大學物理學

本書參照了教育部物理基礎課程教學指導分委員會制訂的《理工科非物理類專業大學物理課程教學基本要求》，涵蓋了基本要求中的核心內容。在內容選取上採用壓縮經典，簡化近代；削枝強幹，突出重點；簡約理論論證，適度增加應用等方法，以適應不同院校和專業對大學物理的要求。同時考慮到技術應用型院校的特點和實際情況，在保證必要的基本訓練的基礎上，適度降低了例題和習題的難度。

全書分上、下兩冊。上冊內容包括力學、機械振動、機械波和熱學。下冊包括電磁學、光學、狹義相對論和量子物理。

本書可作為技術應用型高等院校工科類各專業大學物理課程的教材，可作為非物理專業大學物理課程的教材或參考書，也可供文理科相關專業選用和社會讀者閱讀。

物理學是研究物質的基本結構、基本運動形式以及相互作用規律的科學，是人類探索自然奧秘的過程中形成的學科。物理學最初是從對力學運動規律的研究發展起來的，後來又研究熱現象、電磁現象、光現象以及輻射的規律。到19世紀末，物理學已經形成了一個完整的體系，被稱為經典物理學。在20世紀初的30年裡，物理學經歷了一場偉大的革命——相對論和量子力學誕生了，從此產生了近代物理學。相對論和量子力學是現代物理學的兩大理論支柱，直接促進了現代科學技術的發展。超大規模的集成電路、人工設計的新型材料、激光技術的應用和發展、低溫與超導、新能源的開發和應用等，究其根源，無不以現代物理學基本原理為基礎。

以經典物理學、近代和現代物理學基礎為主要內容的大學物理課程，是高等院校非物理專業學生的一門重要的學習課程。該課程在學生科學素質的培養、科學技術的學習中起著重要的作用。

隨著時代的發展，年輕人的興趣和志向更加多元化，我國高等教育的大眾化的步伐，使得人才培養模式發生了重大變化。因此作者和教師的任務就是探索如何在新形勢下，教好大學物理這門課，以適應21世紀對高素質人才的科學素質的需要。本書就是為了滿足培養技術應用型人才的高等學校對大學物理課程改革發展和實際教學的要求而編寫的。以下幾點是本書編寫的主要思路與特點。

（1）提高全民族科學文化素質，培養具有一定理論知識和較強實踐能力的技術應用型人才，是技術應用型人才教育的價值取向。在這樣的教育思想指導下，以“基本要求”中的核心內容構成本書的基本框架，同時選取少量的拓展內容作為知識的擴展和延伸，所有拓展內容

均冠以“*”號，刪去它們並不影響全書的系統性和連貫性。並且選取了一定數量的與教材內容相配合的原理應用的內容和閱讀材料

，以便使學生了解物理學的基礎性、前瞻性，以及物理學與人們生活的密切相關性，增加學生學習的趣味性，拓寬視野和創新意識。

(2) 在內容選取上，一方面，儘可能地從現代物理學的認識高度，自上而下審視經典物理學內容；另一方面，現代物理學內容較抽象，涉及的數學深奧、複雜，對於低年級非物理專業學生實施教學有一定的難度，因此在處理這部分內容時，可採用普通物理學的教學方法。本書在注重物理概念準確性的基礎上，儘可能避免複雜的數學推證，採用圖形圖像，在物理概念、物理規律的闡述上力求運用辯證唯物主義觀點，做到由淺入深、由易到難、由具體到抽象、由特殊到一般。文字流暢、通俗易懂、便於自學。

（3）本書在內容銜接上，避免了與中學物理內容的簡單重複，而是在中學物理的基礎上深入提高，並增加了許多高等工科大學應有的物理內容。考慮到不同地區、不同專業大學物理教學的情況，並且考慮了中學物理課程改革對大學物理課程教學可能帶來的影響，適度地降低了部分內容的起點，希望能較好地與中學物理基礎相銜接。

（4）本書的一個特點是加強例題和習題的基礎性、應用性和典型性。有些題目與實踐的聯繫較密切，且物理原理清楚，有較強的實際應用意義和一定的趣味性。並且習題內容和數量選擇與教材內容相配合，類型有填空題、選擇題和計算題，難度由淺到深，有較好的適用性。 （5）本書還注意了以現代觀點審視傳統物理教學內容，根據現代教育思想理念，充分利用各種現代教育技術手段，全面整合文字和數字等資源，構成較為完整的教學資源體系。由紙質教材、紙質輔助教材、電子教案和網路課程等組成立體化系列教材。

