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绪论1

一、科学技术——从学习物理开始1

二、学习物理学——从观察与实验开始2

三、学习物理学的研究方法——建模3

四、理解物理学的理论3

第一章 物体的运动与时空观5

1-1运动的参考系与运动物体的模型5

一、参考系和坐标系6

二、运动物体的模型6

1-2质点运动的描述7

一、位置矢量与运动学方程7

二、位移8

三、速度9

四、加速度10

1-3质点的圆周运动 切向加速度与法向加速度16

一、变速圆周运动16

二、圆周运动的角量描述18

1-4刚体运动的描述20

1-5相对运动 伽利略变换23

一、相对运动23

二、伽利略坐标变换式25

三、速度和加速度的变换26

四、伽利略相对性原理27

1-6洛伦兹变换及狭义相对论的时空观27

一、狭义相对论基本原理 洛伦兹坐标变换式27

二、狭义相对论的速度变换29

三、狭义相对论的时空观31

四、相对论效应对GPS的影响37

习题39

第二章 牛顿运动定律与刚体定轴转动定律43

2-1牛顿运动定律43

一、牛顿运动定律43

二、力学中的常见力45

三、牛顿运动定律应用举例47

四、刚体的平动51

2-2非惯性系与惯性力52

一、非惯性系52

二、惯性力53

2-3刚体的定轴转动 转动惯量55

一、力矩55

二、刚体定轴转动定律56

三、转动惯量的计算58

习题61

第三章 功与能66

3-1功 动能 功能原理66

一、功的概念66

二、质点的动能定理68

三、刚体定轴转动的功能关系70

3-2保守力 势能71

一、保守力与非保守力71

二、保守力做功与势能72

3-3机械能守恒定律76

习题79

第四章 动量与角动量83

4-1动量守恒定律83

一、动量定理83

二、动量守恒定律86

4-2火箭飞行原理88

4-3碰撞90

一、完全非弹性碰撞91

二、完全弹性碰撞91

4-4质点的角动量及其守恒定律93

一、质点的角动量93

二、质点的角动量守恒定律95

4-5刚体定轴转动的角动量及其守恒定律98

一、刚体定轴转动的角动量98

二、刚体的角动量守恒定律98

习题101

第五章 相对论动力学105

5-1相对论的动量和质量105

5-2相对论的动能 质能关系107

5-3相对论动量和能量的关系109

习题110

第六章 机械振动112

6-1谐振动112

一、谐振动的一般描述112

二、谐振动与圆周运动的关系114

6-2谐振动的运动方程及能量118

一、谐振动的运动方程118

二、谐振动的能量120

6-3阻尼振动 受迫振动 共振123

一、阻尼振动123

二、受迫振动125

三、共振125

习题127

第七章 机械波131

7-1平面简谐波的描述131

一、机械波的传播特征132

二、描述机械波的特征量133

三、平面简谐波的表达式135

四、波动方程137

7-2波的能量 波的强度138

一、波的能量138

二、波的强度139

7-3波的叠加141

一、波的干涉141

二、驻波144

三、拍146

7-4多普勒效应148

7-5其他振动与波动151

一、振动与波动的分解151

二、激波153

三、非线性振动与混沌154

习题155

第八章 气体动理论160

8-1热现象的研究160

一、研究热现象的方法160

二、状态参量与平衡态161

8-2麦克斯韦速率分布律162

一、麦克斯韦速率分布律162

二、三个统计速率164

8-3压强和温度的统计意义166

一、理想气体模型166

二、理想气体压强的统计意义166

三、温度的统计意义168

四、理想气体物态方程168

8-4能量均分定理 理想气体的内能170

一、能量按自由度均分定理170

二、理想气体的内能172

8-5分子碰撞频率和平均自由程173

8-6真实气体的范德瓦耳斯方程建模175

习题177

第九章 热力学基础180

9-1热力学第零定律和第一定律180

一、热力学第零定律180

二、准静态过程181

三、热力学第一定律182

四、功与热量182

9-2理想气体的摩尔热容185

一、理想气体的摩尔定容热容185

二、理想气体的摩尔定压热容186

9-3绝热过程188

9-4循环过程 热机和制冷机191

一、循环过程191

二、热机及其效率192

三、制冷机 热泵193

9-5可逆过程与不可逆过程 卡诺定理195

一、可逆过程与不可逆过程195

二、卡诺循环与卡诺定理196

9-6热力学第二定律198

9-7熵200

一、熵200

二、熵增加原理 热力学第二定律的统计意义202

三、进化论与热力学第二定律203

四、熵与信息204

习题205

第十章 静止电荷的电场209

10-1库仑定律209

一、电荷209

二、库仑定律210

10-2电场强度212

一、电场及电场强度212

二、电场强度的叠加原理213

三、电荷连续分布带电体的电场强度215

四、电场线218

