本书是张三慧编著的《大学物理学》(第三版)中的《热学、光学、量子物理》分册。热学部分包括温度和气体动理论,热力学第一和第二定律。光学部分在讲了波动光学的光的干涉、衍射、偏振等规律之后,也讲了几何光学的基本知识。量子物理部分包括微观粒子的二象性、薛定谔方程(定态)、原子中的电子能态、分子的结构和能级、固体中电子的能态、量子统计的基本概念和核物理的基础知识。各部分内容均配置了适量的联系实际的例题和习题。除了基本内容外,还专题介绍了能源与环境、全息照相、光学信息处理、液晶、非线性光学、自由电子激光、多光子吸收、激光冷却、纳米科技等今日物理趣闻,以及几位科学家的传略。书末还列出了历年诺贝尔物理学奖获得者名录及其创新课题。本书基本内容讲解简明有序,扩展内容通俗易懂.
本书可作为高等院校的物理教材,也可以作为中学物理教师教学或其他读者自学的参考书,与本书配套的《大学物理学辅导(第2版)》和《大学物理学(第三版)学习辅导与习题解答》可帮助读者学习本书。
大学物理学(第三版)热学、光学、量子物理以上力学、电磁学、热学、光学各篇的内容基本上都是经典理论,但也在适当地方穿插了量子理论的概念和结论以便相互比较。
量子物理篇是从波粒二象性出发以定态薛定谔方程为基础讲解的。介绍了原子、分子和固体中电子的运动规律以及核物理的知识。关于教学要求中的扩展内容,如基本粒子和宇宙学的基本知识是在“今日物理趣闻A”和“今日物理趣闻C”栏目中作为现代物理学前沿知识介绍的。
本书除了5篇基本内容外,还开辟了“今日物理趣闻”栏目,介绍物理学的近代应用与前沿发展,而“科学家介绍”栏目用以提高学生素养,鼓励成才。
本书各章均配有思考题和习题,以帮助学生理解和掌握已学的物理概念和定律或扩充一些新的知识。这些题目有易有难,绝大多数是实际现象的分析和计算。题目的数量适当,不以多取胜。也希望学生做题时不要贪多,而要求精,要真正把做过的每一道题从概念原理上搞清楚,并且用尽可能简洁明确的语言、公式、图像表示出来,需知,对一个科技工作者来说,正确地书面表达自己的思维过程与成果也是一项重要的基本功。
本书在保留经典物理精髓的基础上,特别注意加强了现代物理前沿知识和思想的介绍。本书内容取材在注重科学性和系统性的同时,还注重密切联系实际,选用了大量现代科技与我国古代文明的资料,力求达到经典与现代,理论与实际的完美结合。
本书在量子物理篇中专门介绍了近代(主要是20世纪30年代)物理知识,并在其他各篇适当介绍了物理学的最新发展,同时为了在大学生中普及物理学前沿知识以扩大其物理学背景,在“今日物理趣闻”专栏中,分别介绍了“基本粒子”、“混沌--决定论的混乱”、“大爆炸和宇宙膨胀”、“能源与环境”、“等离子体”、“超导电性”、“激光应用二例”、“新奇的纳米技术”等专题。这些都是现代物理学以及公众非常关心的题目。本书所介绍的趣闻有的已伸展到最近几年的发现,这些“趣闻”很受学生的欢迎,他们拿到新书后往往先阅读这些内容。
物理学很多理论都直接联系着当代科技乃至人们的日常生活。教材中列举大量实例,既能提高学生的学习兴趣,又有助于对物理概念和定律的深刻理解以及创造性思维的启迪。本书在例题、思考题和习题部分引用了大量的实例,特别是反映现代物理研究成果和应用的实例,如全球定位系统、光盘、宇宙探测、天体运行、雷达测速、立体电影等。同时还大量引用了我国从古到今技术上以及生活上的有关资料,例如古籍《宋纪要》关于“客星”出没的记载,北京天文台天线阵,长征火箭,神舟飞船,天坛祁年殿,黄果树瀑布,阿迪力走钢丝,抖空竹,1976年唐山地震,1988年特大洪灾,等等。这些例子体现了民族文化,可以增强学生对物理的“亲切感”,而且有助于学生的民族自豪感和责任心的提升。
物理教学除了“授业”外,还有“育人”的任务。为此本书介绍了十几位科学大师的事迹,简要说明了他们的思想境界、治学态度、开创精神和学术成就,以之作为学生为人处事的借鉴。在此我还要介绍一下我和帕塞尔教授的一段交往。帕塞尔教授是哈佛大学教授,1952年因对核磁共振研究的成果荣获诺贝尔物理奖。我于1977年看到他编写的《电磁学》,深深地为他的新讲法所折服。用他的书讲述两遍后,于1987年贸然写信向他请教,没想到很快就收到他的回信(见附图)和赠送给我的教材(第二版)及习题解答。他这种热心帮助一个素不相识的外国教授的行为使我非常感动。
帕塞尔《电磁学》(第二版)封面
本书作者与帕塞尔教授合影(1993年)
帕塞尔回信复印件
