或某一位置)的运动状态，则利用平均速度的极限值——瞬时速度(通常简称为速度)，即质点在某一时刻(或某一位置)的瞬时速度等于当时间Δt趋近于零时平均速度的极限，记作
即速度等于位矢对时间的一阶导数。
速度是一个矢量，既有大小又有方向。速度的方向就是平均速度或位移的极限方向。如图1-4所示，在Δt3时间内，位移为，其平均速度的方向沿AD，当时间缩短为Δt2时，Δt2时间内的平均速度沿AC方向；当时间缩短为Δt1时，Δt1时间内的平均速度沿AB方向；当Δt继续减小趋近于零时，平均速度的方向沿轨道上A点的切线方向，并指向质点运动的一方，此即为A点的速度方向。
图1-4 A点的速度方向
在描述质点运动时，也常用到速率的概念.速率为一标量，它反映了质点所经路程随时间变化的快慢。如图1-3所示，在Δt时间内，质点所经路程为Δs，Δs与Δt的比值称为Δt时间内质点的平均速率，即
平均速率只反映了在一段时间内路程的平均变化快慢，要描述在某一时刻(或某一位置)路程随时间变化的快慢，则要采用瞬时速率(简称速率)，用v表示。速率等于平均速率的极限值，即
即速率就是速度的大小。
必须注意，平均速率和平均速度的区别，瞬时速率与瞬时速度的联系。
1.3.2 加速度
为了描述质点的位置随时间变化的快慢，我们引入了速度的概念。同样，为了描述质点的速度随时间变化的快慢，我们引入加速度的概念。如图1-5所示，在Δt时间内，速度的增量为Δv=vB-vA，与平均速度相类似，我们称Δv与Δt的比值为在Δt时间内质点的平均
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