本書是張三慧編著的《大學物理學》(第三版)的《力學、電磁學》分冊,講述物理學基礎理論的力學和電磁學部分。其中力學部分包括質(zhì)點力學、剛體的轉(zhuǎn)動、振動和波,以及狹義相對論;電磁學部分包括靜止和運動電荷的電場,運動電荷和電流的磁場,介質(zhì)中的電場和磁場,電磁感應,電磁波等。書中特別著重于守恒定律的講解,也特別注意從微觀上闡明物理現(xiàn)象及規(guī)律的本質(zhì)。內(nèi)容的選擇上除了包括經(jīng)典基本內(nèi)容外,還注意適時插入現(xiàn)代物理概念與物理思想。為了擴大學生的現(xiàn)代物理知識領域,本書還專辟了“今日物理趣聞”欄目以備選講或選讀,具體內(nèi)容有基本粒子,混沌--決定論的混亂,奇妙的對稱性,彎曲的時空,大爆炸和宇宙膨脹,大氣電學,超導,等離子體等。此外,安排了許多現(xiàn)代的聯(lián)系各方面的實際的例題和習題。
本書可作為高等院校的物理教材,也可以作為中學物理教師教學或其他讀者自學的參考書,與本書配套的《大學物理學輔導(第2版)》和《大學物理學(第三版)學習輔導與習題解答》可幫助讀者學習本書。
大學物理學(第三版)力學、電磁學以上力學、電磁學、熱學、光學各篇的內(nèi)容基本上都是經(jīng)典理論,但也在適當?shù)胤酱┎辶肆孔永碚摰母拍詈徒Y(jié)論以便相互比較。
量子物理篇是從波粒二象性出發(fā)以定態(tài)薛定諤方程為基礎講解的。介紹了原子、分子和固體中電子的運動規(guī)律以及核物理的知識。關(guān)于教學要求中的擴展內(nèi)容,如基本粒子和宇宙學的基本知識是在“今日物理趣聞A”和“今日物理趣聞C”欄目中作為現(xiàn)代物理學前沿知識介紹的。
本書除了5篇基本內(nèi)容外,還開辟了“今日物理趣聞”欄目,介紹物理學的近代應用與前沿發(fā)展,而“科學家介紹”欄目用以提高學生素養(yǎng),鼓勵成才。
本書各章均配有思考題和習題,以幫助學生理解和掌握已學的物理概念和定律或擴充一些新的知識。這些題目有易有難,絕大多數(shù)是實際現(xiàn)象的分析和計算。題目的數(shù)量適當,不以多取勝。也希望學生做題時不要貪多,而要求精,要真正把做過的每一道題從概念原理上搞清楚,并且用盡可能簡潔明確的語言、公式、圖像表示出來,需知,對一個科技工作者來說,正確地書面表達自己的思維過程與成果也是一項重要的基本功。
本書在保留經(jīng)典物理精髓的基礎上,特別注意加強了現(xiàn)代物理前沿知識和思想的介紹。本書內(nèi)容取材在注重科學性和系統(tǒng)性的同時,還注重密切聯(lián)系實際,選用了大量現(xiàn)代科技與我國古代文明的資料,力求達到經(jīng)典與現(xiàn)代,理論與實際的完美結(jié)合。
本書在量子物理篇中專門介紹了近代(主要是20世紀30年代)物理知識,并在其他各篇適當介紹了物理學的最新發(fā)展,同時為了在大學生中普及物理學前沿知識以擴大其物理學背景,在“今日物理趣聞”專欄中,分別介紹了“基本粒子”、“混沌--決定論的混亂”、“大爆炸和宇宙膨脹”、“能源與環(huán)境”、“等離子體”、“超導電性”、“激光應用二例”、“新奇的納米技術(shù)”等專題。這些都是現(xiàn)代物理學以及公眾非常關(guān)心的題目。本書所介紹的趣聞有的已伸展到最近幾年的發(fā)現(xiàn),這些“趣聞”很受學生的歡迎,他們拿到新書后往往先閱讀這些內(nèi)容。