他在信中写道“本书170~171页关于L. Page的注解改正了第一版的一个令人遗憾的疏忽。1963年我写该书时不知道Page那篇出色的文章,我并不认为我的讲法是原创的--远不是这样--但当时我没有时间查找早先的作者追溯该讲法的历史。现在既然你也喜欢这种讲法,我希望你和我一道在适当时机宣扬Page的1912年的文章。”一位物理学大师对自己的成就持如此虚心、谦逊、实事求是的态度使我震撼。另外,他对自己书中的疏漏(实际上有些是印刷错误)认真修改,这种严肃认真的态度和科学精神也深深地教育了我。帕塞尔这封信所显示的作为一个科学家的优秀品德,对我以后的为人处事治学等方面都产生了很大影响,始终视之为楷模追随仿效,而且对我教的每一届学生都要展示帕塞尔的这一封信对他们进行教育,收到了很好的效果。
本书的撰写和修订得到了清华大学物理系老师的热情帮助(包括经验与批评),也采纳了其他兄弟院校的教师和同学的建议和意见。此外,也从国内外的著名物理教材中吸取了很多新的知识、好的讲法和有价值的素材。这些教材主要有:新概念物理教程(赵凯华等), Feyman Lectures on Physics, Berkeley Physics Course (Purcell E M, Reif F, et al.) , The Manchester Physics Series (Mandl F, et al.) , Physics (Chanian H C.) , Fundamentals of Physics (Resnick R) , Physics (Alonso M et al.)等。
对于所有给予本书帮助的老师和学生以及上述著名教材的作者,本人在此谨致以诚挚的谢意。清华大学出版社诸位编辑对第三版杂乱的原稿进行了认真的审阅和编辑,特在此一并致谢。
张三慧2008年10月于清华园
第3篇 热 学
第17章 温度和气体动理论3
17.1 平衡态3
17.2 温度的概念4
17.3 理想气体温标5
17.4 理想气体状态方程7
17.5 气体分子的无规则运动9
17.6 理想气体的压强11
17.7 温度的微观意义14
17.8 能量均分定理16
17.9 麦克斯韦速率分布律18
17.10 麦克斯韦速率分布律的实验验证24
*17.11 玻耳兹曼分布律25
17.12 实际气体等温线27
*17.13 范德瓦耳斯方程28
*17.14 非平衡态 输运过程32
提要36
思考题38
习题39
科学家介绍 玻耳兹曼43
第18章 热力学第一定律46
18.1 功 热量 热力学第一定律46
18.2 准静态过程48
18.3 热容51
18.4 绝热过程56
18.5 循环过程60
18.6 卡诺循环62
18.7 致冷循环65
提要66
思考题68
习题68
科学家介绍 焦耳73
今 日物理趣闻I 能源与环境76
I.1 各式能源的利用76
I.2 人类环境问题77
第19章 热力学第二定律82
19.1 自然过程的方向82
19.2 不可逆性的相互依存84
19.3 热力学第二定律及其微观意义85
19.4 热力学概率与自然过程的方向87
19.5 玻耳兹曼熵公式与熵增加原理90
19.6 可逆过程92
19.7 克劳修斯熵公式94
19.8 用克劳修斯熵公式计算熵变98
*19.9 温熵图100
*19.10 熵和能量退降101
提要102
思考题103
习题104
今 日物理趣闻J 耗散结构107
J.1 宇宙真的正在走向死亡吗107
J.2 生命过程的自组织现象107
J.3 无生命世界的自组织现象109
J.4 开放系统的熵变110
J.5 稍离平衡的系统111
J.6 远离平衡的系统112
J.7 通过涨落达到有序113
第4篇 光 学
第20章 振动117
20.1 简谐运动的描述117
20.2 简谐运动的动力学120
20.3 简谐运动的能量124
20.4 阻尼振动125
20.5 受迫振动 共振127
20.6 同一直线上同频率的简谐运动的合成128
20.7 同一直线上不同频率的简谐运动的合成130
*20.8 谐振分析131
*20.9 两个相互垂直的简谐运动的合成133
提要134
思考题135
习题136
第21章 波动140
21.1 行波140
21.2 简谐波141
21.3 物体的弹性形变146
21.4 弹性介质中的波速148
21.5 波的能量150
21.6 惠更斯原理与波的反射和折射153
21.7 波的叠加 驻波156
21.8 声波160
*21.9 地震波162
*21.10 水波163
21.11 多普勒效应165
