物理學(xué)概論

前言

本教材是在作者編寫的校內(nèi)試用講義的基礎(chǔ)上，結(jié)合文科類物理教學(xué)的實(shí)踐編寫而成的。本書力圖用優(yōu)化的教學(xué)體系、精練的語言、較短的篇幅向?qū)W生展示物理學(xué)的精髓。本教材的概述篇為讀者展示物理學(xué)的全貌及物理學(xué)研究問題的共同思路，力圖激發(fā)學(xué)生的興趣，提高學(xué)生的視點(diǎn)，使其感覺到物理學(xué)的脈絡(luò)，縱覽物理學(xué)。力學(xué)篇以運(yùn)動(dòng)和時(shí)空關(guān)系為線索展開運(yùn)動(dòng)學(xué)；動(dòng)力學(xué)則以對稱性與守恒定律的關(guān)系展開。波動(dòng)篇以機(jī)械波為切入點(diǎn)闡明波的普遍性質(zhì)；以應(yīng)用說明光的波動(dòng)性。電磁篇以靜電場為例說明研究場的一般方法，通過相對論關(guān)系完整地展示電磁學(xué)的美。統(tǒng)計(jì)量子篇中以氣體分子動(dòng)理論為載體介紹統(tǒng)計(jì)物理的基本思想，從經(jīng)典物理學(xué)遇到的困難引入量子概念，以量子力學(xué)的幾個(gè)重要假設(shè)為基礎(chǔ)介紹量子力學(xué)的基本原理和處理問題的基本思路，并給出量子力學(xué)的重要結(jié)果。最后，我們首次嘗試在大學(xué)物理教程中探討實(shí)現(xiàn)自然科學(xué)和人文科學(xué)統(tǒng)一的途徑。本書加*部分為選講內(nèi)容。本教材具有以下特點(diǎn)：第一，結(jié)構(gòu)緊湊，用較少的篇幅展示了物理學(xué)的核心內(nèi)容。第二，針對文科類學(xué)生的基礎(chǔ)和專業(yè)需要，在習(xí)題的選取上以基本概念題目為主，輔以少許靈活應(yīng)用的題目；并推薦一些課外讀物，以擴(kuò)大學(xué)生的視野，同時(shí)也可檢驗(yàn)文科學(xué)生閱讀科技書籍的能力。第三，本教材在耗散結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，提出若以耗散結(jié)構(gòu)為基本物理模型，可以探討實(shí)現(xiàn)自然科學(xué)和人文科學(xué)統(tǒng)一的途徑。這一章是郭繼華教授近10年的研究結(jié)果，首次引入物理教材，以期逐漸發(fā)展和完善。第1～7章是在劉鳳英、陳惟蓉編寫的力學(xué)、波動(dòng)和電磁學(xué)講義的基礎(chǔ)上由劉鳳英執(zhí)筆修改，第8、9章由劉鳳英執(zhí)筆，第10章由郭繼華執(zhí)筆。清華大學(xué)物理系2006博士生潘江陵給出了部分習(xí)題解答。該教材2009年2-6月在清華大學(xué)經(jīng)管7、社科8、新聞8、法律8大班（134人）運(yùn)用，效果良好，并聽取他們的意見做了補(bǔ)充和修改。全書由劉鳳英統(tǒng)稿，由戴松濤進(jìn)行了總校對。由于編者學(xué)識(shí)有限，不當(dāng)之處和錯(cuò)誤懇請讀者指正。

內(nèi)容概要

　　作者在多年的教學(xué)試點(diǎn)和文科類教學(xué)的實(shí)踐基礎(chǔ)上編寫了本教材。作者認(rèn)為，不論授課對象是何專業(yè)的學(xué)生，教材都必須展示物理學(xué)的體系和內(nèi)容，即物理學(xué)揭示的物質(zhì)世界的基本規(guī)律、分析問題的基本思路、解決問題的基本方法，必須使學(xué)生體會(huì)物理學(xué)的全貌和體系。物理課必須詮釋物理，只不過授課對象不同，教學(xué)要求不同而已。《物理學(xué)概論》按運(yùn)動(dòng)形式分類安排內(nèi)容，包括概述篇、力學(xué)篇、波動(dòng)篇、電磁篇和統(tǒng)計(jì)量子篇5篇共10章?！　∮捎诒窘滩陌舜髮W(xué)物理中的基本內(nèi)容，故也可作為非物理類的其他學(xué)科的物理教材或參考書，也可供教師參考。