物理學很多理論都直接聯(lián)系著當代科技乃至人們的日常生活。教材中列舉大量實例,既能提高學生的學習興趣,又有助于對物理概念和定律的深刻理解以及創(chuàng)造性思維的啟迪。本書在例題、思考題和習題部分引用了大量的實例,特別是反映現(xiàn)代物理研究成果和應用的實例,如全球定位系統(tǒng)、光盤、宇宙探測、天體運行、雷達測速、立體電影等。同時還大量引用了我國從古到今技術(shù)上以及生活上的有關(guān)資料,例如古籍《宋紀要》關(guān)于“客星”出沒的記載,北京天文臺天線陣,長征火箭,神舟飛船,天壇祁年殿,黃果樹瀑布,阿迪力走鋼絲,本人抖空竹,1976年唐山地震,1988年特大洪災,等。這些例子體現(xiàn)了民族文化,可以增強學生對物理的“親切感”,而且有助于學生的民族自豪感和責任心的提升。
物理教學除了“授業(yè)”外,還有“育人”的任務。為此本書介紹了十幾位科學大師的事跡,簡要說明了他們的思想境界、治學態(tài)度、開創(chuàng)精神和學術(shù)成就,以之作為學生為人處事的借鑒。在此我還要介紹一下我和帕塞爾教授的一段交往。帕塞爾教授是哈佛大學教授,1952年因?qū)舜殴舱裱芯康某晒麡s獲諾貝爾物理獎。我于1977年看到他編寫的《電磁學》,深深地為他的新講法所折服。用他的書講述兩遍后,于1987年貿(mào)然寫信向他請教,沒想到很快就收到他的回信(見附圖)和贈送給我的教材(第二版)及習題解答。他這種熱心幫助一個素不相識的外國教授的行為使我非常感動。
帕塞爾《電磁學》(第二版)封面
本書作者與帕塞爾教授合影(1993年)
帕塞爾回信復印件
他在信中寫道“本書170~171頁關(guān)于L. Page的注解改正了第一版的一個令人遺憾的疏忽。1963年我寫該書時不知道Page那篇出色的文章,我并不認為我的講法是原創(chuàng)的--遠不是這樣--但當時我沒有時間查找早先的作者追溯該講法的歷史,F(xiàn)在既然你也喜歡這種講法,我希望你和我一道在適當時機宣揚Page的1912年的文章。”一位物理學大師對自己的成就持如此虛心、謙遜、實事求是的態(tài)度使我震撼。另外他對自己書中的疏漏(實際上有些是印刷錯誤)認真修改,這種嚴肅認真的態(tài)度和科學精神也深深地教育了我。帕塞爾這封信所顯示的作為一個科學家的優(yōu)秀品德,對我以后的為人處事治學等方面都產(chǎn)生了很大影響,始終視之為楷模追隨仿效,而且對我教的每一屆學生都要展示帕塞爾的這一封信對他們進行教育,收到了很好的效果。
本書的撰寫和修訂得到了清華大學物理系老師的熱情幫助(包括經(jīng)驗與批評),也采納了其他兄弟院校的教師和同學的建議和意見。此外也從國內(nèi)外的著名物理教材中吸取了很多新的知識、好的講法和有價值的素材。這些教材主要有:新概念物理教程(趙凱華等), Feyman Lectures on Physics, Berkeley Physics Course (Purcell E M, Reif F, et al.) , The Manchester Physics Series (Mandl F, et al.) , Physics (Chanian H C.) , Fundamentals of Physics (Resnick R) , Physics (Alonso M et al.)等。
對于所有給予本書幫助的老師和學生以及上述著名教材的作者,本人在此謹致以誠摯的謝意。清華大學出版社諸位編輯對第三版雜亂的原稿進行了認真的審閱和編輯,特在此一并致謝。
張三慧2008年10月于清華園
今 日物理趣聞A 基本粒子1A.1 粒子的發(fā)現(xiàn)與特征1
A.2 粒子分類2
A.3 粒子的轉(zhuǎn)化與守恒定律4
A.4 夸克5
A.5 色6
A.6 粒子研究與技術(shù)8
第1篇 力 學第1章 質(zhì)點運動學13
1.1 參考系13
1.2 質(zhì)點的位矢、位移和速度17
1.3 加速度21
1.4 勻加速運動25
1.5 拋體運動27
