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第一篇 力学3

第一章 运动学3

1.1 参照系和坐标系3

1.2 质点和刚体4

1.3 位矢、速度和加速度4

1.3.1 位置、位矢和位移4

1.3.2 速度和加速度6

1.3.3 速度、加速度的直角坐标分量表示式7

1.3.4 质心7

1.4 曲线运动、切向加速度和法向加速度9

1.4.1 曲线运动、已知加速度求速度和位矢9

1.4.2 切向加速度和法向加速度12

1.4.3 圆周运动、角位移、角速度和角加速度15

1.4.4 角量和线量的关系16

1.4.5 刚体绕固定轴的转动17

1.5 相对运动18

1.6 力学单位制、量纲20

1.6.1 力学单位制20

1.6.2 量纲21

附录1.1 微积分简介22

1.1.1 导数22

1.1.2 导数的运算24

1.1.3 单变量函数的微分26

1.1.4 积分27

附录1.2 矢量29

阅读材料 科学家介绍——伽利略32

思考题与习题35

第二章 动力学38

2.1 牛顿三定律38

2.1.1 牛顿三定律38

2.1.2 4种基本相互作用39

2.1.3 接触力40

2.1.4 牛顿三定律的应用42

2.1.5 伽利略相对性原理49

2.1.6 非惯性系中的惯性力50

2.2 动量和动量守恒定律53

2.2.1 动量、冲量和动量定理53

2.2.2 动量守恒定律56

2.2.3 质心运动定理57

2.2.4 变质量体系的运动方程、火箭59

2.3 角动量和角动量守恒定律62

2.3.1 质点的角动量和刚体定轴转动的角动量62

2.3.2 平行轴定理64

2.3.3 力矩66

2.3.4 质点和定轴转动刚体的角动量定理、转动定律68

2.3.5 角动量守恒定律70

阅读材料2.1 科学家介绍——牛顿74

阅读材料2.2 引力波76

阅读材料2.3 关于惯性力——从月亮绕地球转还是地球绕月亮转说起79

思考题与习题82

第三章 功与能、机械能守恒定律89

3.1 功和功率89

3.1.1 力的功和功率89

3.1.2 力矩的功和功率90

3.2 几种力的功、势能91

3.2.1 保守力的功91

3.2.2 摩擦力的功94

3.2.3 功和参照系的关系94

3.2.4 势能96

3.3 动能定理97

3.3.1 质点的动能和动能定理97

3.3.2 刚体定轴转动的动能定理98

3.4 机械能守恒定律99

3.4.1 功能原理99

3.4.2 机械能守恒定律100

3.4.3 功和能的定理与参照系的关系100

3.4.4 刚体的平面运动103

3.5 碰撞107

3.5.1 碰撞与守恒定律107

3.5.2 弹性碰撞和完全非弹性碰撞107

3.6 进动110

阅读材料 人为何能前行111

思考题与习题115

第四章 狭义相对论基础122

4.1 狭义相对论的基本假设122

4.1.1 爱因斯坦的基本假设122

4.1.2 洛伦兹变换123

4.1.3 狭义相对论的时空性质124

4.2 相对论速度变换127

4.3 相对论质量、动量和能量129

4.3.1 相对论质量和动量129

4.3.2 相对论能量131

阅读材料4.1 科学家介绍——爱因斯坦134

阅读材料4.2 宇宙大爆炸理论和实验证据136

阅读材料4.3 正、负电子对撞机139

思考题与习题142

第五章 流体力学144

5.1 流体运动的描述144

5.1.1 流场、流线和流管144

5.1.2 定常流动和不定常流动145

5.2 定常流动的连续性方程145

5.3 伯努利方程146

5.3.1 理想流体146

5.3.2 伯努利方程146

5.3.3 伯努利方程的应用举例148

5.4 实际流体的运动规律151

5.4.1 粘滞流体的能量方程151

5.4.2 湍流和雷诺数153

5.4.3 泊肃叶定律154

阅读材料 血液的流动和血压156

思考题与习题158

第二篇 热学165

第六章 气体分子运动论165

6.1 理想气体状态方程165

6.1.1 状态参量165

6.1.2 理想气体状态方程166

6.2 理想气体的压强公式167

6.2.1 理想气体的微观模型和等概率假说167

6.2.2 理想气体的压强公式169

6.2.3 温度的统计意义170

6.3 麦克斯韦速率分布律171

6.3.1 统计规律性与分布函数171

6.3.2 麦克斯韦速率分布律173

6.3.3 最概然速率、平均速率和方均根速率174

6.3.4 验证麦克斯韦速率分布律的实验176

6.4 玻耳兹曼分布律177

