本書根據(jù)編者多年教學經(jīng)驗,結(jié)合物理學的最新發(fā)展編寫而成,主要內(nèi)容包括: 物體的運動與時空觀、牛頓運動定律與剛體定軸轉(zhuǎn)動定律、功與能、動量與角動量、狹義相對論動力學、機械振動、機械波、氣體動理論、熱力學基礎(chǔ)、靜止電荷的電場、恒定電流的磁場、電磁感應與電磁波、波動光學、量子力學基礎(chǔ)、量子力學應用、粒子物理學及宇宙學簡介,共16章。 本書的內(nèi)容緊緊圍繞大學物理課程的基本要求,難度適中,物理概念清晰,論述深入淺出,同時引入了大量生活及生產(chǎn)的應用實例。書中還加入了若干計算機程序解題的例子,方便讀者學習。
當今世界,由于物理學及信息科學不斷取得令人欣喜的突破,信息、能源、材料、醫(yī)藥、環(huán)保等領(lǐng)域突飛猛進,新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革浪潮席卷而來。為順應這一潮流,需要千千萬萬基礎(chǔ)扎實、視野開闊的高素質(zhì)人才,特別是具有創(chuàng)新精神的理工科人才大軍,才能把我們的社會帶入智能生產(chǎn)、綠色生活的新時代,把我們的國家建設(shè)成為創(chuàng)新型國家。
面對時代的要求,作為理工科各專業(yè)重要基礎(chǔ)課的大學物理,在人才培養(yǎng)方面必須有所作為。為此,我們在高等教育出版社物理分社的建議下,力圖編寫一本體系新穎、內(nèi)容豐富、適應時代要求的新教材,供廣大理工科學生選用,充分體現(xiàn)“努力實現(xiàn)學生知識、能力、素質(zhì)的協(xié)調(diào)發(fā)展”[摘自《理工科類大學物理課程教學基本要求》(2010年版)]。
基于上述考慮,本教材著力精選和安排了適量的必修內(nèi)容,使得學時數(shù)不很多的學校能夠在有限的時間內(nèi)完成那些最基本、最精彩的物理內(nèi)容和物理思想的教學。同時,我們努力做到理論聯(lián)系實際,引入大量生活及生產(chǎn)的應用實例,將近代物理和科學技術(shù)發(fā)展的最新成就極大限度地引入傳統(tǒng)的教學內(nèi)容中,拓展學生的思路,極大地激發(fā)學生學習物理學的興趣。概括地說,本教材在如下方面作了新的嘗試。
。1)每章開頭插入1~2幅圖片和簡略的導入語,有歷史的回顧、當今的成就、未來的展望等,簡明扼要地體現(xiàn)物理學對人類文明發(fā)展的卓越貢獻,以此引導學生關(guān)注重點內(nèi)容,有利于引起學生對這一章的學習興趣。
。2)在內(nèi)容的安排上作了精心地設(shè)計,努力探索與實踐長期以來提倡“保證經(jīng)典,加強現(xiàn)代”的教學理念。例如,力學部分在體系上作了較大的變動,將質(zhì)點與剛體交織處理,將相對論力學與經(jīng)典力學結(jié)合講解,這就加強了學生對力學模型的認識,及早地引導學生進入近代物理領(lǐng)域,樹立起相對論時空觀,消除他們對大學物理與中學物理的重復感。又如在熱力學一章加強了熱力學第二定律的論述,特別是從微觀的角度著力介紹了玻耳茲曼熵的定義,有利于學生在更廣泛的基礎(chǔ)上理解熱力學第二定律和熵的意義。在量子理論的應用方面也加入了許多新內(nèi)容,具有前瞻性的引導意義。
。3)在所引入的大量與生活密切相關(guān)的應用實例中,有相當一部分是過去國內(nèi)傳統(tǒng)教材中沒有涉及的。例如在力學和光學中以不同角度介紹了目前大量使用的光盤及液晶顯示的工作原理;講絕熱過程時,提到絕熱膨脹解釋霧霾天形成的機理;在電磁學中以一簡單的電磁力例子驗證了相對論的有關(guān)結(jié)論;在講熱輻射時以人體皮膚表面熱輻射為例,計算輻射波長和凈輻射功率,并把它與食入能量作了比較,使原本比較抽象的內(nèi)容更貼近生活實際……這樣的例子分布在教材正文、例題和習題中,多達近百個,在理論聯(lián)系實際上有所前進,大大提升了本教材的可讀性。