全書採用國際（SI）單位制，書後有矢量運算、物理量的名稱、符號及單位、常用物理常量表、習題參考答案及參考文獻。

本書分為上、下兩冊。由袁艷紅教授主編，陳銳老師統稿。

袁艷紅老師編寫了正文；陳銳老師編寫了第5、6、7、8、13、14、15章的習題，並畫了相應章節的圖；趙華老師編寫了第1、2、3、4章的習題，並畫了第11、12章的圖；金華老師編寫了第9、10、11、12章的習題，並畫了第9、10章的圖；柯磊老師編寫了英語的物理名詞和部分原理的應用；林星星老師畫了第1、2、3、4、7、8章的圖。陳銳、趙華、林璠老師對本書進行了校對。

本書由陝西師範大學的苗潤才教授和上海電機學院的楊若凡教授擔任主審工作，他們在評審時對原稿提出了十分詳盡和具體的修改意見。在本書的編寫和修改過程中，得到了上海電機學院的孫振武教授和朱泰英教授的幫助和關心。在此謹向他們表示誠摯的感謝。

由於編者學識和教學經驗所限，可能對基本要求理解不深，處理不當，書中缺點和錯誤在所難免，真誠企盼使用本書的讀者批評指正。

編者

2010年8月

第9章靜電場

9.1電荷和庫侖定律

9.1.1電荷的量子化

9.1.2電荷守恆定律

9.1.3庫侖定律

9.1.4靜電力疊加原理

9.2電場和電場強度

9.2.1電場

9.2.2電場強度

9.2.3點電荷的電場強度

9.2.4電場強度疊加原理

9.2.5任意帶電體（連續帶電體）的電場強度

原理應用噴墨印表機

9.3電場強度通量高斯定理

9.3.1電場線

9.3.2電場強度通量

9.3.3高斯定理

9.3.4高斯定理的應用

9.4靜電場的環路定理電勢

9.4.1靜電場力是保守力

9.4.2靜電場的環路定理

9.4.3電勢能電勢和電勢差

9.4.4電勢的計算

9.5電勢與電場強度的關係

9.5.1等勢面

9.5.2電勢與電場強度的關係

原理應用離子推進器

內容提要

習題

第10章靜電場中的導體和電介質

10.1靜電場中的導體

10.1.1導體的靜電平衡條件

10.1.2靜電平衡時導體上電荷的分佈

10.1.3靜電屏蔽

原理應用靜電除塵器

10.2靜電場中的電介質

10.2.1電介質對電場的影響相對電容率

10.2.2電介質的極化

10.2.3電極化強度矢量

10.3電位移有電介質時的高斯定理

10.3.1有電介質時的高斯定理

10.3.2電場強度、電極化強度和電位移之間的關係

10.4電容電容器

10.4.1孤立導體的電容

10.4.2電容器的電容

10.4.3電容器的並聯和串聯

10.5靜電場的能量

原理應用心臟除顫器

內容提要

習題

第11章穩恆磁場

11.1恆定電流

11.1.1電流電流密度

11.1.2恆定電流

11.1.3電動勢

11.2磁場磁感應強度

11.2.1磁的基本現象

11.2.2磁感應強度

11.3畢奧薩伐爾定律

11.3.1磁場疊加原理

11.3.2畢奧薩伐爾定律

11.3.3畢奧薩伐爾定律的應用舉例

11.3.4磁矩

11.4磁場的高斯定理

11.4.1磁感應線

11.4.2磁通量

11.4.3磁場的高斯定理及其應用

11.5安培環路定理

11.5.1安培環路定理

11.5.2安培環路定理的應用

11.6磁場對載流導線的作用

11.6.1安培定律

11.6.2磁場對平面載流線圈作用的力矩

原理應用電力系統中母線所受的安培力

11.7磁場對運動電荷的作用

11.7.1洛倫茲力帶電粒子在均勻磁場中的運動

11.7.2帶電粒子在現代電磁場技術中的應用舉例

11.8磁場中的磁介質

11.8.1磁介質磁化強度

11.8.2磁介質中的安培環路定理磁場強度

原理應用超導

內容提要

習題

第12章電磁感應與電磁場

12.1電磁感應現象及其基本規律

12.1.1電磁感應現象

12.1.2法拉第電磁感應定律

12.1.3楞次定律

原理應用電吉他

