伯克利物理学教程(SI版) 第3卷 波动学(翻译版) Frank S. Crawford Jr.

本书遵循教指委相关指导文件和高等院校学生学习规律编写而成。践行四新理念，融入思政元素，注重理论与实践相结合。

本书是《伯克利物理学教程》第三卷，专门讨论波动现象。全书强调不同波动现象之间的相似性和可类比性，并介绍了许多重要波动现象的实例。各章末附有习题和大量课外实验，有助于读者对有关概念的深入理解。

汤家镛，1957年毕业于北京大学物理系，后赴复旦大学任教，为复旦大学核物理学教授、原子核科学系主任、现代物理研究所所长。1978年，曾与杨福家一同提出了核寿命测量的普适公式，被称为“杨—汤公式”。

中译本再版前言
“伯克利物理学教程”序
“伯克利物理学教程”原序（一）
“伯克利物理学教程”原序（二）
出版说明
前言
致谢
教学说明
第1章简单体系的自由振动2
11引言2
12一个自由度体系的自由振动3
术语3
回复力和惯性4
振动的行为4
ω2的物理意义4
阻尼振动4
例1：单摆4
例2：有质量的物体和弹簧——纵向
振动6
例3：有质量的物体和弹簧——横向
振动7
玩具弹簧近似8
小振动近似8
例4：LC电路10
13线性和叠加原理11
线性齐次方程11
初始条件的叠加12
线性非齐次方程13
例5：球面摆13
14两个自由度体系的自由振动14
一个模式的性质14
例6：简单的球面摆15
例7：二维谐振子15
简正坐标16
振动模式的系统求解法17
例8：两个耦合的有质量物体的纵向
振动19
例9：两个耦合的有质量物体的横向
振动21
例10：两个耦合的LC电路23
15拍24
调制25
准谐振动25
例11：两个音叉产生的拍26
平方律探测器26
例12：两个可见光源之间的拍28
例13：两个弱耦合的等同振子的简
正模式之间的拍28
特殊例子31
习题与课外实验31
第2章多自由度体系的自由振动42
21引言42
驻波即简正模式42
串珠弦的模式43
22连续弦的横向模式44
纵振动与横振动44
线偏振44
经典波动方程46
驻波47
波速48
边界条件48
谐频比48
波数49
色散关系50
实际钢琴弦的色散关系50
非色散波与色散波50
23连续弦的一般运动和傅里叶
分析51
两端固定的弦的运动51
两端为零的函数的傅里叶级数51
z的周期函数的傅里叶分析52
求傅里叶系数53
傅里叶系数54
·ⅩⅩ·方波54
时间的周期函数的傅里叶分析55
钢琴的和音56
其他边界条件57
激发方式对音品的影响58
均匀弦模式形成完备函数系58
非均匀弦58
驻波的正弦形状是均匀体系的
标志59
非均匀弦的模式形成完备函数系59
本征函数60
24具有N个自由度的不连续体系的
模式60
例1：串珠弦的横振动61
运动方程61
简正模式62
串珠弦的严格色散关系63
边界条件63
连续或长波长极限64
实际钢琴弦的色散关系65
例2：弹簧与有质量物体组成的
体系的纵振动66
集总参量和分布参量67
例3：玩具弹簧68
例4：LC网络68
a的意义69
色散关系的其他形式70
例5：耦合摆70
例6：等离子体振荡72
特殊例子74
习题与课外实验74
第3章受迫振荡85
31引言85
32有阻尼的、由外力驱动的一维
谐振子85
自由振荡的瞬态衰减86
谐驱动力作用下的稳态振荡87
吸收振幅和弹性振幅88
共振89
例1：硬纸板管的衰减时间90
弹性振幅的频率依赖性91
其他“共振曲线”92
瞬态受迫振荡93
原先没有扰动的振子93
情况1：驱动频率等于自然振荡
频率94
情况2：零阻尼和无休止的拍94
情况3：瞬态拍95
共振形状的定性探讨95
33两个自由度体系的共振97
例2：双耦合摆的受迫振荡98
每一种模式的行为都像一个被驱动
的振子99
每一部分的运动都看作各种驱动
模式的叠加99
多个耦合摆体系的受迫振荡100
34滤波器101
例3：用双耦合摆作为机械
滤波器101
高频截止102
低频截止102
术语103
例4：机械带通滤波器104
例5：机械低通滤波器104
例6：电学带通滤波器105
例7：电学低通滤波器106
例8：用于直流电源的低通
滤波器106
35具有多个自由度的闭合体系的
受迫振荡107
忽略阻尼107
运动部分的相对相位108
例9：耦合摆108
连续近似109
克莱因戈尔登波动方程110
ω2＞ω20：正弦波110
ω2＜ω20：指数波110
用耦合摆作为高通滤波器111
指数波的术语112
·ⅩⅩⅠ·色散关系113
色散性介质或波抗性介质113
例10：电离层113
波透入波抗性区域114
共振116
束缚模式116
耦合摆体系受迫振荡的精确解117
色散性频率范围117
较低的波抗性范围117
较高的波抗性范围118
习题与课外实验119
第4章行波129
41引言129
开放体系129
振幅关系129
相位关系130
42一维谐行波和相速度130
相速度130
行波和驻波有相同的色散关系吗？132
