本书根据编者多年教学经验,结合物理学的最新发展编写而成,主要内容包括: 物体的运动与时空观、牛顿运动定律与刚体定轴转动定律、功与能、动量与角动量、狭义相对论动力学、机械振动、机械波、气体动理论、热力学基础、静止电荷的电场、恒定电流的磁场、电磁感应与电磁波、波动光学、量子力学基础、量子力学应用、粒子物理学及宇宙学简介,共16章。 本书的内容紧紧围绕大学物理课程的基本要求,难度适中,物理概念清晰,论述深入浅出,同时引入了大量生活及生产的应用实例。书中还加入了若干计算机程序解题的例子,方便读者学习。
当今世界,由于物理学及信息科学不断取得令人欣喜的突破,信息、能源、材料、医药、环保等领域突飞猛进,新一轮科技革命和产业变革浪潮席卷而来。为顺应这一潮流,需要千千万万基础扎实、视野开阔的高素质人才,特别是具有创新精神的理工科人才大军,才能把我们的社会带入智能生产、绿色生活的新时代,把我们的国家建设成为创新型国家。
面对时代的要求,作为理工科各专业重要基础课的大学物理,在人才培养方面必须有所作为。为此,我们在高等教育出版社物理分社的建议下,力图编写一本体系新颖、内容丰富、适应时代要求的新教材,供广大理工科学生选用,充分体现“努力实现学生知识、能力、素质的协调发展”[摘自《理工科类大学物理课程教学基本要求》(2010年版)]。
基于上述考虑,本教材着力精选和安排了适量的必修内容,使得学时数不很多的学校能够在有限的时间内完成那些最基本、最精彩的物理内容和物理思想的教学。同时,我们努力做到理论联系实际,引入大量生活及生产的应用实例,将近代物理和科学技术发展的最新成就极大限度地引入传统的教学内容中,拓展学生的思路,极大地激发学生学习物理学的兴趣。概括地说,本教材在如下方面作了新的尝试。
(1)每章开头插入1~2幅图片和简略的导入语,有历史的回顾、当今的成就、未来的展望等,简明扼要地体现物理学对人类文明发展的卓越贡献,以此引导学生关注重点内容,有利于引起学生对这一章的学习兴趣。
(2)在内容的安排上作了精心地设计,努力探索与实践长期以来提倡“保证经典,加强现代”的教学理念。例如,力学部分在体系上作了较大的变动,将质点与刚体交织处理,将相对论力学与经典力学结合讲解,这就加强了学生对力学模型的认识,及早地引导学生进入近代物理领域,树立起相对论时空观,消除他们对大学物理与中学物理的重复感。又如在热力学一章加强了热力学第二定律的论述,特别是从微观的角度着力介绍了玻耳兹曼熵的定义,有利于学生在更广泛的基础上理解热力学第二定律和熵的意义。在量子理论的应用方面也加入了许多新内容,具有前瞻性的引导意义。
(3)在所引入的大量与生活密切相关的应用实例中,有相当一部分是过去国内传统教材中没有涉及的。例如在力学和光学中以不同角度介绍了目前大量使用的光盘及液晶显示的工作原理;讲绝热过程时,提到绝热膨胀解释雾霾天形成的机理;在电磁学中以一简单的电磁力例子验证了相对论的有关结论;在讲热辐射时以人体皮肤表面热辐射为例,计算辐射波长和净辐射功率,并把它与食入能量作了比较,使原本比较抽象的内容更贴近生活实际……这样的例子分布在教材正文、例题和习题中,多达近百个,在理论联系实际上有所前进,大大提升了本教材的可读性。
(4)引入了大量近年来物理学新成就,如2013年诺贝尔物理学奖的“上帝粒子”,2014年诺贝尔物理学奖的蓝光LED,相对论在GPS上的应用,量子计算机,量子生物学等。另外,在本教材的最后一章还简要介绍了粒子物理学和天体物理学。这些内容不仅拉近了基础物理与前沿的距离,而且有助于开阔学生的视野,是增强学生学习物理学兴趣的又一举措。
(5)虽然本教材并没有在数学计算上下太多的工夫,但为了帮助那些对计算机应用有兴趣的学生,本教材列举了若干利用计算机程序解题的例子,并在书后附录中给出了相应的MATLAB程序;在每章的习题中也增加了少量计算机程序解题的题目,学生可以通过网络查看它们的参考程序。将计算机数值计算方法引入课程教学有助于学生学习兴趣和综合素质的培养,但作为基础性课程,教学中完全可以根据实际情况加以舍取,不作要求。
纵观本教材,我们在力求做到表述简洁的同时,涵盖了大学物理基本要求95010的A类内容,并涉及了14个B类内容,在体系上有较大的变动,遴选了一批颇有新意的例题,列举了大量应用实例和前沿成就。这是一项探索性的工作,是否成功敬请读者评述,不当之处也敬请批评指正。
在本书的编写过程中,我们参阅了大量国内外教材及相关文献资料,借鉴了一些插图、例题和习题,在此谨向相关作者表示由衷的感谢。同时,我们还要感谢高等教育出版社物理分社高建分社长和程福平编辑对本书的出版给予的大力支持和帮助。
绪论
一、科学技术——从学习物理开始
二、学习物理学——从观察与实验开始
三、学习物理学的研究方法——建模
四、理解物理学的理论
第一章 物体的运动与时空观
1-1 运动的参考系与运动物体的模型
一、参考系和坐标系
二、运动物体的模型
1-2 质点运动的描述
一、位置矢量与运动学方程
二、位移
三、速度
四、加速度
1-3 质点的圆周运动切向加速度与法向加速度
一、变速圆周运动
二、圆周运动的角量描述
1-4 刚体运动的描述
1-5 相对运动 伽利略变换
一、相对运动
二、伽利略坐标变换式
三、速度和加速度的变换
四、伽利略相对性原理
1-6 洛伦兹变换及狭义相对论的时空观
一、狭义相对论基本原理 洛伦兹坐标变换式
二、狭义相对论的速度变换
三、狭义相对论的时空观
四、相对论效应对GPS的影响
习题
第二章 牛顿运动定律与刚体定轴转动定律
2-1 牛顿运动定律
一、牛顿运动定律
二、力学中的常见力
三、牛顿运动定律应用举例
四、刚体的平动
2-2 非惯性系与惯性力
一、非惯性系
二、惯性力
2-3 刚体的定轴转动 转动惯量
一、力矩
二、刚体定轴转动定律
三、转动惯量的计算
习题
第三章 功与能
3-1 功 动能 功能原理
一、功的概念
二、质点的动能定理
三、刚体定轴转动的功能关系
3-2 保守力 势能
一、保守力与非保守力
二、保守力做功与势能
3-3 机械能守恒定律
习题
第四章 动量与角动量
4-1 动量守恒定律
一、动量定理
二、动量守恒定律
4-2 火箭飞行原理
4-3 碰撞
……
第五章 相对论动力学
第六章 机械振动
第七章 机械波
第八章 气体动理论
第九章 热力学基础
第十章 静止电荷的电场
第十一章 恒定电流的磁场
第十二章 电磁感应与电磁波
第十三章 波动光学
第十四章 量子力学基础
第十五章 量子力学应用
第十六章 粒子物理学与宇宙学简介
附录:MATLAB程序
部分习题参考答案
参考书目