1.6 圓周運動30
1.7 相對運動34
提要36
思考題37
習題38
科學家介紹 伽利略41
第2章 運動與力43
2.1 牛頓運動定律43
2.2 常見的幾種力47
*2.3 基本的自然力50
2.4 應用牛頓定律解題52
2.5 非慣性系與慣性力57
*2.6 科里奧利力60
*2.7 潮汐63
提要67
思考題68
習題70
科學家介紹 牛頓76
目錄大學物理學(第三版)力學、電磁學今 日物理趣聞B 混沌--決定論的混亂78B.1 決定論的可預測性78
B.2 決定論的不可預測性78
B.3 對初值的敏感性80
B.4 幾個混沌現(xiàn)象實例81
第3章 動量與角動量84
3.1 沖量與動量定理84
3.2 動量守恒定律87
3.3 火箭飛行原理90
3.4 質(zhì)心91
3.5 質(zhì)心運動定理93
3.6 質(zhì)點的角動量和角動量定理97
3.7 角動量守恒定律99
3.8 質(zhì)點系的角動量定理101
3.9 質(zhì)心參考系中的角動量103
提要104
思考題105
習題106
科學家介紹 開普勒109
第4章 功和能110
4.1 功110
4.2 動能定理113
4.3 勢能116
4.4 引力勢能118
4.5 由勢能求保守力120
4.6 機械能守恒定律121
4.7 守恒定律的意義127
4.8 碰撞128
*4.9 兩體問題133
4.10 流體的穩(wěn)定流動135
4.11 伯努利方程136
提要140
思考題141
習題143
目錄今 日物理趣聞C 奇妙的對稱性147C.1 對稱美147
C.2 對稱性種種149
C.3 物理定律的對稱性150
C.4 宇稱守恒與不守恒150
C.5 自然界的不對稱現(xiàn)象152
C.6 關(guān)于時間的對稱性153
第5章 剛體的轉(zhuǎn)動155
5.1 剛體轉(zhuǎn)動的描述155
5.2 轉(zhuǎn)動定律157
5.3 轉(zhuǎn)動慣量的計算159
5.4 轉(zhuǎn)動定律的應用162
5.5 角動量守恒165
5.6 轉(zhuǎn)動中的功和能168
*5.7 進動172
提要174
思考題175
習題177
第6章 狹義相對論基礎181
6.1 牛頓相對性原理和伽利略變換181
6.2 愛因斯坦相對性原理和光速不變184
6.3 同時性的相對性和時間延緩185
6.4 長度收縮189
6.5 洛倫茲坐標變換191
6.6 相對論速度變換195
6.7 相對論質(zhì)量197
*6.8 力和加速度的關(guān)系200
6.9 相對論動能201
6.10 相對論能量202
6.11 動量和能量的關(guān)系205
*6.12 相對論力的變換208
提要209
思考題210
習題211
科學家介紹 愛因斯坦214
今 日物理趣聞D 彎曲的時空--廣義相對論簡介216D.1 等效原理216
D.2 光線的偏折和空間彎曲218
D.3 廣義相對論219
D.4 引力時間延緩221
D.5 引力波222
D.6 黑洞224
今 日物理趣聞E 大爆炸和宇宙膨脹226E.1 現(xiàn)時的宇宙226
E.2 宇宙膨脹和大爆炸227
E.3 從大爆炸到今天229
E.4 宇宙的未來232
E.5 至大和至小的理論結(jié)合起來了235
第2篇 電 磁 學第7章 靜電場239
7.1 電荷239
7.2 庫侖定律與疊加原理242
7.3 電場和電場強度244
7.4 靜止的點電荷的電場及其疊加246
7.5 電場線和電通量251
7.6 高斯定律253
7.7 利用高斯定律求靜電場的分布254
提要258
思考題259
習題260
第8章 電勢264
8.1 靜電場的保守性264
8.2 電勢差和電勢266