耦合摆线性列阵的色散律132
正弦行波133
开放体系中的指数波133
指数式锯齿波133
色散正弦波和非色散正弦波133
波抗性的指数波134
例1：串珠弦上的横波134
例2：串珠弦上的纵波135
声音的相速度——牛顿模型135
修正牛顿的错误137
例3：地球电离层中的电磁波及
超过c的相速度139
例4：传输线——低通滤波器140
这种低通传输线的相速度能
超过c吗？141
直平行传输线组的相速度142
例5：平行板传输线142
43折射率和色散144
表41几种常用材料的折射率145
折射率随颜色的变化——色散145
折射和斯涅耳定律146
玻璃的色散146
表42玻璃折射率的色散147
为什么折射率随频率而变化？147
例6：“玻璃分子”的简单模型148
大于c的相速度150
指数波——波抗性频率范围150
例7：电离层的色散151
低频截止频率的定性解释152
在色散频率范围内折射率的定性
讨论154
术语：为什么我们总是考虑E而
忽略B？155
44阻抗和能通量156
例8：连续弦上的横向行驶156
特性阻抗157
发送器输出功率158
由行波输送的能量159
例9：弹簧上纵波的辐射160
例10：声波161
标准声强162
术语：分贝162
应用：引起痛苦的声强的方均根
计示压强162
应用：引起痛苦的响声振幅163
应用：勉强可听到的声音的振幅163
应用：典型高保真度扬声器的声频
输出163
应用：两个接近于令人感到痛苦的
声音的叠加163
例11：低通传输线上的行波164
例12：平行板传输线165
透明介质中的平面电磁波167
无界真空中的平面电磁波167
应用：求出太阳常数169
电磁辐射能流通量的测量170
可见光的标准强度——烛光171
表面亮度171
为什么当月亮靠近时看起来并没有
更亮一些？172
照度——英尺烛光173
表43表面亮度174
应用：40 W灯泡和月亮的比较174
应用：人造卫星月镜174
习题与课外实验174
第5章反射185
·ⅩⅩⅡ·51引言185
52理想的终止185
例1：连续弦185
阻抗匹配186
分布负载186
例2：平行板传输线186
单位面积的电阻187
自由空间布188
长直且平行的波188
自由空间中平面波的终止189
理想终止的其他方法190
53反射和透射190
连续弦190
失配的负载阻抗怎样引起反射190
反射系数191
回复力和位移有符号相反的反射192
色散介质界面上的反射193
色散介质界面上的透射193
边界条件和连续性193
振幅透射系数193
情况1：理想阻抗匹配194
情况2：无限大的曳力194
情况3：零曳力194
正弦波的一般形式195
例3：声波的反射196
封闭端196
开放端196
开管的有效长度197
例4：传输线中的反射197
例5：短路端——零阻抗198
例6：开路端——无限大阻抗198
平行板传输线198
场的反射系数198
例7：在ε有间断的传输线中的
反射199
例8：可见光的反射199
54两个透明介质之间的阻抗
匹配199
不反射层200
小反射近似201
不反射层的解201
例9：光阻抗匹配202
渐变截面202
例10：指数喇叭203
例11：渐变折射率203
55在薄膜内的反射203
干涉条纹203
例12：为什么第一干涉条纹是白的
（课外实验）？204
最漂亮的干涉条纹204
干涉条纹强度的表达式204
一加一等于四?205
例13：  显微镜承物片中的法布里
珀罗干涉条纹205
习题与课外实验206
第6章调制、脉冲和波包220
61引言220
62群速度220
调制负载信号220
两个简谐振动叠加给出调幅的
振荡221
两个正弦行波叠加给出调幅的
行波222
调制速度222
群速度223
例1：调幅无线电波224
旁带225
带宽225
“音乐”以群速度行进226
例2：真空中的电磁辐射226
例3：其他非色散波226
例4：电离层中的电磁波227
例5：水上表面波227
表61深水波228
应用228
63脉冲229
转动矢量图229
构造一个脉冲230
脉冲期间231
带宽时间间隔乘积231
敲打钢琴232
有限期间内的简谐振动232
例6：电视带宽233
例7：可见光广播233
“方”形频谱所产生的脉冲ψ(t)
的精确解233
傅里叶积分237
·ⅩⅩⅢ·傅里叶频谱237
行进波包238
长度与波数带宽的乘积239
波包随时间的扩散239
水中的波包240
64脉冲的傅里叶分析240
有限期间的脉冲240
从傅里叶求和到傅里叶积分242
傅里叶积分243
应用：方形频谱244
应用：在时间上的方形脉冲245
用钢琴对拍手进行傅里叶分析245
时间的δ函数247
应用：阻尼谐振子——自然线宽247
自由衰变与受迫振荡的比较248
洛伦兹谱线形状——对共振曲线的
联系249
自然频率和频率宽度的测量249
65行进波包的傅里叶分析251
在均匀色散介质中的行波251
非色散波(特殊情况)251
