大學物理

大學物理是工程技術類專業一門十分重要的基礎課。為適應教學改革的新形勢，根據教育部高等學校物理基礎課程教學指導分委員會2011年大學物理和大學物理實驗課程教學基本要求的主要精神，結合編審人員多年的教學經驗以及當前國內外物理教材改革的動態，紹興文理學院物理系經集體討論編寫了本書。

本教材共有13章。編者的初衷是為一般工程技術類專業大學本科生提供一套難度合適、深入淺出、篇幅不大、易教易學的大學物理教材。在編寫過程中，編者充分體會到實現這一目標的困難和艱辛。

本書的內容緊緊圍繞大學物理課程的基本要求，並以工程技術，特別是新技術中廣泛應用的基本物理原理為依據，盡量做到科學性和思想性相統一，理論聯繫實際，側重知識的應用性、啟發性和趣味性相結合的原則。為此，在編寫過程中，適量引用了相關的物理學史資料，其中包括重要的物理實驗和有關科學家的思想和貢獻。這樣可增強物理學理論的真實感和生動感，有助於學生形成科學的學習方法和研究方法，有利於激發學生的學習興趣和培養學生的創新能力。本書努力體現如下特點：①充分利用高等數學這一重要工具求解物理學問題，通過本課程的學習，幫助和引導學生學會使用高等數學，把“物”與“理”密切結合；②精選內容，盡量做到“少課少時”，切實減輕學生負擔，既還學生以時間和空間，又保證為後續課程提供必要的基礎；③注重從實驗規律引出概念，適當介紹物理學發展史上的重大事件，使學生了解科學發展的規律、科學研究的方法以及科學家的精神；④充分利用物理學與許多近代和前沿課題、高新技術、現代生活的聯繫，適當介紹相關科學研究的新成果，開闊學生的眼界，啟迪他們的思維，提高學生的科學素質。

本教材內容相對比較完整，所以老師們在講解時可以根據大綱要求選擇相應的內容，或者選擇與本專業關聯度大一點的部分作為教學內容，容易做到學時與內容相對應，具有一定的靈活性。

紹興文理學院物理系的老師仔細閱讀了書中的相關內容，提出了許多寶貴的意見和建議，在此表示衷心的感謝。由於編者水平有限，加之時間倉促，缺點和疏漏一定不少，懇請廣大讀者批評指正。