8.3 電勢疊加原理268
8.4 電勢梯度271
8.5 電荷在外電場中的靜電勢能273
*8.6 電荷系的靜電能274
8.7 靜電場的能量276
提要278
思考題279
習題279
第9章 靜電場中的導體283
9.1 導體的靜電平衡條件283
9.2 靜電平衡的導體上的電荷分布284
9.3 有導體存在時靜電場的分析與計算285
9.4 靜電屏蔽287
*9.5 唯一性定理288
提要291
思考題291
習題292
今 日物理趣聞F 大氣電學294F.1 晴天大氣電場294
F.2 雷暴的電荷和電場296
F.3 閃電299
第10章 靜電場中的電介質(zhì)302
10.1 電介質(zhì)對電場的影響302
10.2 電介質(zhì)的極化303
10.3 D的高斯定律306
10.4 電容器和它的電容310
10.5 電容器的能量313
提要315
思考題316
習題316
第11章 恒定電流321
11.1 電流和電流密度321
11.2 恒定電流與恒定電場323
11.3 歐姆定律和電阻324
11.4 電動勢327
11.5 有電動勢的電路328
*11.6 電容器的充電與放電331
11.7 電流的一種經(jīng)典微觀圖像332
提要335
思考題336
習題336
第12章 磁場和它的源339
12.1 磁力與電荷的運動339
12.2 磁場與磁感應強度340
12.3 畢奧-薩伐爾定律343
*12.4 勻速運動點電荷的磁場348
12.5 安培環(huán)路定理349
12.6 利用安培環(huán)路定理求磁場的分布352
12.7 與變化電場相聯(lián)系的磁場354
*12.8 電場和磁場的相對性和統(tǒng)一性357
提要358
思考題359
習題360
科學家介紹 麥克斯韋363
第13章 磁力366
13.1 帶電粒子在磁場中的運動366
13.2 霍爾效應368
13.3 載流導線在磁場中受的磁力370
13.4 載流線圈在均勻磁場中受的磁力矩371
13.5 平行載流導線間的相互作用力374
提要376
思考題377
習題378
今 日物理趣聞G 等離子體383G.1 物質(zhì)的第四態(tài)383
G.2 等離子體內(nèi)的磁場385
G.3 磁場對等離子體的作用386
G.4 熱核反應387
G.5 等離子體的約束388
G.6 冷聚變391
第14章 磁場中的磁介質(zhì)392
14.1 磁介質(zhì)對磁場的影響392
14.2 原子的磁矩393
14.3 磁介質(zhì)的磁化396
14.4 H的環(huán)路定理398
14.5 鐵磁質(zhì)400
14.6 簡單磁路404
提要405
思考題406
習題407
第15章 電磁感應410
15.1 法拉第電磁感應定律410
15.2 動生電動勢412
15.3 感生電動勢和感生電場415
15.4 互感417
15.5 自感419
15.6 磁場的能量421
提要423
思考題424
習題425
科學家介紹 法拉第428
今 日物理趣聞H 超導電性431H.1 超導現(xiàn)象431
H.2 臨界磁場432
H.3 超導體中的電場和磁場433
H.4 第二類超導體434
H.5 BCS理論435
H.6 約瑟夫森效應436
H.7 超導在技術(shù)中的應用438
H.8 高溫超導439
第16章 麥克斯韋方程組和電磁輻射441
16.1 麥克斯韋方程組441
*16.2 加速電荷的電場444
*16.3 加速電荷的磁場446
*16.4 電磁波的能量448
*16.5 同步輻射451
*16.6 電磁波的動量453
*16.7 A-B效應454
提要456
思考題456
習題457
數(shù)值表460習題答案462索引476