非色散波和经典波动方程252
保持形状的波满足经典波动方程252
习题与课外实验253
第7章二维和三维的波271
71引言271
72简谐平面波和传播矢量271
传播矢量272
为什么没有波长矢量？272
等相面272
相速度273
三维色散关系273
情况1：真空中的电磁波273
情况2：色散介质中的电磁波273
情况3：电离层中的电磁波273
驻波273
行波和驻波的混合274
三维波动方程和经典波动方程274
情况1：真空中的电磁波274
情况2：均匀色散介质中的
电磁波275
情况3：电离层中的电磁波275
例1：矩形波导中的电磁波275
低频截止频率276
波导截止频率的物理来源276
交叉行波277
相速度、群速度和c277
例2：光从玻璃入射到空气的
反射和透射279
全内反射的临界角280
斯涅耳定律280
全内反射280
光的势垒穿透281
73水波282
直波282
理想水的性质283
水驻波284
容器壁上的边界条件285
水平运动和垂直运动之间的关系285
底部边界条件285
深水波285
浅水波286
重力水波的色散关系286
表面张力波288
行进水波288
74电磁波288
真空中的麦克斯韦方程288
真空中电磁波的经典波动方程288
真空中的电磁平面波289
电磁平面波是横波289
Ex和By的耦合290
线偏振和椭圆偏振290
简谐行波291
简谐驻波291
平面波中的能流通量292
坡印亭矢量293
行波中的能量密度和能流通量293
驻波中的能量密度和能流通量293
·ⅩⅩⅣ·平面行波中的线性动量流通量——
辐射压力294
平面行波中的角动量296
均匀介质中的电磁波297
75点电荷的辐射297
有源项的麦克斯韦方程297
高斯定理和E的通量守恒298
电荷运动298
辐射场301
推广到任意的（非相对论性）点
电荷301
避免“重叠”302
一旦E知道了，B也就知道了302
点电荷辐射的能量302
在所有方向发射的总瞬时功率303
辐射功率的著名公式304
辐射和“近区”场304
立体角的定义304
辐射到一个微分立体角dΩ中的
功率305
电偶极辐射305
原子发射光的自然线宽度305
为什么天空是蓝色的？307
蓝天定律308
散射积分截面308
经典汤姆孙散射截面309
习题与课外实验309
第8章偏振321
81引言321
82偏振态的描写322
横波的偏振322
有效点电荷323
线偏振323
线偏振驻波324
线偏振行波324
圆偏振324
圆偏振驻波325
圆偏振行波325
圆偏振行波手征的规定326
横偏振态的性质326
一般横偏振——椭圆偏振327
复数记法328
复数波函数和复数振幅328
正交归一波函数328
用复数表示的对时间求平均的能流
通量329
偏振光的其他完备表示329
圆偏振表示330
83偏振横波的产生331
通过选择发射产生偏振331
通过选择吸收产生偏振332
导线束332
偏振片333
理想偏振镜——马吕斯定律335
单一散射引起的偏振335
通过多次散射消除偏振性337
通过镜面反射引起的偏振——
布儒斯特角337
镜面反射光的相位关系338
镜面反射光的强度关系339
用于激光器的布儒斯特窗339
虹的偏振340
84双折射340
塞璐玢340
延迟板的慢轴和快轴341
相对相位延迟341
四分之一波片342
延迟板的性质342
表81某些单轴晶体及其
折射率344
旋光性344
巴斯德的第一个伟大发现345
金属反射345
85带宽度、相干时间及偏振346
发射偏振辐射的经典原子346
偏振态的持续时间347
相干时间348
非偏振辐射的定义348
偏振的测量348
测量时间349
四个常数的测量349
圆起偏振镜351
四分之一波片和半波片351
非偏振光352
·ⅩⅩⅤ·部分偏振353
习题与课外实验353
第9章干涉和衍射366
91引言366
92两个相干点源之间的干涉367
相干源367
相长和相消干涉367
干涉图样368
近场和远场368
近和远之间的“边界”369
用一个会聚透镜来得到远场干涉
图样369
远场干涉图样370
主极大370
由路程差产生的相对相位372
“平均”行波372
光子通量373
双缝干涉图样373
同相振动源373
异相振动源374
近θ=0°处的干涉图样374
能量守恒375
一加一等于四376
一加一等于零376
93两个独立源之间的干涉377
独立源和相干时间377
“不相干”和干涉377
布朗和特威斯实验378
94一个“点”光源能有多大?380
经典点源380
简单的扩展源380
相干条件381
95一个“束”行波的角宽度382
波束的角宽度是受衍射限制的382
一个波束是一干涉极大383
束的角宽度384
应用：激光束与手电筒光束的
对照385
96衍射和惠更斯原理385
干涉和衍射之间的区别385
一个不透明的屏是怎样工作的386
亮的和黑的不透明屏386
不透明屏上一个洞的影响387