編者

2012年9月

緒論1

0.1 物理學的意義和研究對象1

0.2 物理實驗和理論結構1

0.3 物理學和科學技術2

0.4 物理學與人才培養3

第1章 力和運動4

1.1 質點運動的描述4

1.1.1 質點4

1.1.2 參考系和坐標系4

1.1.3 位置矢量和位移5

1.1.4 速度和加速度7

1.1.5 自然坐標系下的速度和加速度10

1.2 求解運動學問題舉例12

1.3 圓周運動17

1.4 絕對時空條件下的相對運動20

1.4.1 時間與空間20

1.4.2 相對運動21

1.5 牛頓運動定律及其應用23

1.5.1 牛頓運動定律的基本內容23

1.5.2 力學中常見的幾種力25

1.5.3 單位制和量綱27

1.5.4 牛頓運動定律的應用28

思考題30

習題30

第2章 動量 功和能34

2.1 動量 衝量 動量定理34

2.1.1 動量34

2.1.2 衝量34

2.1.3 動量定理35

2.2 質點系的動量定理及動量守恆定律37

2.2.1 質點系的動量定理37

2.2.2 質心和質心運動定理38

2.2.3 動量守恆定律38

2.3 動能定理40

2.3.1 功40

2.3.2 功率42

2.3.3 質點的動能定理43

2.4 保守力與非保守力 勢能46

2.4.1 萬有引力、重力、彈性力的做功特點46

2.4.2 保守力與非保守力47

2.4.3 勢能48

2.5 功能原理 機械能守恆定律49

2.5.1 質點系的動能定理49

2.5.2 功能原理50

2.5.3 機械能守恆定律50

2.6 碰撞53

2.6.1 完全彈性碰撞53

2.6.2 完全非彈性碰撞55

2.6.3 非彈性碰撞55

思考題57

習題58

第3章 剛體的轉動61

3.1 剛體的定軸轉動61

3.1.1 平動和轉動61

3.1.2 剛體定軸轉動的運動學描述61

3.2 剛體定軸轉動的動力學描述63

3.2.1 力對轉軸的力矩63

3.2.2 轉動定律65

3.2.3 轉動慣量66

3.3 角動量 角動量守恆定律70

3.3.1 角動量70

3.3.2 剛體定軸轉動的角動量定理71

3.3.3 角動量守恆定律72

3.4 剛體定軸轉動的動能定理76

3.4.1 轉動動能76

3.4.2 力矩的功和功率76

3.4.3 剛體繞定軸轉動的動能定理77

思考題79

習題79

第4章 機械振動和波動84

4.1 簡諧運動84

4.1.1 簡諧運動的基本特徵84

4.1.2 描述簡諧運動的物理量86

4.2 簡諧運動的旋轉矢量表示法90

4.3 簡諧運動的能量94

4.4 一維簡諧運動的合成 拍現象95

4.4.1 兩個同方向同頻率簡諧運動的合成95

4.4.2 兩個同方向不同頻率簡諧運動的合成98

4.4.3 相互垂直的同頻率簡諧運動的合成99

4.5 機械波的產生和傳播 101

4.5.1 機械波的產生和傳播101

4.5.2 波動過程的描述103

4.6 平面簡諧波104

4.6.1 平面簡諧波的波函數105

4.6.2 平面簡諧波的能量108

4.7 惠更斯原理 波的衍射110

4.7.1 惠更斯原理110

4.7.2 波的衍射110

4.8 波的疊加111

4.8.1 波的疊加原理 111

4.8.2 波的干涉 111

4.8.3 駐波115

4.9 多普勒效應118

4.9.1 波源不動，觀測者相對介質以速度瘙經 0運動118

4.9.2 觀測者不動，波源相對介質以速度 瘙經 S運動119

4.9.3 波源和觀測者同時相對介質運動120

4.9.4 衝擊波121

思考題121

習題122

第5章 氣體分子動理論127

5.1 分子動理論的基本概念127

5.1.1 統計規律127

5.1.2 物質的微觀模型 分子力128

5.2 理想氣體及其狀態描述129

5.2.1 理想氣體的微觀模型129

5.2.2 理想氣體狀態的描述129

5.3 理想氣體的壓強和溫度131

5.3.1 理想氣體的壓強公式131

5.3.2 溫度與氣體分子平均平動動能的關係132

5.3.3 方均根速率133

5.4 能量按自由度均分定理 理想氣體的內能134

5.4.1 分子運動的自由度數134

5.4.2 能量按自由度均分定理135

5.4.3 理想氣體的內能136

5.5 麥克斯韋速率分佈律137

5.5.1 麥克斯韋速率分佈函數137