書籍目錄

概述篇第0章 概述物理學(xué)0.1 物理學(xué)和物質(zhì)世界0.1.1 物質(zhì)世界0.1.2 關(guān)于兩個(gè)前沿的基本理論0.1.3 物理學(xué)使人們深刻認(rèn)識(shí)物質(zhì)世界0.2 物理學(xué)與科學(xué)思維0.2.1 物理學(xué)的研究方法0.2.2 物理學(xué)家的科學(xué)態(tài)度0.3 物理學(xué)與其他的學(xué)科發(fā)展0.3.1 物理學(xué)為其他學(xué)科創(chuàng)立原理和技術(shù)0.3.2 物理學(xué)為一切學(xué)科提供了基本的實(shí)驗(yàn)手段和基本研究方法0.3.3 物理知識(shí)是促進(jìn)各學(xué)科發(fā)展的重要基礎(chǔ)知識(shí)0.4 物理學(xué)中的基本研究思路0.4.1 物理學(xué)的分支0.4.2 物理學(xué)研究問題的共同思路力學(xué)篇第1章 牛頓運(yùn)動(dòng)定律1.1 理想模型自由度1.1.1 質(zhì)點(diǎn)剛體1.1.2 機(jī)械運(yùn)動(dòng)的基本形式自由度1.2 質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)的描述1.2.1 描述質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)的物理量1.2.2 運(yùn)動(dòng)的坐標(biāo)表述1.3 質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)學(xué)問題舉例1.3.1 直線運(yùn)動(dòng)1.3.2 拋體運(yùn)動(dòng)1.3.3 圓周運(yùn)動(dòng)1.4 牛頓運(yùn)動(dòng)定律1.4.1 牛頓運(yùn)動(dòng)定律1.4.2 牛頓運(yùn)動(dòng)定律與慣性參考系1.5 牛頓運(yùn)動(dòng)定律的應(yīng)用舉例1.6 非慣性系中的慣性力1.6.1 加速平動(dòng)參考系中的慣性力1.6.2 均勻轉(zhuǎn)動(dòng)參考系中的慣性力——慣性離心力、科里奧利力1.6.3 地球因公轉(zhuǎn)、自轉(zhuǎn)引起的力學(xué)現(xiàn)象習(xí)題教學(xué)參考1-1矢量的基本運(yùn)算和單位矢量的變化率教學(xué)參考1-2常見力教學(xué)參考1-3科里奧利力第2章 運(yùn)動(dòng)與時(shí)空2.1 相對性原理和變換2.1.1 力學(xué)相對性原理和伽利略變換2.1.2 狹義相對論的基本原理2.1.3 愛因斯坦一洛倫茲變換2.2 狹義相對論的運(yùn)動(dòng)學(xué)效應(yīng)2.2.1 時(shí)間膨脹(運(yùn)動(dòng)時(shí)鐘變慢)2.2.2 長度縮短(運(yùn)動(dòng)尺度收縮)2.2.3 時(shí)空不變量2.3 相對論速度變換2.4 狹義相對論質(zhì)量和動(dòng)量2.4.1 相對論性質(zhì)量和動(dòng)量2.4.2 狹義相對論運(yùn)動(dòng)方程2.4.3 相對論性動(dòng)能和能量2.4.4 相對論動(dòng)量能量關(guān)系2.5 廣義相對論簡介2.5.1 等效原理2.5.2 廣義相對性原理2.5.3 史瓦西場中固有時(shí)與真實(shí)距離2.5.4 史瓦西半徑和黑洞2.5.5 廣義相對論的可觀測效應(yīng)習(xí)題教學(xué)參考2-1洛倫茲變換的導(dǎo)出第3章 對稱性與守恒定律3.1 動(dòng)量定理和動(dòng)量守恒定律3.1.1 