惠更斯原理388
用惠更斯作图法对单缝衍射图样的
计算388
单缝衍射图样391
受衍射限制的束的角宽度392
人眼的角分辨393
瑞利判据394
术语：夫琅禾费衍射和菲涅耳
衍射394
相干源横向空间依赖关系的傅里叶
分析394
傅里叶分析的重要结果396
两个宽缝的衍射图样396
多个全同的平行宽缝的衍射图样397
多缝干涉图样397
主极大、中心极大、白光源398
主极大的角宽度398
透射型衍射光栅400
不透明障碍物所致的衍射400
阴影能扩展到下游多远？401
97几何光学402
镜式反射402
来自—规则线阵的非镜式反射403
点漂在一个镜子内的像——虚源和
实源403
折射—斯涅耳定律—费马原理403
椭球面镜405
凹抛物面镜406
凹球面镜406
球面像差406
近法线入射在薄玻璃棱镜上的光线
的偏转407
棱镜的色散407
用薄透镜使旁轴光线聚焦407
有一个焦点的必要条件408
·ⅩⅩⅥ·透镜制造者的公式408
焦平面408
点物的实点像408
薄透镜公式409
横向放大率409
会聚透镜410
虚像410
发散透镜410
以屈光度为单位的透镜曲率410
简易放大镜411
针孔放大镜412
你是否把物体看颠倒了？412
瞳孔练习412
望远镜412
显微镜413
厚的球面透镜或圆柱面透镜413
在单个球面上的偏转413
列文虎克显微镜414
苏格兰岩反向反射器415
习题与课外实验415
补充论题438
1弱耦合全同谐振子的“微观
例子438
氨分子438
中性K介子439
2德布罗意波的色散关系440
箱中的电子440
驻波的形状像小提琴弦的形状440
驻波频率不同于小提琴弦的频率441
不均匀介质441
3粒子穿透到空间上的一个
“经典禁戒”区域442
与耦合摆的类比443
4德布罗意波的相速度和群速度444
5德布罗意波的波动方程445
6一个一维“原子”的电磁辐射446
为什么辐射频率等于拍频446
7时间相干和光学拍446
8天空为什么是亮的?447
9物质介质中的电磁波450
麦克斯韦方程450
线性各向同性介质451
静场的χ、χm、ε和μ的定义452
与时间有关的场的电极化率和
磁化率452
线性各向同性介质的简单模型453
在麦克斯韦方程中使用复量454
复数的电极化率455
复数介电常数456
线性各向同性介质的简单模型的
复数介电常数456
线性各向同性介质的麦克斯韦
方程457
中性均匀线性各向同性介质的
麦克斯韦方程457
波动方程458
复折射率459
平面波解459
沿z方向传播的平面波459
平面波中E和B的关系459
复折射率的数值示例460
平面波的反射和透射460
z＝0处的边界条件461
例子：导体色散关系的简单模型462
“纯电阻”频率区域462
情况1：“疏电阻介质”463
情况2：“密电阻介质”464
纯弹性频率区域465
情况1：色散频率区域466
情况2：波抗性频率区域466
导体性质综述467
应用：固体银467
应用：石墨468
附录470
1泰勒级数470
2常用级数470
sinx和cosx470
指数eax470
sinhx和coshx470
含有指数的一些关系470
tanx471
二项式级数（1 x）n471
3简谐函数的叠加471
4矢量恒等式473
补充阅读475
重要常数478
常用恒等式480
SI词头481
电磁波谱482
索引483

再版前言“伯克利物理学教程”的中译本自20世纪70年代在我国印行以来已过去三十多年.在此期间，国内陆续出版了许多大学理工科基础物理教材，也翻译出版了多套国外基础物理教程.这在相当大的程度上对大学基础物理教学，特别是新世纪理工科基础物理教学的改革发挥了积极作用.然而，即便如此，时至今日，国内高校从事物理教学的教师和选修基础物理课程的学生乃至研究生仍然感觉，无论是对基础物理的教、学还是应用，以及对从事相关的研究工作而言，“伯克利物理学教程”依旧不失为一套极有阅读和参考价值的优秀教程.令人遗憾的是，由于诸多历史原因，曾经风靡一时的“伯克利物理学教程”如今在市面上已难觅其踪影，加之原版本以英制单位为主，使其进一步的普及受到一定制约.而近几年，国外陆续推出了该套教程的最新版本——SI版（国际单位制版）.在此背景下，机械工业出版社决定重新正式引进本套教程，并再次委托复旦大学、北京大学和南开大学的教授承担翻译修订工作.新版中译本“伯克利物理学教程”仍为一套5卷.《电磁学》卷因新版本内容更新较大，基本上是抛开原译文的重译；《量子物理学》卷和《统计物理学》卷也做了相当部分内容的重译；《力学》卷和《波动学》卷则修正了少量原译文欠妥之处，其余改动不多.除此之外，本套教程统一做的工作有：用SI单位全部替换原英制单位；按照《英汉物理学词汇》（赵凯华主编，北京大学出版社，2002年7月）更换、调整了部分物理学名词的汉译；增补了原译文未收入的部分物理学家的照片和传略；此外，增译全部各卷索引，以便给读者更为切实的帮助.