5.5.2 三種統計速率139

5.6 氣體分子的平均碰撞頻率和平均自由程141

5.6.1 分子的平均碰撞頻率141

5.6.2 分子的平均自由程142

5.7 氣體的輸運現象143

5.7.1 粘滯現象144

5.7.2 熱傳導現象145

5.7.3 擴散現象146

思考題147

習題148

第6章 熱力學基礎151

6.1 熱力學第一定律151

6.1.1 熱力學過程151

6.1.2 內能 功 熱量152

6.1.3 熱力學第一定律154

6.2 熱力學第一定律的應用155

6.2.1 等體過程 定容摩爾熱容155

6.2.2 等壓過程 定壓摩爾熱容156

6.2.3 等溫過程158

6.2.4 絕熱過程159

6.2.5 絕熱線與等溫線161

6.3 循環過程 卡諾循環163

6.3.1 循環過程163

6.3.2 熱機和製冷機164

6.3.3 卡諾循環166

6.4 熱力學第二定律168

6.4.1 熱力學第二定律的兩種表述168

*6.4.2 兩種表述的等效性169

6.5 可逆過程與不可逆過程 卡諾定理170

6.5.1 可逆過程與不可逆過程170

6.5.2 熱力學第二定律的實質170

*6.5.3 熱力學第二定律的統計意義171

6.5.4 卡諾定理173

6.6 熵和熵增加原理174

6.6.1 玻爾茲曼熵174

6.6.2 克勞修斯熵174

6.6.3 熵增加原理178

思考題179

習題180

第7章 真空中的靜電場184

7.1 電荷 庫侖定律184

7.1.1 電荷184

7.1.2 庫侖定律185

7.1.3 靜電力的疊加原理186

7.2 電場 電場強度186

7.2.1 電場186

7.2.2 電場強度187

7.2.3 電場強度的計算188

7.3 高斯定理194

7.3.1 電場線194

7.3.2 電通量195

7.3.3 高斯定理196

7.3.4 高斯定理的應用199

7.4 電勢202

7.4.1 靜電場的環路定理202

7.4.2 電勢203

7.4.3 電勢的計算204

7.5 等勢面 電場強度與電勢梯度208

7.5.1 等勢面208

7.5.2 電場強度與電勢梯度的關係209

思考題211

習題212

第8章 靜電場中的導體和電介質216

8.1 靜電場中的導體216

8.1.1 導體的靜電平衡條件216

8.1.2 靜電平衡時導體上的電荷分佈217

8.1.3 靜電屏蔽220

8.2 電容和電容器221

8.2.1 孤立導體的電容221

8.2.2 電容器及其電容222

8.2.3 電容器的連接224

8.3 靜電場中的電介質226

8.3.1 電介質的極化226

8.3.2 極化強度和極化電荷228

8.4 電位移矢量 有電介質時的高斯定理230

8.5 靜電場的能量235

思考題238

習題240

第9章 恆定電流的磁場243

9.1 恆定電流243

徠9.1.1 恆定電流 電流密度矢量243

9.1.2 歐姆定律 電阻245

9.2 電源電動勢 全電路歐姆定律249

9.2.1 非靜電力249

9.2.2 電源電動勢250

*9.2.3 電源的路端電壓250

9.2.4 全電路歐姆定律252

9.3 磁場 磁感應強度253

9.3.1 磁的基本現象253

9.3.2 磁感應強度255

9.4 畢奧-薩伐爾定律及其應用256

9.4.1 畢奧-薩伐爾定律256

9.4.2 畢奧-薩伐爾定律的應用257

9.5 磁場的高斯定理261

9.5.1 磁感應線261

9.5.2 磁通量262

9.5.3 磁場的高斯定理263

9.6 安培環路定理及其應用263

9.6.1 安培環路定理263

9.6.2 安培環路定理應用舉例265

9.7 帶電粒子在磁場中的運動267

9.7.1 洛倫茲力267

9.7.2 帶電粒子在均勻磁場中的運動269

9.7.3 霍耳效應270

9.8 磁場對載流導線的作用272

9.8.1 安培力272

9.8.2 磁場對載流線圈的作用274

9.9 磁場中的磁介質275

9.9.1 磁介質的磁化276

9.9.2 有磁介質時的安培環路定理278

*9.9.3 鐵磁質281

思考題285

習題286

第10章 電磁感應291

10.1 電磁感應定律291

10.1.1 電磁感應現象291

10.1.2 楞次定律292

10.1.3 法拉第電磁感應定律293

