全书分为6章,简明而系统地介绍了经典力学、狭义相对论、热力学、电磁学、波动学、量子物理基础中的基本概念、规律以及基本理论的历史发展进程,其内容涵盖了大学物理课程教学的最基本要求。
前言
在科学与技术迅速结合和发展的今天,新兴学科不断地涌现,物理学的概念、研究方法,以及严谨而富有创新性的逻辑思维方式和实验技术在其他学科得到了广泛的应用和认同,这显示了物理学在自然科学和社会科学中重要的基础性作用。为了适应当今科技、经济、社会发展对人才的需求,近年来不少高等院校开设了学时不等的物理学课程以满足各种学科专业的需求。
大学物理是高等院校的基础课程,其重要性一方面在于它所提供的一定范围的、系统的物理知识是科学素质的基础;另一方面在于它蕴含着思考和解决问题的科学思想、方法和态度,以及激发学习者创新意识的能力。笔者认为,不管物理学时的多少,不管是工科还是经管或文科类学习者,课程内容安排可以有所侧重,但不应偏离物理本身,应该给出基本上较完整、系统的物理学框架。这不是简单的内容压缩,而是要求内容更加有机地结合,逻辑联系更加缜密,物理图像更加清晰,要求教学方式和方法创新。这是在不多学时之内既能使初学者理解物理学基本定律和物理方法,又能使其在理性逻辑思维和图像思维能力上得到提高的一种教学追求。为此,本书基本上在每章开始均向读者指出本章的理论基础,随后是为阐明理论基础和基本概念而安排的教学内容。这样使教学线索比较明确,也起到对初学者学习的引导作用。
正是在这样的指导思想下,我们编写了本教材,第2版是对第1版教材的修订,此次再版(第3版)是对原教材的重新审视。其框架没有变化,个别地方有稍许调整,它包括了我们多年面对不同学时(112学时,80学时,64学时,48学时)的工科、少学时的经管或文科初学者教学实践的体会,也包括了不少使用过此教材同行们的建议。本书共分6章。第1章为牛顿力学基础,简单介绍了牛顿力学的发展过程、经典力学的基础知识,以及牛顿运动定律在刚体和流体中的简单应用。第2章为狭义相对论基础,简单介绍了狭义相对论的创立过程,以及它的基本原理、时空观和动力学的基本概念。第3章为热力学物理基础,简单介绍了热学发展史,在介绍分子动理论统计概念和规律的基础上着重介绍了热力学第一、第二定律。第4章为电磁学基础,简单介绍了经典电磁理论的发展史,介绍了电磁场、电磁感应及电磁波的基本概念和规律。第5章为波动学基础,概述了波动现象的历史研究,介绍了振动和波动的基本特征,以及光的干涉、衍射、偏振的基本现象和规律。第6章为量子物理基础,包括量子概念的提出、波动量子理论的建立、原子的壳层结构模型、激光和能带等基本概念与知识。
本书由吕金钟、邱红梅(北京科技大学)、赵长春(中国地质大学(北京))协力完成,吕金钟完成了全书的统稿工作。最后要特别说明,本书再编过程中参考了若干现有的教材,在许多方面得到了启发和教益,因难以一一指明,在此一并表示感谢!感谢同行们对本书再编过程给予的帮助和建议,感谢北京科技大学教务处、工科物理教学基地给予的支持,特别感谢本书第1版编写过程中曾付出过辛勤劳动与智慧的老师们!感谢清华大学出版社朱红莲老师对本书提出的很多改进意见!
由于编者水平有限,书中难免存在错误和不足之处,敬请广大读者批评指正,谢谢!
