本书是参照教育部《理工科类大学物理课程教学基本要求》(2010年版)编写的。在保证完整的大学物理知识体系的前提下, 全书加载了一个物理知识的应用背景。本数据有“体系完整,极具创新性”、“内涵丰富,极具应用性”、“面向应用,极具教育性”和“形式独特,极具启发性”等特点。
高等教育承担着培养高级专门人才、发展科学技术文化、促进现代化建设的重大任务,为全面提高高等教育质量和提升人才培养水平,创新人才培养模式势在必行。为适应现代化社会对工程技术人才的需求,包括我校在内的一些工科院校正在推行工程教育改革,转变教学理念,创新教学模式,倡导启发式、探究式、讨论式、参与式教学方法,“大学物理”作为工科院校学生的一门必修基础课程,在培养科学思维方式与科学素养、工程能力与工程素养等方面起着引领性作用,它必须进行面向工程教育的教学改革。如何将工程教育模式与“大学物理”课程相结合,怎样在“大学物理”课程中引入工程教育理念与工程教学方法,怎么才能以“大学物理”课程为载体去实现学生物理知识、工程能力与科学素质的培养……面对这些问题,我们试图从理论知识与工程应用的联系入手,以工程与应用为教学背景,编写一本能体现工程教育理念和工程教育方法的工科大学物理教材。
同时,物理学是源于自然与生活的科学,它有着许多生动而有趣的物理现象,与整个世界和人们生活都密切相关,与各种科学技术与工程应用紧密联系,这使我们在教学中不断地思考如下的一些问题:如何将现实的生活与应用和物理课本相结合,如何使学生感受到鲜活的物理,如何让学生学会以物理的眼光来审视自然与生活,如何在讲述物理知识的同时告诉学生科学的思维方式、研究方法与应用途径……于是,我们尝试着在这些方面做一些努力,试图让学生在生活与应用的背景中学习物理,将学到的物理知识用来解决身边的问题,这样既能收获物理知识,又能体会知识的乐趣,更能感受知识带来的启示。
基于上述缘由,本教材以工科院校学生对知识、能力与素质培养的要求为指导,以运动、场和波为主线构建了“大学物理”课程教学体系,将物理学中的力学、热学、电磁学、光学、狭义相对论以及量子物理分成三个部分:
(1)第一篇“物质的运动”:包括宏观物体的运动和微观粒子的运动,前者包括牛顿力学研究的低速机械运动和爱因斯坦狭义相对论研究的高速运动,后者包括热学研究的气体分子热运动和量子力学研究的微观粒子概率运动。这些内容将使学生看清自然界和生活中的物质运动的本质,目睹科学发展的进程,感受物理学给人们的震撼。
(2)第二篇“场”:通过电场、磁场、电磁场的讲述,使学生充分认识“场”这种特殊物质,同时通过展现电磁理论的建立过程以及电磁技术引起的人们生活的巨大变化与科学技术上的重大突破,帮助学生理解物理学与应用的联系。
(3)第三篇“波动”:包括机械波、光波与电磁波。人们每时每刻都处于这些波的包围之中,波的存在使人们的生活“有声有色”,给人们带来许多惊喜,同时也给人们带来一些潜在的危害。通过这部分的学习,让学生学会用物理的眼光来看待这些问题。
为了体现工程教育特色,充分展示物理与工程的关系以及物理知识的应用性,本教材在内容编排与撰写方面具有以下几个特点:
(1)开篇问题:几乎每个章节的开端都设置了基于某种现象或应用的介绍,以此来引入知识的讲述,并在相关知识的讲解后进行解答或讨论。
(2)趣味应用:编写了一些实际应用解析的章节,增加教材的趣味性和物理学的应用性。
(3)实用例题:尽量选择与某个实际应用相结合的例子,使例题达到“应用知识、拓展视野、体现方法”三个目的。
(4)工程问题或科学问题解析:每章结束后,都编写有一个工程(科学)问题解析,为教师和学生提供讨论课的素材。
(5)设计型习题:针对每章的物理知识,在作业中设置了专门的设计题,为开展的课程项目提供内容。
(6)全书图文并茂,在阐明物理思想和物理规律的同时,还将学生带到物理学以外的领域,让学生领会科学和科学方法的相通性,启发学生用物理的、科学的方式去欣赏这个世界。
本教材可作为各类工科院校理工科类专业60~100学时大学物理课程的教材。与教材配套的多媒体课件和教材中思考题与工程(科学)问题解析的参考资料,便于教师教学,利于学生开展学习和讨论。
第一篇 物质的运动
第一部分 物体的机械运动
第一章 质点运动
1.1 物理基准
1.1.1 长度、时间和质量标准
1.1.2 参考系
1.2 质点运动的描述
1.3 相对运动
1.4 牛顿运动定律
1.4.1 力
1.4.2 牛顿运动定律
1.4.3 牛顿定律的应用
1.5 动量
1.5.1 动量与冲量
1.5.2 动量定理与动量守恒定律
1.5.3 火箭的发射
1.6 能量
1.6.1 功
1.6.2 功与能量
1.6.3 机械能守恒
1.6.4 普遍的能量守恒与转化定律
1.6.5 赛车胜负的关键