10.2 動生電動勢294

10.3 感生電動勢 渦電流297

10.3.1 感生電動勢297

*10.3.2 渦電流300

10.4 自感和互感301

10.4.1 自感現象與自感係數301

10.4.2 互感現象與互感係數303

10.5 磁場的能量305

10.6 位移電流 麥克斯韋方程組307

*10.6.1 位移電流307

10.6.2 麥克斯韋方程組310

10.7 平面電磁波及其性質311

10.7.1 平面電磁波的性質311

10.7.2 光的電磁理論312

10.7.3 電磁波的能流密度313

思考題314

習題315

第11章 波動光學321

11.1 光的相干性321

11.1.1 相干光和相干光源321

11.1.2 光源的發光機理321

11.1.3 相干光的獲取322

11.2 楊氏雙縫干涉實驗 勞埃德鏡323

11.2.1 楊氏雙縫干涉實驗323

11.2.2 勞埃德鏡 半波損失325

11.3 相位差和光程326

11.3.1 兩束光在相遇點的相位差326

11.3.2 光程和費馬原理327

11.3.3 透鏡物像之間的等光程性328

11.4 薄膜干涉329

11.4.1 厚度均勻薄膜的干涉329

11.4.2 厚度不均勻薄膜的干涉332

11.4.3 邁克耳孫干涉儀336

11.5 光的衍射338

11.5.1 光的衍射現象338

11.5.2 惠更斯-菲涅耳原理339

11.5.3 菲涅耳衍射和夫琅禾費衍射339

11.6 夫琅禾費單縫衍射340

11.7 圓孔衍射 光學儀器的分辨本領343

11.7.1 夫琅禾費圓孔衍射343

11.7.2 光學儀器的解析度344

11.8 光柵和光柵衍射346

11.8.1 光柵346

11.8.2 光柵衍射347

11.8.3 缺級現象348

11.8.4 衍射光譜349

11.9 光的偏振350

11.9.1 自然光與偏振光350

11.9.2 起偏與檢偏351

11.9.3 馬呂斯定律352

11.9.4 反射光和折射光的偏振353

思考題356

習題357

第12章 狹義相對論361

12.1 基於絕對時空的力學理論361

12.1.1 伽利略變換式 經典力學的相對性原理361

12.1.2 經典力學的絕對時空觀363

12.1.3 絕對參考系的困惑363

12.2 狹義相對論的基本原理 洛倫茲變換364

12.2.1 狹義相對論的基本原理364

12.2.2 洛倫茲變換365

12.2.3 洛倫茲速度變換式366

12.3 狹義相對論的時空觀367

12.3.1 同時的相對性368

12.3.2 長度的收縮368

12.3.3 時間的延緩369

12.4 光的多普勒效應370

12.5 相對論動力學372

12.5.1 相對論動量與質量372

12.5.2 狹義相對論動力學的基本方程373

12.5.3 質量與能量的關係373

12.5.4 質能公式在原子核裂變和聚變中的應用374

12.5.5 動量與能量的關係375

思考題377

習題377

第13章 量子物理基礎380

13.1 黑體輻射和能量子假設380

13.1.1 熱輻射的實驗定律380

13.1.2 黑體輻射的經典公式381

13.1.3 普朗克的黑體輻射公式383

13.2 光的粒子性384

13.2.1 普朗克量子假說384

13.2.2 光電效應385

13.2.3 愛因斯坦光量子理論387

13.2.4 光的波粒二象性389

13.2.5 光電效應的應用389

13.3 康普頓效應391

13.3.1 光的散射391

13.3.2 康普頓效應392

13.3.3 康普頓效應與光電效應的關係393

13.4 玻爾的氫原子理論394

13.4.1 氫原子光譜的實驗規律395

13.4.2 盧瑟福的原子有核模型396

13.4.3 玻爾的氫原子理論396

13.5 實物粒子的波粒二象性399

13.5.1 德布羅意假設399

13.5.2 電子衍射實驗401

13.6 不確定關係402

13.7 波函數 薛定諤方程406

13.7.1 波函數406

13.7.2 波函數的統計詮釋407

13.7.3 薛定諤方程409

13.8 一維定態問題410

13.8.1 一維無限深勢阱410

13.8.2 一維勢壘 隧道效應413

13.8.3 一維諧振子414

思考題415

習題415

參考文獻419