質(zhì)點(diǎn)的動(dòng)量定理3.1.2 質(zhì)點(diǎn)系的動(dòng)量定理3.1.3 動(dòng)量守恒定律3.2 角動(dòng)量定理和角動(dòng)量守恒定律3.2.1 質(zhì)點(diǎn)對定點(diǎn)的角動(dòng)量3.2.2 質(zhì)點(diǎn)的角動(dòng)量定理和質(zhì)點(diǎn)的角動(dòng)量守恒3.2.3 質(zhì)點(diǎn)系的角動(dòng)量定理和角動(dòng)量守恒定律3.3 動(dòng)能定理和機(jī)械能守恒定律3.3.1 功和功率3.3.2 質(zhì)點(diǎn)的動(dòng)能定理3.3.3 質(zhì)點(diǎn)系的動(dòng)能定理3.3.4 一對內(nèi)力的功3.3.5 保守力3.3.6 勢能3.3.7 機(jī)械能守恒定律3.4 對稱性與守恒定律3.4.1 對稱性和對稱操作(變換)3.4.2 對稱性和因果律——對稱性原理3.4.3 對稱性與守恒定律3.5 質(zhì)心和質(zhì)心運(yùn)動(dòng)定理3.5.1 質(zhì)心3.5.2 質(zhì)心的速度3.5.3 質(zhì)心運(yùn)動(dòng)定理3.6 質(zhì)心參考系3.6.1 質(zhì)心參考系3.6.2 質(zhì)心系中的動(dòng)力學(xué)規(guī)律3.7 剛體的定軸轉(zhuǎn)動(dòng)3.7.1 剛體的定軸轉(zhuǎn)動(dòng)3.7.2 定軸轉(zhuǎn)動(dòng)的基本方程3.7.3 轉(zhuǎn)動(dòng)慣量及其計(jì)算3.7.4 轉(zhuǎn)動(dòng)動(dòng)能和力矩的功3.7.5 剛體定軸轉(zhuǎn)動(dòng)的角動(dòng)量守恒3.8 牛頓力學(xué)的內(nèi)在隨機(jī)性習(xí)題教學(xué)參考3-1定軸轉(zhuǎn)動(dòng)定律和力矩的功教學(xué)參考3-2旋進(jìn)波動(dòng)篇第4章 振動(dòng)4.1 簡諧振動(dòng)的描述4.1.1 簡諧振動(dòng)的特征4.1.2 諧振動(dòng)的旋轉(zhuǎn)矢量圖示4.1.3 諧振動(dòng)的運(yùn)動(dòng)微分方程4.1.4 諧振動(dòng)的能量4.2 同方向簡諧振動(dòng)的合成4.3 垂直方向諧振動(dòng)的合成習(xí)題教學(xué)參考4-1阻尼振動(dòng)教學(xué)參考4-2受迫振動(dòng)第5章 波動(dòng)5.1 F面簡諧波的描述5.1.1 波的產(chǎn)生5.1.2 平面簡諧波的傳播5.1.3 平面簡諧波的余弦表達(dá)式(波函數(shù))5.1.4 簡諧波的復(fù)數(shù)表示復(fù)振幅5.1.5 波的能量5.2 波的衍射5.2.1 惠更斯原理5.2.2 惠更斯原理給出所有波都具有衍射現(xiàn)象5.2.3 惠更斯作圖法的應(yīng)用舉例5.3 波的干涉5.3.1 波的疊加原理和線性方程5.3.2 波的干涉現(xiàn)象5.3.3 駐波5.4 多普勒效應(yīng)5.4.1 機(jī)械波的多普勒效應(yīng)5.4.2 光波的多普勒效應(yīng)5.5 光的橫波性與偏振現(xiàn)象5.5.1 平面電磁波的波動(dòng)方程和表達(dá)式5.5.2 基本偏振態(tài)5.5.3 光在各向同性介質(zhì)表面反射折射時(shí)的偏振現(xiàn)象5.5.4 散射光的偏振現(xiàn)象……電磁篇第6章 恒定電廠和恒定磁場第7章 電磁場的統(tǒng)一性和相對性統(tǒng)計(jì)量子篇第8章 熱學(xué)基礎(chǔ)概念第9章 量子物理基礎(chǔ)第10章 耗散結(jié)構(gòu)和社會(huì)科學(xué)附錄