10-3电场强度通量 静电场的高斯定理219

一、电场强度通量219

二、静电场的高斯定理220

三、应用高斯定理求解电场强度示例222

10-4电势 静电场的环路定理225

一、电势与电势差225

二、静电场的环路定理226

三、电势的叠加原理226

四、电荷连续分布带电体的电势227

五、电场强度与电势的微分关系228

六、等势面229

10-5静电场中的导体与电介质230

一、导体的静电平衡230

二、静电场中的电介质236

三、有电介质时的高斯定理239

10-6电容器的电容241

一、电容器的电容241

二、电容器电容的计算241

三、电容器的组合连接243

10-7静电场的能量245

习题247

第十一章 恒定电流的磁场251

11-1磁感应强度251

一、磁场 磁感应强度251

二、磁感应线和磁通量253

11-2毕奥-萨伐尔定律254

11-3磁场的高斯定理和安培环路定理258

一、磁场的高斯定理258

二、安培环路定理258

三、有磁介质时的安培环路定理260

四、应用安培环路定理求解磁感应强度示例260

11-4带电粒子在电场和磁场中的运动264

一、洛伦兹力264

二、带电粒子在磁场中的运动265

三、回旋加速器267

四、霍尔效应268

11-5磁场对载流导线和载流线圈的作用271

一、磁场对载流导线的作用271

二、磁场对载流线圈的作用275

11-6铁磁介质277

一、铁磁介质的性质277

二、铁磁质的分类及应用279

习题281

第十二章 电磁感应与电磁波286

12-1电磁感应定律286

一、电磁感应现象286

二、法拉第电磁感应定律288

三、楞次定律289

12-2动生电动势292

12-3感生电动势及感生电场295

一、感生电动势及感生电场295

二、涡电流298

12-4互感应和自感应300

一、互感应300

二、自感应302

12-5磁场的能量305

12-6位移电流 电磁场理论306

一、位移电流306

二、麦克斯韦方程组308

12-7电磁波309

一、赫兹实验 电磁波的产生309

二、平面电磁波的性质310

三、电磁波谱311

四、电磁波的能量312

习题315

第十三章 波动光学319

13-1相干光 双缝干涉319

一、相干光的获得319

二、分波阵面法——杨氏双缝实验320

三、劳埃德镜实验与半波损失322

13-2分振幅法——薄膜干涉325

一、光程与光程差325

二、平行平面膜干涉326

三、劈尖膜干涉328

四、迈克耳孙干涉仪331

13-3光的衍射332

一、惠更斯原理 光的衍射现象332

二、单缝的夫琅禾费衍射334

三、光学仪器的分辨率336

13-4光栅338

一、光栅方程与光栅光谱338

二、缺级340

13-5偏振光342

一、自然光与偏振光342

二、马吕斯定律344

三、反射和折射时光的偏振346

13-6光盘与液晶显示347

一、光盘中的光学347

二、液晶显示中的偏振光349

习题350

第十四章 量子力学基础354

14-1热辐射 普朗克的能量子假设354

一、热辐射 黑体辐射354

二、经典理论的困难357

三、普朗克的能量子假设358

14-2光子理论359

一、光电效应359

二、康普顿效应362

三、光的波粒二象性364

14-3微观粒子的波粒二象性 波函数及其统计诠释365

一、德布罗意波365

二、波函数及其统计诠释367

14-4不确定关系369

14-5薛定谔方程372

14-6一维定态薛定谔方程的应用373

一、粒子在无限深势阱中的运动373

二、一维势垒 隧道效应375

14-7氢原子理论378

一、氢原子光谱的实验公式378

二、玻尔的氢原子理论379

三、德布罗意波对原子的应用380

四、氢原子的量子力学描述381

14-8电子的自旋 原子的壳层结构383

一、电子的自旋383

二、四个量子数384

三、原子的壳层结构384

习题385

第十五章 量子力学应用388

15-1激光388

一、自发辐射与受激辐射389

二、产生激光的条件389

三、激光的特性及应用392

15-2半导体393

一、晶体的能带结构393

二、杂质半导体394

三、pn结及其应用395

15-3纳米材料398

一、纳米微粒的性质398

二、巴克球399

三、碳纳米管和石墨烯400

15-4量子态叠加原理 量子计算机402

一、量子态叠加原理402

二、量子计算机403

15-5量子生物学405

一、光合作用406

二、嗅觉作用407

三、大脑是量子机器？407

第十六章 粒子物理学与宇宙学简介409

16-1粒子物理学简介409

一、高能加速器409

二、基本粒子与相互作用力410

三、粒子的性质与分类412

四、夸克414

五、标准模型415

16-2宇宙学简介416

一、星球与星系416

二、宇宙的起源418

三、宇宙的未来421

附录：MATLAB程序423

部分习题参考答案427

参考书目439