 复旦大学蒋平

序赵凯华陆果２０世纪是科学技术空前迅猛发展的世纪，人类社会在科技进步上经历了一个又一个划时代的变革.继１９世纪的物理学把人类社会带进“电气化时代” 以后，２０世纪４０年代物理学又使人类掌握了核能的奥秘，把人类社会带进“原子时代”.今天核技术的应用远不止于为社会提供长久可靠的能源，放射性与核磁共振在医学上的诊断和治疗作用，已几乎家喻户晓.２０世纪五六十年代物理学家又发明了激光，现在激光已广泛应用于尖端科学研究、工业、农业、医学、通信、计算、军事和家庭生活.２０世纪科学技术给人类社会所带来的最大冲击，莫过于以现代计算机为基础发展起来的电子信息技术，号称“信息时代” 的到来，被誉为“第三次产业革命”.的确，计算机给人类社会带来如此深刻的变化，是二三十年前任何有远见的科学家都不可能预见到的.现代计算机的硬件基础是半导体集成电路，ＰＮ结是核心.１９４７年晶体管的发明，标志着信息时代的发端.所有上述一切，无不建立在量子物理的基础上，或是在量子物理的概念中衍生出来的.此外，众多交叉学科的领域，像量子化学、量子生物学、量子宇宙学，也都立足于量子物理这块奠基石上.我们可以毫不夸大地说，没有量子物理，就没有我们今天的生活方式.普朗克量子论的诞生已经有１１４年了，从１９２５年或１９２６年算起量子力学的建立也已经将近９０年了.像量子物理这样重要的内容，在基础物理课程中理应占有重要的地位.然而时至今日，我们的基础物理课程中量子物理的内容在许多地方只是一带而过，人们所说的“近代物理”早已不“近代”了.美国的一些重点大学，为了解决基础物理教材内容与现代科学技术蓬勃发展的要求不相适应的矛盾，早在20世纪五六十年代起就开始对大学基础物理课程试行改革.20世纪60年代出版的“伯克利物理学教程”就是这种尝试之一，它一共包括5卷：《力学》《电磁学》《波动学》《量子物理学》《统计物理学》.该教程编写的意图，是尽可能地反映近百年来物理学的巨大进展，按照当前物理学工作者在各个前沿领域所使用的方式来介绍物理学.该教程引入狭义相对论、量子物理学和统计物理学的概念，从较新的统一的观点来阐明物理学的基本原理，以适应现代科学技术发展对物理教学提出的要求.当年“伯克利物理学教程”的作者们以巨大的勇气和扎实深厚的学识做出了杰出的工作，直到今天，回顾“伯克利物理学教程”，我们仍然可以从中得到许多非常有益的启示.首先，这5卷的安排就很好地体现了现代科学技术发展对物理教学提出的要求，其次各卷作者对具体内容也都做出了精心的选择和安排.特别是，第４卷《量子物理学》的作者威切曼（Ｅｙｖｉｎｄ ＨＷｉｃｈｍａｎｎ）早在半个世纪前就提出： “我不相信学习量子物理学比学习物理学其他分科在实质上会更困难.……当然，确曾有一个时期，所有量子现象被认为是非常神秘和错综复杂的.在最初探索这个领域的时期，物理学工作者确曾遇到一些非常实际的心理上的困难，这些困难一部分来自可以理解的偏爱对世界的经典观点的成见，另一部分则来自于实验图像的不连续性.但是，对于今天的初学者，没有理由一定要重新制造这些同样的困难.” 我们不能不为他的勇气和真知灼见所折服.第５卷《统计物理学》的作者瑞夫（ＦＲｅｉｆ） 提出： “我所遵循的方法，既不是按照这些学科进展的历史顺序，也不是沿袭传统的方式.我的目标是宁可采用现代的观点，用尽可能系统和简洁的方法阐明：原子论的基本概念如何导致明晰的理论框架，能够描述和预言宏观体系的性质.……我选择的叙述次序就是要对这样的读者有启发作用，他打算自己去发现如何获得宏观体系的知识.”的确，他的《统计物理学》以其深刻而清晰的物理分析，令人回味无穷.感谢机械工业出版社，正是由于他们的辛勤工作，才为广大教师和学生提供了这套优秀的教材和参考书.于北京大学“伯克利物理学教程”原序（一）“伯克利物理学教程”原序（一）本教程为一套两年期的初等大学物理教程，对象为主修科学和工程的学生.我们想尽可能以在领域前沿工作的物理学家所应用的方式介绍初等物理.我们旨在编写一套严格强调物理学基础的教材.我们更特别想将狭义相对论、量子物理和统计物理的思想有机地引入初等物理课程.选修本课程的学生都应在高中学过物理.而且，在修读本课程的同时还应修读包括微积分在内的数学课.现在美国另外有好几套大学物理的新教材在编写.