章節(jié)摘錄

插圖：1．1．2機(jī)械運(yùn)動(dòng)的基本形式自由度機(jī)械運(yùn)動(dòng)有平動(dòng)、轉(zhuǎn)動(dòng)和振動(dòng)三種基本形式。在運(yùn)動(dòng)過程中，如果物體上任意直線的運(yùn)動(dòng)軌跡是一組平行線，則物體的運(yùn)動(dòng)叫做平動(dòng)。作平動(dòng)的物體上各點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)狀況完全相同，可以用一個(gè)點(diǎn)來代表，因而可以把物體簡化為質(zhì)點(diǎn)。如果物體繞一直線旋轉(zhuǎn)（該直線叫轉(zhuǎn)軸），則這樣的運(yùn)動(dòng)叫轉(zhuǎn)動(dòng)。在運(yùn)動(dòng)過程中，物體系的兩質(zhì)量元（質(zhì)點(diǎn)）之間距離變化的運(yùn)動(dòng)形式叫振動(dòng)。物體系的一般運(yùn)動(dòng)通?？梢钥醋魇侨N基本運(yùn)動(dòng)形式的疊加。確定物體位置的獨(dú)立坐標(biāo)數(shù)目稱為物體的自由度。如果對物體系的運(yùn)動(dòng)加以約束，則運(yùn)動(dòng)自由度就會(huì)減少，約束愈多，自由度愈少。例如，一個(gè)自由運(yùn)動(dòng)的質(zhì)點(diǎn)有三個(gè)自由度，如果限定質(zhì)點(diǎn)只能在某平面（或某曲面）上運(yùn)動(dòng)，則自由度減為2。對于一個(gè)自由運(yùn)動(dòng)的剛體，要確定它的位置，至少需要定出剛體上不在同一直線的三個(gè)點(diǎn)的位置。確定第一個(gè)點(diǎn)需要3個(gè)獨(dú)立坐標(biāo)，第二個(gè)點(diǎn)由于和第一個(gè)點(diǎn)的距離是一定的，確定其坐標(biāo)只需要兩個(gè)獨(dú)立坐標(biāo)，而第三個(gè)點(diǎn)因?yàn)榕c另外兩個(gè)點(diǎn)的距離都一定，確定其位置的獨(dú)立坐標(biāo)數(shù)減至1，因而一個(gè)自由運(yùn)動(dòng)剛體共有6個(gè)自由度。如果令剛體繞固定軸轉(zhuǎn)動(dòng)，剛體上各點(diǎn)都在垂直于轉(zhuǎn)軸的相互平行的平面（稱轉(zhuǎn)動(dòng)平面）上作圓周運(yùn)動(dòng)，圓心在轉(zhuǎn)軸上而圓半徑一定，因此只需要確定剛體上任一點(diǎn)與其圓心的連線的方位即可，因而繞固定軸轉(zhuǎn)動(dòng)的剛體只有1個(gè)自由度；由N個(gè)自由質(zhì)點(diǎn)組成的物體系中每個(gè)質(zhì)點(diǎn)的自由度是3，因此總共有3N個(gè)自由度。

編輯推薦

《物理學(xué)概論》：本教材具有以下特點(diǎn)：第一，結(jié)構(gòu)緊湊，用較少的篇幅展示了物理學(xué)的核心內(nèi)容。第二．針對文科類學(xué)生的基礎(chǔ)和專業(yè)需要，在習(xí)題的選取上以基本概念題目為主，輔以少許靈活應(yīng)用的題目；并推薦一些課外讀物，以擴(kuò)大學(xué)生的視野，同時(shí)也可檢驗(yàn)文科學(xué)生閱讀科技書籍的能力。第三，本教材在耗散結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，提出若以耗散結(jié)構(gòu)為基本物理模型，可以將西方文明和東方文化結(jié)合起來．這可能是實(shí)現(xiàn)自然科學(xué)和人文科學(xué)的統(tǒng)一的極好途徑。這一章是郭繼華教授近10年的研究結(jié)果，首次引入物理教材，以期逐漸發(fā)展和完善。

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