。4)引入了大量近年來物理學新成就,如2013年諾貝爾物理學獎的“上帝粒子”,2014年諾貝爾物理學獎的藍光LED,相對論在GPS上的應用,量子計算機,量子生物學等。另外,在本教材的最后一章還簡要介紹了粒子物理學和天體物理學。這些內(nèi)容不僅拉近了基礎(chǔ)物理與前沿的距離,而且有助于開闊學生的視野,是增強學生學習物理學興趣的又一舉措。
(5)雖然本教材并沒有在數(shù)學計算上下太多的工夫,但為了幫助那些對計算機應用有興趣的學生,本教材列舉了若干利用計算機程序解題的例子,并在書后附錄中給出了相應的MATLAB程序;在每章的習題中也增加了少量計算機程序解題的題目,學生可以通過網(wǎng)絡(luò)查看它們的參考程序。將計算機數(shù)值計算方法引入課程教學有助于學生學習興趣和綜合素質(zhì)的培養(yǎng),但作為基礎(chǔ)性課程,教學中完全可以根據(jù)實際情況加以舍取,不作要求。
縱觀本教材,我們在力求做到表述簡潔的同時,涵蓋了大學物理基本要求95010的A類內(nèi)容,并涉及了14個B類內(nèi)容,在體系上有較大的變動,遴選了一批頗有新意的例題,列舉了大量應用實例和前沿成就。這是一項探索性的工作,是否成功敬請讀者評述,不當之處也敬請批評指正。
在本書的編寫過程中,我們參閱了大量國內(nèi)外教材及相關(guān)文獻資料,借鑒了一些插圖、例題和習題,在此謹向相關(guān)作者表示由衷的感謝。同時,我們還要感謝高等教育出版社物理分社高建分社長和程福平編輯對本書的出版給予的大力支持和幫助。
緒論
一、科學技術(shù)——從學習物理開始
二、學習物理學——從觀察與實驗開始
三、學習物理學的研究方法——建模
四、理解物理學的理論
第一章 物體的運動與時空觀
1-1 運動的參考系與運動物體的模型
一、參考系和坐標系
二、運動物體的模型
1-2 質(zhì)點運動的描述
一、位置矢量與運動學方程
二、位移
三、速度
四、加速度
1-3 質(zhì)點的圓周運動切向加速度與法向加速度
一、變速圓周運動
二、圓周運動的角量描述
1-4 剛體運動的描述
1-5 相對運動 伽利略變換
一、相對運動
二、伽利略坐標變換式
三、速度和加速度的變換
四、伽利略相對性原理
1-6 洛倫茲變換及狹義相對論的時空觀
一、狹義相對論基本原理 洛倫茲坐標變換式
二、狹義相對論的速度變換
三、狹義相對論的時空觀
四、相對論效應對GPS的影響
習題
第二章 牛頓運動定律與剛體定軸轉(zhuǎn)動定律
2-1 牛頓運動定律
一、牛頓運動定律
二、力學中的常見力
三、牛頓運動定律應用舉例
四、剛體的平動
2-2 非慣性系與慣性力
一、非慣性系
二、慣性力
2-3 剛體的定軸轉(zhuǎn)動 轉(zhuǎn)動慣量
一、力矩
二、剛體定軸轉(zhuǎn)動定律
三、轉(zhuǎn)動慣量的計算
習題
第三章 功與能
3-1 功 動能 功能原理
一、功的概念
二、質(zhì)點的動能定理
三、剛體定軸轉(zhuǎn)動的功能關(guān)系
3-2 保守力 勢能
一、保守力與非保守力
二、保守力做功與勢能
3-3 機械能守恒定律
習題
第四章 動量與角動量
4-1 動量守恒定律
一、動量定理
二、動量守恒定律
4-2 火箭飛行原理
4-3 碰撞
……
第五章 相對論動力學
第六章 機械振動
第七章 機械波
第八章 氣體動理論
第九章 熱力學基礎(chǔ)
第十章 靜止電荷的電場
第十一章 恒定電流的磁場
第十二章 電磁感應與電磁波
第十三章 波動光學
第十四章 量子力學基礎(chǔ)
第十五章 量子力學應用
第十六章 粒子物理學與宇宙學簡介
附錄:MATLAB程序
部分習題參考答案
參考書目