由于受科技进步和中、小学日益强调科学这两方面需要的影响，不少物理学家都有编写新教材的想法.我们这套教材发端于１９６１年末康奈尔大学的Ｐｈｉｌｉｐ Ｍｏｒｒｉｓｏｎ和ＣＫｉｔｔｅｌ两人之间的一次交谈.我们还受到国家科学基金会的Ｊｏｈｎ Ｍａｙｓ和他的同事们的鼓励，也受到时任大学物理委员会主席的Ｗａｌｔｅｒ ＣＭｉｃｈｅｌｓ的支持.我们在开始阶段成立了一个非正式委员会来指导本教程.委员会一开始由Ｌｕｉｓ Ａｌｖａｒｅｚ、Ｗｉｌｌｉａｍ ＢＦｒｅｔｔｅｒ、Ｃｈａｒｌｅｓ Ｋｉｔｔｅｌ、Ｗａｌｔｅｒ ＤＫｎｉｇｈｔ、Ｐｈｉｌｉｐ Ｍｏｒｒｉｓｏｎ、Ｅｄｗａｒｄ ＭＰｕｒｃｅｌｌ、Ｍａｌｖｉｎ ＡＲｕｄｅｒｍａｎ和Ｊｅｒｒｏｌｄ ＲＺａｃｈａｒｉａｓ组成.１９６２年５月委员会第一次在伯克利开会，会上确定了一套全新的物理教程的临时大纲.因为有几位委员工作繁忙，１９６４年１月委员会调整了部分成员，而现在的成员就是在本序言末签名的各位.其他人的贡献则在各分卷的前言中致谢.临时大纲及其体现的精神对最终编成的教程内容有重大影响.大纲全面涵盖了我们认为既应该又可能教给刚进大学主修科学与工程的学生的具体内容以及应有的学习态度.我们从未设想编一套专门面向优等生、尖子生的教材.但我们着意以独具创新性的、统一的观点表达物理原理，因而教材的许多部分不仅对学生，恐怕对老师来说都一样是新的.根据计划，五卷教程包括：
    Ⅰ力学（Ｋｉｔｔｅｌ，Ｋｎｉｇｈｔ，Ｒｕｄｅｒｍａｎ）Ⅱ 电磁学（Ｐｕｒｃｅｌｌ）Ⅲ 波动学（Ｃｒａｗｆｏｒｄ）Ⅳ 量子物理学（Ｗｉｃｈｍａｎｎ）Ⅴ 统计物理学（Ｒｅｉｆ）每一卷都由作者自行选择以最适合其本人分支学科的风格和方法写作.因为教材本身强调物理原理，令有的老师觉得实验物理不足.使用教材初期的教学活动促使Ａｌａｎ ＭＰｏｒｔｉｓ提出组建基础物理实验室，这就是现在所熟知的伯克利物理实验室.这所实验室里重要的实验相当完善，而且设计得与教材很匹配，相辅相成.编写教材的财政资助来自国家科学基金会，加州大学也给予了巨大的间接支持.财务由教育服务公司（ＥＳＩ）管理，这是一家非营利性组织，专门管理各项课程改进项目.我们特别感谢Ｇｉｌｂｅｒｔ Ｏａｋｌｅｙ、Ｊａｍｅｓ Ａｌｄｒｉｃｈ和Ｗｉｌｌｉａｍ Ｊｏｎｅｓ积极而贴心的支持，他们全部来自ＥＳＩ.ＥＳＩ在伯克利设立了一个办公室以协助教材编写和实验室建设，办公室由Ｍａｒｙ ＲＭａｌｏｎｅｙ夫人负责，她极其称职.加州大学同我们的教材项目虽无正式的联系，但却在很多重要的方面帮助了我们.在这一方面我们特别感谢相继两任物理系主任Ａｕｇｕｓｔ ＣＨｅｌｍｈｏｌｚ和Ｂｕｌｔｏｎ ＪＭｏｙｅｒ、系里的全体教职员工、Ｄｏｎａｌｄ Ｃｏｎｅｙ以及大学里的许多其他人.在前期许多组织工作中Ａｂｒａｈａｍ Ｏｌｓｈｅｎ也给了我们许多帮助.Ｅｕｇｅｎｅ ＤＣｏｍｍｉｎｓＥｄｗａｒｄ ＭＰｕｒｃｅｌｌＦｒａｎｋ ＳＣｒａｗｆｏｒｄ，ＪｒＦｒｅｄｅｒｉｃｋ ＲｅｉｆＷａｌｔｅｒ ＤＫｎｉｇｈｔＭａｌｖｉｎ ＡＲｕｄｅｒｍａｎＰｈｉｌｉｐ ＭｏｒｒｉｓｏｎＥｙｖｉｎｄ ＨＷｉｃｈｍａｎｎＡｌａｎ ＭＰｏｒｔｉｓＣｈａｒｌｅｓ Ｋｉｔｔｅｌ，主席１９６５年１月附注第１卷、第２卷和第５卷于１９６５年１月至１９６７年６月之间出版.在第３卷和第４卷付诸出版之前有一些机构性变更.教育发展中心接替教育服务公司成为管理机构.委员会自身也有一些变化，调整了委员会成员的职责.委员会特别感谢所有在课堂上试用本教程以及根据各自的经验提出批评和改进建议的我们的同事.同此前出版的各卷教程一样，欢迎各位提出更正和建议.Ｆｒａｎｋ ＳＣｒａｗｆｏｒｄ，ＪｒＦｒｅｄｅｒｉｃｋ ＲｅｉｆＣｈａｒｌｅｓ ＫｉｔｔｅｌＭａｌｖｉｎ ＡＲｕｄｅｒｍａｎＷａｌｔｅｒ ＤＫｎｉｇｈｔＥｙｖｉｎｄ ＨＷｉｃｈｍａｎｎＡｌａｎ ＭＰｏｒｔｉｓＡＣａｒｌ ＨｅｌｍｈｏｌｚＥｄｗａｒｄ ＭＰｕｒｃｅｌｌ （主席）１９６8年6月伯克利，加利福尼亚“伯克利物理学教程”原序（二）“伯克利物理学教程”原序（二）本科生教学是综合性大学现在所面临的紧迫问题之一.随着研究工作对教师越来越具有吸引力，“教学过程的隐晦贬损”（摘引自哲学家悉尼·胡克Ｓｉｄｎｅｙ Hｏｏｋ） 已太过常见了.