12.2動生電動勢和感生電動勢

12.2.1動生電動勢

12.2.2感生電動勢

12.2.3渦電流

原理應用磁懸浮技術

12.3互感和自感

12.3.1互感現象互感和互感電動勢

12.3.2自感現象自感和自感電動勢

12.4磁場的能量

12.4.1載流長直螺線管的磁能

12.4.2磁場的能量

*12.5麥克斯韋電磁場理論簡介

12.5.1位移電流全電流的安培環路定理

12.5.2渦旋電場

12.5.3麥克斯韋方程的積分形式

*12.6電磁振蕩電磁波

12.6.1電磁波的產生與傳播

12.6.2真空中的平面電磁波及其特性

12.6.3真空中電磁波的能量

12.6.4電磁波譜

原理應用核磁共振及其醫學成像原理

內容提要

習題

第13章光學

*13.1幾何光學的基本原理

13.1.1光的直線傳播定律

13.1.2光的反射和折射定律

13.1.3全反射

*13.2光在平面和球面上的成像以及薄透鏡成像規律

13.2.1光在平面上的反射、折射成像

13.2.2光在球面上的折射和反射成像

13.2.3薄透鏡

*13.3光學儀器

13.3.1照相機

13.3.2顯微鏡

13.3.3望遠鏡

13.4相干光

13.4.1光的相干性

13.4.2普通光源的發光機制

13.4.3相干光的獲得

13.5楊氏雙縫干涉勞埃德鏡

13.5.1楊氏雙縫干涉實驗

13.5.2勞埃德鏡實驗

13.6光程薄膜干涉

13.6.1光程

13.6.2薄膜干涉

原理應用激光干涉儀

13.7光的衍射單縫衍射

13.7.1光的衍射現象

13.7.2惠更斯菲涅耳原理

13.7.3單縫衍射

13.8光柵光柵衍射

13.8.1光柵

13.8.2光柵衍射

13.9光的偏振

13.9.1光的偏振線偏振光和自然光

13.9.2偏振片起偏和檢偏

13.9.3馬呂斯定律

13.9.4反射光和折射光的偏振

*13.10激光簡介

13.10.1激光的基本原理

13.10.2氦氖激光器

13.10.3激光的特點及應用

原理應用全息攝影

內容提要

習題

第14章狹義相對論

14.1伽利略變換牛頓力學相對性原理遇到的困難

14.1.1伽利略相對性原理伽利略變換

14.1.2經典力學的時空觀

14.1.3光速依賴於慣性參考系的選取嗎

14.2狹義相對論的基本原理洛倫茲變換

14.2.1狹義相對論的基本原理

14.2.2洛倫茲變換式

*14.2.3洛倫茲速度變換式

14.3狹義相對論的時空觀

14.3.1同時性的相對性

14.3.2時間的延緩

14.3.3長度收縮

14.4狹義相對論動力學基礎

14.4.1質量與速度的關係

14.4.2相對論的動量

14.4.3相對論的動能

14.4.4相對論能量質能關係

14.4.5相對論的動量和能量關係

原理應用原子核裂變和聚變

原理應用光伏發電簡介

內容提要

習題

第15章量子物理

15.1黑體輻射普朗克能量子假設

15.1.1黑體黑體輻射

15.1.2黑體輻射的瑞利金斯公式經典物理的困難

15.1.3普朗克假設普朗克黑體輻射公式

15.2光電效應愛因斯坦方程

15.2.1光電效應的實驗規律

15.2.2光的波動說遇到的困難

15.2.3愛因斯坦方程

15.2.4光的波粒二象性

15.3康普頓效應

15.4氫原子的玻爾理論

15.4.1氫原子光譜的規律性

15.4.2氫原子的玻爾理論

15.5德布羅意波實物粒子的二象性

15.5.1德布羅意假設

15.5.2德布羅意假設的實驗驗證

原理應用掃描隧穿顯微鏡

15.6不確定關係

*15.7波函數薛定諤方程及簡單應用

15.7.1波函數及其統計解釋

15.7.2薛定諤方程

15.7.3薛定諤方程的應用

原理應用碳納米管及其應用

內容提要

習題

附錄G電磁學、光學和近代物理的量和單位

習題參考答案

參考文獻