*21.12 行波的叠加和群速度169
*21.13 孤子171
提要172
思考题174
习题175
第22章 光的干涉181
22.1 杨氏双缝干涉181
22.2 相干光185
*22.3 光的非单色性对干涉条纹的影响187
*22.4 光源的大小对干涉条纹的影响189
22.5 光程192
22.6 薄膜干涉(一)--等厚条纹194
22.7 薄膜干涉(二)--等倾条纹198
22.8 迈克耳孙干涉仪200
提要201
思考题202
习题203
科学家介绍 托马斯·杨和菲涅耳206
第23章 光的衍射209
23.1 光的衍射和惠更斯-菲涅耳原理209
23.2 单缝的夫琅禾费衍射210
23.3 光学仪器的分辨本领215
23.4 细丝和细粒的衍射217
23.5 光栅衍射219
23.6 光栅光谱225
23.7 光盘及其录音与放音227
23.8 X射线衍射231
提要232
思考题233
习题234
今 日物理趣闻K 全息照相237
K.1 全息照片的拍摄237
K.2 全息图像的观察239
K.3 全息照相的应用240
今 日物理趣闻L 光学信息处理241
L.1 空间频率与光学信息241
L.2 空间频谱分析242
L.3 阿贝成像原理和空间滤波243
L.4 θ调制245
第24章 光的偏振246
24.1 光的偏振状态246
24.2 线偏振光的获得与检验248
24.3 反射和折射时光的偏振250
24.4 由散射引起的光的偏振251
24.5 双折射现象252
*24.6 椭圆偏振光和圆偏振光256
*24.7 偏振光的干涉259
*24.8 人工双折射260
*24.9 旋光现象261
提要263
思考题264
习题265
今 日物理趣闻M 液晶268
M.1 液晶的结构268
M.2 液晶的光学特性269
今 日物理趣闻N 非线性光学272
N.1 非线性光学与激光272
N.2 倍频与混频272
N.3 自聚焦274
N.4 受激拉曼散射275
第25章 几何光学276
25.1 光线276
25.2 光的反射277
25.3 球面反射镜279
25.4 光的折射281
25.5 薄透镜的焦距283
25.6 薄透镜成像286
25.7 人眼290
25.8 助视仪器291
提要294
思考题295
习题297
第5篇 量 子 物 理
第26章 波粒二象性303
26.1 黑体辐射303
26.2 光电效应306
26.3 光的二象性 光子308
26.4 康普顿散射311
26.5 粒子的波动性314
26.6 概率波与概率幅317
26.7 不确定关系320
提要325
思考题326
习题326
科学家介绍 德布罗意329
第27章 薛定谔方程331
27.1 薛定谔得出的波动方程331
27.2 无限深方势阱中的粒子335
27.3 势垒穿透338
27.4 谐振子343
提要345
思考题345
习题346
科学家介绍 薛定谔348
第28章 原子中的电子350
28.1 氢原子350
28.2 电子的自旋与自旋轨道耦合358
*28.3 微观粒子的不可分辨性和泡利不相容原理364
28.4 各种原子核外电子的组态365
*28.5 X射线369
28.6 激光372
*28.7 分子结构376
*28.8 分子的转动和振动能级380
提要384
思考题385
习题386
科学家介绍 玻尔389
今 日物理趣闻O 自由电子激光391
今 日物理趣闻P 激光应用二例394
P.1 多光子吸收394
P.2 激光冷却与捕陷原子396
第29章 固体中的电子399
29.1 自由电子按能量的分布399
29.2 金属导电的量子论解释403
*29.3 量子统计404
29.4 能带 导体和绝缘体407
29.5 半导体410
29.6 PN结411
29.7 半导体器件412
提要414
思考题416
习题416
今 日物理趣闻Q 新奇的纳米科技418
Q.1 什么是纳米科技418
Q.2 纳米材料419
Q.3 纳米器件420
第30章 核物理422
30.1 核的一般性质422
30.2 核力426
30.3 核的结合能427
*30.4 核的液滴模型430
30.5 放射性和衰变定律432
30.6 α衰变436
*30.7 穆斯堡尔效应437
30.8 β衰变442
30.9 核反应445
提要448
思考题449
习题449
元素周期表452
数值表453
习题答案455
诺贝尔物理学奖获得者名录465
索引470