本书是“十二五”普通高等教育本科国家级规划教材。本书从新世纪工程技术人才培养的总体要求出发,以培养学生的能力和素质为目的,以现代教育思想、教育方法为指导,以物质的存在形式和基本性质为主线,来设计大学物理的内容和课程体系;以现代物理思想统筹教学内容,做好新高考背景下与中学物理教学内容的衔接,注意加强物理学与现代科学技术的联系,来安排大学物理的教学内容;以统一性思想贯穿整个教材,从现代物理的思想高度来阐述基础物理的内容,并注意保持基础课程的风格。这是一部突破传统体系,改革力度较大的面向理工科学生的新教材,有利于提高物理教学的水平和培养学生的科学素质。本书可作为高等学校理科非物理学专业和工科类各专业的大学物理课程教材,也可供其他读者参考。
物理学是自然科学的基础,是自然科学中最具有活力的带头学科,也是高新技术的先导和源泉。历史上,每次产业革命都与物理学的重大发现和发展密切相关。当代信息、生命、材料、环境、能源、地球、空间、核科学等八大科学领域的蓬勃发展都是以现代物理学的迅速发展为基础。在人类追求真理、探索未知世界的过程中,物理学展现了一系列科学的世界观和方法论,深刻影响着人类对物质世界的基本认识、人类的思维方式和社会生活,是人类文明发展的基石,是人类认识自然、改造自然和创造财富所不可缺少的理论工具及手段,在素质教育中有着极其重要的地位和作用。随着科学技术的迅猛发展,物理学不断揭示出许多新的现象与规律,这势必迫切要求物理教学能及时反映物理学的进展。
以物理学基础为内容的大学物理课程,是高等学校理工科各专业学生的一门非常重要的通识性必修基础课。大学物理课程在为学生系统地打好必要的物理基础,培养学生树立科学的世界观,增强学生分析问题和解决问题的能力,培养学生科学观念、探索精神、创新精神、科学思维、科‘学方法、科学精神和科学作风等方面,具有其他课程不能替代的重要作用。这门课程所教授的基本概念、基本理论和基本方法是构成学生科学素养的重要组成部分,是一个科学工作者和工程技术人员所必备的。通过大学物理课程的教学,使学生对物理学的基本概念、基本理论和基本方法有比较系统的认识和正确的理解,为进一步学习打下坚实的基础。在大学物理课程的各个教学环节中,我们都应在传授知识的同时,注重学生分析问题和解决问题能力的培养,注重学生探索精神和创新意识的培养,努力实现学生知识、能力、素质的协调发展。
本教材从新世纪工程技术人才培养的总体要求出发,以培养学生的能力和素质为目的,以现代教育思想、教育方法为指导,以物质的存在形式和基本性质为主线,来设计大学物理的内容和课程体系;以现代物理思想统筹教学内容,注意加强物理学与现代科学技术的联系,来安排大学物理的教学内容并做好新高考背景下与中学物理教学内容的衔接;以统一性思想贯穿整个教材,从现代物理的思想高度来阐述基础物理的内容,并注意保持基础课程的风格。这是一部突破传统体系,改革力度较大的面向工科学生的新教材,有利于提高物理教学的水平和培养学生的科学素质。
本教材是“十二五”普通高等教育本科国家级规划教材,共分两册,分为实物、场、物质与波三篇。上册为实物、场(静电场部分),包括绪论、运动的描述、三大守恒定律、多粒子体系(统计物理学基础和热力学基础)、狭义相对论、静电场等内容;下册为场(磁场部分)、物质与波,包括恒定磁场、变化电磁场、振动学基础、波动学基础、波动光学、场的量子性、量子力学基础及其应用等内容。
本教材的教学内容要求和安排与新高考背景下高中物理的教学内容紧密衔接。在部分省市新高考改革中,如浙江省已把热学等部分内容从高考物理考试范围中删除,对这些内容不再作高考物理考试要求,为此,本教材着力加强统计物理基础和热力学基础等内容与中学物理教学内容的紧密衔接,确保教材内容好教易学、通俗易懂。本教材还与教育部高等学校物理学与天文学教学指导委员会物理基础课程教学指导分委员会编制的《理工科类大学物理课程教学基本要求》(2010年版)相适应,符合国内各高等学校大学物理教学基本要求和现状。
本教材还有与之配套的《大学物理习题解答与学习指导》《大学物理作业与自测题》等教学用书,并均在高等教育出版社出版,另外还配有教学课件,以方便教师教授和学生学习。
本教材适用于80—128学时的理工科类大学物理课程教学,可作为理工科类学生的大学物理课程教材,也可以作为专科院校、函授、电视大学、夜校师生的教学参考书。