6.4.1 重力场中大气密度和压强随高度的分布177

6.4.2 麦克斯韦-玻耳兹曼分布律178

6.5 能量按自由度均分定理180

6.5.1 自由度180

6.5.2 能量按自由度均分定理180

6.5.3 理想气体的内能及热容量182

6.6 气体的输运过程183

6.6.1 气体分子碰撞频率和平均自由程183

6.6.2 气体的输运过程185

6.7 物质透过生物膜的输运188

6.7.1 物质透过生物膜的输运188

6.7.2 膜电位189

阅读材料 血液透析189

思考题与习题192

第七章 热力学195

7.1 热力学第一定律195

7.1.1 热力学过程195

7.1.2 功和热量195

7.1.3 热力学第一定律196

7.2 热力学第一定律的应用197

7.2.1 理想气体的等容过程197

7.2.2 理想气体的等压过程198

7.2.3 理想气体的等温过程198

7.2.4 理想气体的绝热过程199

7.2.5 人体的新陈代谢201

7.3 循环过程、卡诺循环202

7.3.1 循环过程和热机的效率202

7.3.2 卡诺循环204

7.4 热力学第二定律207

7.4.1 自然现象的不可逆性207

7.4.2 热力学第二定律208

7.4.3 卡诺定理209

7.4.4 熵和熵增加原理209

7.4.5 热力学第二定律的统计意义213

思考题与习题216

第三篇 电磁学221

第八章 静电场221

8.1 库仑定律221

8.2 电场强度223

8.2.1 电场和电场强度223

8.2.2 场强叠加原理224

8.3 高斯定理228

8.3.1 电场线228

8.3.2 电通量230

8.3.3 高斯定理及其应用231

8.4 静电场的环路定理、电势235

8.4.1 静电场的环路定理235

8.4.2 电势差和电势236

8.4.3 场强与电势的关系238

8.4.4 关于电势零点的讨论241

8.5 导体的静电平衡、电容器243

8.5.1 导体的静电平衡条件243

8.5.2 导体表面的电荷分布和电场强度243

8.5.3 尖端效应和静电屏蔽246

8.5.4 电容、电容器248

8.6 稳恒电流、基尔霍夫定律253

8.6.1 电流的连续性方程、稳恒电流253

8.6.2 欧姆定律、电动势255

8.6.3 基尔霍夫定律258

阅读材料8.1 电泳与太空制药260

阅读材料8.2 导电高聚物263

阅读材料8.3 闪电的物理学267

思考题与习题270

第九章 磁场278

9.1 磁场的高斯定理278

9.1.1 电流的磁效应278

9.1.2 磁场、磁感应强度和磁感应线280

9.1.3 磁感通量和磁场的高斯定理282

9.2 磁场对电流的作用、磁矩283

9.2.1 安培公式283

9.2.2 磁场对平面载流线圈的作用、磁矩284

9.3 毕奥-萨伐尔定律286

9.3.1 毕奥-萨伐尔定律286

9.3.2 毕奥-萨伐尔定律的应用287

9.4 安培环路定理291

9.4.1 安培环路定理291

9.4.2 安培环路定理的应用293

9.5 带电粒子在电场和磁场中的运动295

9.5.1 洛伦兹力295

9.5.2 带电粒子在磁场中的运动295

9.5.3 回旋加速器298

9.5.4 质谱仪299

9.5.5 霍耳效应301

阅读材料9.1 磁流体发电302

阅读材料9.2 相对论效应不必在高速时显现——浅谈电与磁的相对性304

思考题与习题306

第十章 电磁感应312

10.1 电磁感应定律312

10.1.1 电磁感应现象312

10.1.2 楞次定律313

10.1.3 法拉第电磁感应定律314

10.2 动生电动势和感生电动势316

10.2.1 动生电动势317

10.2.2 感生电动势和感生电场319

10.3 自感与互感323

10.3.1 自感应323

10.3.2 互感应325

10.4 自感磁能和互感磁能327

10.4.1 自感磁能327

10.4.2 互感磁能329

阅读材料10.1 动物的磁感觉331

阅读材料10.2 大肠杆菌的物理学333

阅读材料10.3 核磁共振336

思考题与习题339

第十一章 物质中的电场和磁场344

11.1 电介质、介质中的高斯定理344

11.1.1 电介质的极化344

11.1.2 极化强度和极化电荷密度346

11.1.3 电位移，电介质中的高斯定理347

11.2 磁介质、介质中的安培环路定理350

11.2.1 磁介质和磁化强度矢量350

11.2.2 磁化电流352

11.2.3 磁介质中的安培环路定理353