科学问题解析万有引力定律及其应用
习题
第二章 刚体转动
2.1 转动的描述
2.2 力矩与转动定律
2.3 角动量与角动量守恒定律
2.4 刚体绕定轴转动的动能定理
2.5 工程中的刚体转动
工程问题解析汽车制动器
习题
第三章 狭义相对论
3.1 牛顿的绝对时空观
3.2 狭义相对论的基本原理
3.3 相对论性的时空观
3.4 核能及其工程应用
科学问题解析核武器
习题
第二部分 气体分子的热运动
第四章 气体动理论
4.1 理想气体的微观模型与统计理论
4.2 压强、温度与内能公式
4.2.1 压强公式
4.2.2 温度公式
4.2.3 内能公式
4.3 气体分子的速率分布统计规律
4.3.1 分子的速率分布
4.3.2 分子的特征速率
4.3.3 太阳风的成分
科学问题解析礁湖星云的压强
习题
第五章 热力学基础
5.1 理想气体状态与状态的改变
5.2 热力学第一定律
5.2.1 热力学第一定律
5.2.2 热力学第一定律在典型过程中的应用
5.2.3 人体新陈代谢的能量转化
5.3 循环过程在工程中的应用
5.4 热力学第二定律
5.5 熵与无序
5.5.1 熵与熵增加原理
5.5.2 无序度
工程问题解析陶瓷内燃机
习题
第三部分 微观粒子的概率运动
第六章 量子物理
6.1 量子与量子化规律
6.1.1 量子与量子化
6.1.2 黑体辐射与能量子假说
6.1.3 光电效应与光量子学说
6.1.4 量子化规律的应用
6.2 物质的波粒二象性
6.2.1 光的粒子性
6.2.2 物质波——德布罗意波
6.3 粒子运动的不确定性
6.4 粒子运动的薛定谔方程
6.5 扫描隧穿显微镜
6.6 量子信息技术
工程问题解析太阳能电池
习题
第二篇 场
第七章 静电场
7.1 静电场的描述
7.1.1 电荷与电场
7.1.2 电场强度
7.1.3 电场线
7.2 静电场的高斯定理
7.2.1 电场强度通量
7.2.2 真空中的高斯定理
7.2.3 高斯定理在计算电场强度分布中的应用
7.3 静电场的环路定理
7.3.1 电场力的功
7.3.2 真空中的环路定理
7.4 电势
7.4.1 电势能与电势
7.4.2 等势面
7.4.3 电势梯度
7.5 电场与物质的作用
7.5.1 静电场中的导体
7.5.2 静电场中的电介质
7.5.3 电容器及其应用
7.6 静电场的能量
7.7 静电场的应用
工程问题解析等离子显示器
习题
第八章 恒定磁场
8.1 磁场的描述
8.2 毕奥一萨伐尔定律
8.3 磁场的高斯定理
8.4 磁场的安培环路定理
8.5 磁场对运动电荷的作用
8.5.1 带电粒子在电场和磁场中的运动
8.5.2 霍耳效应及应用
8.5.3 磁场对电流的作用
8.6 磁场与物质的作用
8.6.1 磁介质的磁化
8.6.2 铁磁质及应用
8.6.3 磁悬浮列车
工程问题解析巨磁阻效应及其应用
习题
第九章 电与磁的联系
9.1 电磁感应
9.1.1 电磁感应现象
9.1.2 楞次定律
9.1.3 法拉第电磁感应定律
9.1.4 发电机
9.1.5 自感和互感
9.2 感生电场
9.3 位移电流
9.4 电磁场
9.5 电磁场在工程中的应用
工程问题解析金属探测器
习题
第三篇 波动
第十章 机械波
10.1.机械振动
10.1.1 简谐运动的描述
10.1.2 受迫振动和共振
10.1.3 简谐运动的合成
10.1.4 机械波的形成
10.2 机械波的描述
10.2.1 机械波的分类与特征物理量
10.2.2 平面简谐波的波函数
10.2.3 地震产生的波动
10.3 机械波的传播规律
10.3.1 衍射现象与惠更斯原理
10.3.2 干涉现象与波的叠加
10.3.3 驻波现象及应用
10.4 声波
10.4.1 声波的特征与种类
10.4.2 多普勒效应
10.4.3 多普勒雷达与多普勒彩超
工程问题解析声呐技术
习题
第十一章 光波
11.1 光的本质
11.2 光的相干特性
11.2.1 干涉与光程
11.2.2 杨氏双缝干涉
11.2.3 薄膜干涉
11.2.4 迈克耳孙干涉仪
11.2.5 干涉现象在工程精密测量中的应用
11.3 光的衍射特性
11.3.1 惠更斯一菲涅耳原理
11.3.2 单缝衍射
11.3.3 圆孔衍射
11.3.4 光栅衍射
11.3.5 衍射现象与DNA的研究
11.4 光的偏振特性
11.4.1 偏振光的描述
11.4.2 布儒斯特定律
11.4.3 双折射现象
11.4.4 三维电影
工程问题解析全息技术
习题
第十二章 电磁波
12.1 电磁波的形成与特性
12.2 电磁波的能量与电磁辐射
12.3 电磁波谱
12.4 工程中的电磁波
科学问题解析宇宙起源探秘
习题
习题答案