本书为上册。本书的绪论、第一章、第二章、第五章、附录由施建青执笔,第三章、第四章由徐志君执笔,第六章由林国成执笔(其习题由施建青执笔),全书由施建青修改和统稿。本书由浙江工业大学基础物理系列课程国家级教学团队负责人施建青教授主编,是大学物理课程建设的结晶,凝聚着参与课程建设教师们多年来的集体智慧和心血。在本书的编写过程中,自始至终得到兄弟院校同行老师和同学们的关心和支持,得到浙江工业大学基础物理系列课程教学团队老师们的指导和热情帮助,得到高等教育出版社的大力支持,在此致以衷心的感谢。
由于编者水平有限,书中的不足不妥之处敬请专家、同行和读者批评指正。
绪论
0.1 什么是物理学
0.1.1 物理学以前称为自然哲学
0.1.2 物理学是研究物质的基本结构、运动的基本规律的科学
0.1.3 物质的存在形式和基本相互作用
0.1.4 物理学理论的发展
0.1.5 物理学与工程技术
0.2 怎么样学习物理学
实物
第一章 运动的描述
1.1 描述运动的基本概念
1.1.1 质点和刚体
1.1.2 参考系和坐标系
1.1.3 机械运动的基本形式
1.2 描述运动的基本物理量
1.2.1 位置矢量和位移
1.2.2 速度
1.2.3 加速度
1.3 运动的坐标系描述
1.3.1 在直角坐标系中描述运动运动学的两类问题
1.3.2 在自然坐标系中描述运动圆周运动与刚体运动问题
1.4 相对运动
本章提要
习题
第二章 对称性与守恒定律
2.1 运动定律
2.1.1 力学中常见的力
2.1.2 惯性系中的牛顿运动定律动力学的两类基本问题
2.1.3 非惯性系中的运动定律惯性力
2.2 动量守恒定律
2.2.1 质点的动量定理
2.2.2 质点系的动量定理和质心运动定理
2.2.3 动量守恒定律
2.3 能量守恒定律
2.3.1 功 动能定理
2.3.2 保守力 势能
2.3.3 功能原理 能量守恒定律
2.3.4 碰撞
2.4 角动量守恒定律
2.4.1 角动量
2.4.2 刚体的定轴转动
2.4.3 角动量定理
2.4.4 角动量守恒定律
2.5 对称性与守恒定律
2.5.1 什么是对称性
2.5.2 对称性与守恒定律
本章提要
习题
第三章 狭义相对论
3.1 狭义相对论的基本原理和洛伦兹变换
3.1.1 伽利略变换与伽利略相对性原理
3.1.2 经典力学的困难
3.1.3 狭义相对论的基本假设
3.1.4 洛伦兹变换
3.2 狭义相对论时空观
3.2.1 同时性的相对性
3.2.2 时间延缓效应
3.2.3 长度收缩效应
3.3 狭义相对论动力学基础
3.3.1 质速关系
3.3.2 质能关系
3.3.3 能量和动量关系
本章提要
习题
第四章 统计物理学基础
4.1 气体状态参量平衡态
4.1.1 气体状态参量
4.1.2 平衡态
4.2 理想气体
4.2.1 理想气体物态方程
4.2.2 理想气体分子模型和统计假设
4.2.3 理想气体的压强及温度公式
4.3 能量均分定理理想气体的内能
4.3.1 能量均分定理
4.3.2 理想气体的内能
4.4 统计分布
4.4.1 统计规律与分布函数的概念
4.4.2 麦克斯韦速率分布定律
4.4.3 玻耳兹曼分布定律
4.5 气体分子的平均自由程
4.6 实际气体与范德瓦耳斯方程
4.7 气体内的输运现象
4.7.1 扩散现象
4.7.2 热传导现象
4.7.3 黏性现象
本章提要
习题
第五章 热力学基础
5.1 热力学第零定律
5.1.1 热接触与热平衡
5.1.2 热力学第零定律
5.1.3 温度计和温标
5.2 热力学第一定律
5.2.1 热力学系统与热力学过程
5.2.2 热力学第一定律
5.2.3 摩尔热容
5.2.4 热力学第一定律对理想气体的应用
5.3 热力学第二定律
5.3.1 热力学第二定律的两种表述
5.3.2 可逆过程和不可逆过程
5.3.3 卡诺定理
5.3.4 熵
5.4 热力学第三定律
本章提要
习题
场
第六章 静电场
6.1 静电场的概念
6.1.1 电荷与电荷守恒定律
6.1.2 库仑定律
6.1.3 电场与电场强度
6.1.4 电场强度的计算
6.2 静电场的性质
6.2.1 电场强度通量与静电场的高斯定理
6.2.2 静电场的环路定理
6.3 静电场中的导体
6.3.1 导体的静电平衡
6.3.2 静电屏蔽
6.3.3 静电的应用
6.4 静电场中的电介质
6.4.1 电介质的极化
6.4.2 电极化强度
6.4.3 电位移矢量和介质中的高斯定理
6.4.4 电容和电容器
6.5 静电场的能量
6.5.1 电荷间的相互作用能
6.5.2 电容器储存的静电能
6.5.3 静电场的能量
本章提要
习题
附录
附录A 物理学的主要特点、思想和研究方法
附录B 物理量、单位制和量纲
附录C 国际单位制
附录D 物理常量表
附录E 历年诺贝尔物理学奖
习题参考答案