此外，在许多领域中，研究的进展所导致的知识内容和结构的日益变化使得课程修订的需求变得格外迫切.自然，这对物理科学尤为真实.因此，我很高兴为这套“伯克利物理学教程”作序，这是一项旨在反映过去百年来物理学巨大变革的本科阶段课程改革的大项目.这套教程得益于许多在前沿研究领域工作的物理学家的努力，也有幸得到了国家科学基金会（Ｎａｔｉｏｎａｌ Ｓｃｉｅｎｃｅ Ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ） 通过对教育服务公司（Ｅｄｕｃａｔｉｏｎａｌ Ｓｅｒｖｉｃｅｓ Ｉｎｃｏｒｐｏｒａｔｅｄ）拨款的形式给予的资助.这套教程已经在加州大学伯克利分校的低年级物理课上成功试用了好几个学期，它象征着教育方面的显著进展，我希望今后能被极广泛地采用.加州大学乐于成为负责编写这套新教程和建立实验室的校际合作组的东道主，也很高兴有许多伯克利分校的学生志愿协助试用这套教程.非常感谢国家科学基金会的资助以及教育服务公司的合作.但也许最让人满意的是大量参与课程改革项目的加州大学的教职员工所表现出来的对本科生教学的盎然的兴趣.学者型教师的传统是古老的，也是光荣的；而致力于这部新教程和实验室的工作也正展示了这一传统依旧在加州大学发扬光大.克拉克·克尔（Ｃｌａｒｋ Ｋｅｒｒ）注：Ｃｌａｒｋ Ｋｅｒｒ系加州大学伯克利分校前校长.出 版 说 明为何要采用ＳＩ（国际单位制）？在印度次大陆所有的使用者都认为ＳＩ（Ｓｙｓｔèｍｅ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌｅ） 单位更方便，也更受欢迎.因此，为使这套经典的伯克利教材对读者更适用，有必要将原著中的单位改用ＳＩ单位.致谢我们要对承担将伯克利教材单位制更改为ＳＩ单位这一工作的德里大学圣·斯蒂芬学院（新德里）的退休副教授ＤＬＫａｔｙａｌ表示诚挚的谢忱.同样必须提及的是巴罗达MS大学（古吉拉特邦瓦多达拉市） 物理系的副教授Surjit Mukherjee的精准校核.征求反馈和建议Ｔａｔａ ＭｃＧｒａｗＨｉｌｌ公司欢迎读者的评论、建议和反馈.请将邮件发送至ｔｍｈｓｃｉｅｎｃｅｍａｔｈｓｆｅｅｄｂａｃｋ＠ｇｍａｉｌｃｏｍ，并请举报和侵权、盗版相关的问题.前言前言这一卷专门研究波动学.这是一个广泛的课题.人人都知道许多涉及波动的自然现象，诸如水波、声波、光波、无线电波、地震波、德布罗意波以及其他各种波.而且仔细查阅一下任何物理学图书室的书架都会发现，对波动现象某一个方面的研究（譬如说水中的超声波） 就可以占用整本的书或期刊，甚至可能吸引某个科学家的全部注意力.令人惊异的是，在这些狭窄研究领域之一工作的“专家”，通常能够相当容易地同其他一些被认为在与此无关的也被认为是狭窄的领域内工作的专家进行交流，为此他首先只需要学会对方的行话，学会他们所使用的单位（譬如，秒差距是什么意思？）以及哪些物理量是重要的，等等.的确，一旦他发现自己的兴趣有了改变，他就可以迅速地改行而成为新领域里的“专家”.这种情况之所以可能，是由于有一个明显的事实，即许多完全不一样的和表面上互不相干的物理现象，都可以用一系列共同的概念来描述，因而科学家之间具有共同的语言.在这些共同使用的概念中，有许多就暗含在波动这个词内.本书的主要目的是阐述波动学的一些基本概念以及这些概念之间的相互联系.为了达到这个目的，本书是按照这些概念，而不是按照诸如声、光等可观察的自然现象来组织编写的.另一个目的是要使读者熟悉许多重要而有趣的波动例子，从而具体地认识这些基本概念的普遍性及其广泛应用.所以，每当引进一个新概念后，就把它立即应用到许多不同的物理体系上加以说明，例如弦线、玩具弹簧、传输线、硬纸板管、光束等.与之相并列的另一种方法，是先用一个简单例子（例如拉紧的弦） 引出这些有用的概念，然后再考虑其他有意义的物理体系.通过选择彼此之间具有相似几何“外貌” 的不同示例，我希望能鼓励学生去寻求不同的波动现象之间的相似性和类比性.我也希望能激发学生的勇气，当他们面对一些新现象时能够利用这些类比来“妄测”.类比法的利用常常会有众所周知的危险性，也可能隐藏着错误.但是，什么事情都会是这样.