编者
2025年5月
吕金钟,北京科技大学物理系教授,原《大学物理简明教程》第1版和第2版的作者。多年从事大学物理教学工作,编写多本大学物理教材和辅导书。
目录
第1章牛顿力学基础1
1.1牛顿力学的建立与发展1
1.1.1牛顿力学的建立与发展概述1
1.1.2牛顿三定律的表述3
1.2加速度矢量的表示6
1.2.1直角坐标系中加速度的表示6
1.2.2圆周运动中的切向加速度和法向加速度10
1.3牛顿力学中的几种常见力12
1.3.1万有引力12
1.3.2弹性力14
1.3.3摩擦力16
1.4不同参考系中力学量之间的关系17
1.4.1惯性系之间力学量的关系18
1.4.2惯性系和加速平动参考系之间力学量的关系21
1.5力的时间和空间积累效应23
1.5.1动量守恒定律23
1.5.2机械能守恒定律27
1.5.3角动量守恒定律36
1.5.4对称与守恒40
1.6刚体定轴转动中的牛顿力学41
1.6.1刚体定轴转动的转动定律41
1.6.2刚体定轴转动的动能定理46
1.6.3进动现象49
1.7连续流体中的牛顿力学50
1.7.1流体静力学50
1.7.2流体动力学56
1.7.3黏性流体的流动61
思考题64
习题68
第2章狭义相对论基础73
2.1狭义相对论的基本原理和洛伦兹变换式74
2.1.1狭义相对论的基本原理74
2.1.2洛伦兹变换和洛伦兹速度变换76
2.2狭义相对论的时空观79
2.2.1同时的相对性79
2.2.2长度收缩80
2.2.3时间延缓81
2.3狭义相对论质点动力学的基础概念82
2.3.1相对论动量质量与速度关系动力学基本方程82
2.3.2质能关系E=mc283
2.4广义相对论简介85
2.4.1广义相对论的两条基本原理85
2.4.2广义相对论预言的几个可观测效应86
思考题86
习题87
第3章热力学物理基础89
3.1热力学第零定律与温度89
3.2气体动理论90
3.2.1分子运动论发展概述90
3.2.2气体分子的热运动91
3.2.3理想气体的压强与温度94
3.2.4能量均分定理97
3.2.5麦克斯韦速率分布率99
3.3热力学第一定律102
3.3.1热力学第一定律的建立102
3.3.2热力学第一定律的数学表示103
3.3.3在典型准静态过程中的热力学第一定律105
3.4热力学第二定律与熵114
3.4.1热力学第二定律的建立114
3.4.2热力学第二定律的宏观表述115
3.4.3热力学第二定律的数学表示熵增原理117
3.4.4热力学第二定律的统计意义120
3.5热力学第三定律124
思考题124
习题128
第4章电磁学基础132
4.1麦克斯韦电磁理论的建立132
4.1.1静电和静磁现象的认识和研究132
4.1.2电与磁的相互作用研究136
4.1.3麦克斯韦电磁理论138
4.2静电场的基础知识140
4.2.1真空中的静电场140
4.2.2有导体存在时的静电场157
4.2.3有电介质存在时的静电场165
4.3静磁场的基础知识172
4.3.1真空中的静磁场172
4.3.2有磁介质存在时的静磁场183
4.4电磁感应与电磁波186
4.4.1变化的磁场186
4.4.2变化的电场位移电流195
4.4.3麦克斯韦方程组和电磁波197
思考题200
习题204
第5章波动学基础211
5.1经典波动理论发展概述211
5.2机械振动215
5.2.1简谐振动215
5.2.2简谐振动的合成224
5.3机械波231
5.3.1机械波动的基本概念231
5.3.2波传播过程中的基本规律239
5.3.3波传播过程中的多普勒效应247
5.4光的波动250
5.4.1光的干涉250
5.4.2光的衍射261
5.4.3光的偏振272
思考题282
习题285
第6章量子物理基础291
6.1量子概念的提出291
6.1.1能量子概念的提出292
6.1.2光量子概念的提出295
6.1.3量子化概念在氢原子结构中的应用300
6.2波动量子理论的建立302
6.2.1德布罗意波302
6.2.2不确定关系306
6.2.3波动量子力学的建立307
6.2.4氢原子的量子理论简介314
6.3原子中电子排布的壳层模型318
6.4激光319
6.5固体的能带简介322
思考题327
习题329
习题答案332
附录A国际单位制(SI)344
附录B常用物理常量345
附录C矢量346
附录D数学公式348
附录E希腊字母350
主要参考文献351