11.2.4 铁磁质356

11.3 静电场和静磁场的能量357

11.3.1 静电场的能量357

11.3.2 静磁场的能量359

阅读材料11.1 超导体360

阅读材料11.2 科学家介绍——巴丁和库珀轶事366

思考题与习题369

第十二章 电磁场和电磁波372

12.1 麦克斯韦方程组372

12.1.1 位移电流与感生磁场372

12.1.2 麦克斯韦方程组377

12.2 电磁波的产生和传播378

12.3 电磁波的能量和动量379

12.3.1 电磁场的能量密度和能流密度379

12.3.2 电磁波的动量379

12.4 电磁波的辐射381

12.4.1 辐射电磁波的条件381

12.4.2 电偶极辐射和磁偶极辐射381

12.4.3 轫致辐射382

12.4.4 同步辐射383

12.5 电磁波谱384

阅读材料 生命系统的超微弱光子辐射385

思考题与习题387

第四篇 光学391

第十三章 振动与波391

13.1 一维简谐振动391

13.2 阻尼振动、受迫振动与共振395

13.3 简谐振动的合成401

13.3.1 同方向、同频率简谐振动的合成402

13.3.2 同方向、频率相近的简谐振动的合成403

13.3.3 振动的谐波分析405

13.3.4 同频率、振动方向垂直的两个简谐振动的合成408

13.4 机械波的产生和传播410

13.5 波的干涉、驻波422

13.5.1 波的干涉422

13.5.2 驻波424

13.6 多普勒效应427

阅读材料13.1 超声波在医学上的应用430

阅读材料13.2 声音在哪里——人耳如何对声源定位438

思考题与习题441

第十四章 光的衍射与干涉447

14.1 惠更斯-菲涅耳原理447

14.2 单缝夫琅和费衍射455

14.3 圆孔夫琅和费衍射与光学仪器的分辨本领460

14.4 光栅衍射463

14.4.1 主极大的位置与光强467

14.4.2 缺级467

14.4.3 光栅的色散468

14.5 X光衍射469

14.6 薄膜干涉471

14.6.1 等厚与等倾薄膜干涉472

14.6.2 劈尖干涉473

14.6.3 牛顿环474

14.6.4 迈克尔逊干涉仪476

14.6.5 增透膜477

14.7 全息照相479

阅读材料 物种在分子水平上发生变异482

思考题与习题484

第十五章 光的偏振488

15.1 自然光与偏振光488

15.2 反射光的偏振、布儒斯特角491

15.3 晶体的双折射493

15.3.1 光轴在入射面内与晶体表面成一夹角，斜入射495

15.3.2 光轴平行于晶体表面，正入射496

15.3.3 光轴垂直于晶体表面，正入射497

15.4 椭圆偏振光499

15.5 偏振光的干涉503

15.6 旋光性506

阅读材料 光学显微镜的进展508

思考题与习题512

第五篇 近代物理517

第十六章 量子物理基础517

16.1 黑体辐射与普朗克的量子假说517

16.2 德布罗意波521

16.3 薛定谔方程526

阅读材料16.1 单光子534

阅读材料16.2 抓住原子的“机械手”——扫描隧穿显微镜537

阅读材料16.3 微型机器向我们走来541

阅读材料16.4 对单个生物分子的机械操控545

思考题与习题547

第十七章 原子与分子549

17.1 氢原子549

17.2 多电子原子562

17.3 分子结构和分子光谱568

阅读材料17.1 科学家介绍——居里夫人鲜为人知的另一面575

阅读材料17.2 电子的质量是如何确定的577

阅读材料17.3 施特恩与盖拉赫实验和电子自旋579

思考题与习题582

第十八章 激光584

18.1 激光的产生584

18.2 激光的应用592

阅读材料18.1 激光冷却、原子捕陷与玻色-爱因斯坦凝聚594

阅读材料18.2 天文望远镜的进展——激光灯标天文望远镜及哈勃天文望远镜597

阅读材料18.3 适应光学用于眼科602

阅读材料18.4 光速的测定及长度单位——米的新定义604

阅读材料18.5 铯原子钟608

阅读材料18.6 激光唱片放音机中的光学系统及光学存储器610

阅读材料18.7 液面反射望远镜613

第十九章 凝聚态615

19.1 晶体的结构与能带615

19.2 固体的电导622

19.3 准晶体630

19.4 介观体系635

阅读材料19.1 负折射和光子晶体641

阅读材料19.2 碳纳米管和石墨烯646

附表654

附表1 基本物理常量1986年的推荐值654

附表2 保留单位和标准值654

习题答案655

主要参考书目663