（把光猜测为可能“像是”类似果冻的“以太” 中的机械波，曾经是一种非常有效的类比.它曾经帮助麦克斯韦得出他的著名方程组，并导出了一些重要的预言.有一些实验——特别是迈克耳孙莫雷实验证明这种机械模型不可能完全正确，爱因斯坦于是指出了如何放弃这个模型而仍然保留下麦克斯韦方程组.爱因斯坦宁愿直接去推测这些方程组，这可以称为“纯粹的”导出法.现在大多数物理学家虽然仍然在利用类比法和模型来帮助导出一些新的方程，但他们在发表结果时通常只给出方程，而不给出利用类比和模型导出这些方程的过程.）课外实验是本卷的重要组成部分，它们能够给学生带来乐趣和培养他们的洞察力，而这是从普通课堂演示和实验室实验得不到的，尽管课堂演示和实验室实验也同等重要.这些课外实验全都是“家庭物理学”类型的实验，只需要很少的甚至不需要特殊的设备.（只需要有一个光学工具箱.虽然手头可能没有音叉、玩具弹簧和硬纸板管等，但它们十分便宜，并不“特殊”.）这些实验确实是让学生在家里做的，不是在实验室里做的.其中的许多实验，叫作演示可能比叫作实验更确切些.本书中讨论的每一个主要概念，都至少有一个课外实验加以演示.除了引用例子来说明概念外，课外实验还使学生有机会与一些物理现象直接“接触”.由于这些实验是在家里做的，这种接触是十分密切的，是从容不迫的.这一点很重要.在家里做实验没有伙伴帮忙，一切都必须自己动手；也没有指导教师向你解释演示的意义和结果，一切都要依靠自己.你可以按照自己的速度进行演示，想做多少次就可以做多少次.课外实验有一个很宝贵的特点，那就是，如果你在晚上才想起你上星期做过的一个实验有不清楚的地方，那么15min以后，你就能安排妥当重做一次实验.这一点很重要，因为在真正的实验工作中，从来没有一个人头一次就“把它搞对了”.事后的思考是成功的秘诀（还有一些别的因素）.对于学习来说，有害和有碍的事情，莫过于由于“实验设备已经拆掉了”或者由于“实验室已经关门”（或别的莫明其妙的理由）而不善于在实验以后继续进行思考.最后，我还希望通过课外实验去培养学生具有我称之为的“对现象的鉴赏力”.我希望学生用自己的双手去创造出一个场面，能使他的眼睛、耳朵和头脑既感到新鲜、惊奇，又感到十分愉快……致谢致谢第3卷的初始版本曾用于伯克利的几个班级中.对初稿有价值的批评和评论来自伯克利的学生；来自伯克利的教授——LAlvarez教授、SParker教授、APortis教授，特别是CKittel教授；来自得克萨斯大学的JCThompson和他的学生；来自加州大学圣塔芭芭拉分校的W.Walker和他的学生.极其有用的具体评价是S.Pasternack专心阅读初稿后告诉我的.W.Walker的详尽的意见是在阅读了接近完成的手稿后给出的，对我特别有帮助和影响.Luis Alvarez还提供了他发表的第一篇有关实验的论文《测定光的波长的简单方法》，《School Science and Mathematics》32, 89 (1932)，这是课外实验 910 的基础.我特别感谢Joseph Doyle，他阅读了全部最终的手稿.他深思熟虑的批评和建议促使我进行了许多重要的修改.他和另一个研究生Robert Fisher 还为课外实验给出了许多好的创意.我的女儿Sarah（4岁半）和儿子Matthew（2岁半）不但贡献了他们的玩具弹簧，而且向我显示了弹簧体系具有的别人想象不到的自由度.我的妻子 Bevalyn 在她的厨艺以及许多其他方面做了贡献.最初本书的出版工作是由Mary R.Maloney指导的，Lila Lowell则指导了最后阶段的出版工作，并录入了大部分最终手稿.插图的最终形式应归功于Felix Cooper.在此，也向其他人所做的许多贡献表示衷心感谢，但对稿件负最终责任的是我.欢迎对本书的修订提出任何进一步的更正、投诉、夸奖、建议和意见，欢迎对新的课外实验提出创意.我的通信地址是 the Physics Department, University of California, Berkeley, California, 94720.任何用于新版本的课外实验都将注明提供者的姓名，尽管它可能最早已经由瑞利勋爵（Lord Rayleigh）或某人做过了.F.S.Crawford, Jr.