新編基礎(chǔ)物理學(xué)（上冊(cè)）（第二版）
定 價(jià)：35 元
叢書(shū)名：普通高等教育“十一五”國(guó)家級(jí)規(guī)劃教材
- 作者：王少杰,顧牡,吳天剛主編
- 出版時(shí)間：2014/7/1
- ISBN：9787030413161
- 出 版 社：科學(xué)出版社
- 中圖法分類(lèi)：O4
- 頁(yè)碼：260
- 紙張：膠版紙
- 版次：2
- 開(kāi)本：16K
新編基礎(chǔ)物理學(xué)．上冊(cè)是普通高等教育“十一五”國(guó)家級(jí)規(guī)劃教材，2009 年被教育部列為普通高等教育精品教材．新編基礎(chǔ)物理學(xué)．上冊(cè)依照教育部最新頒布的大學(xué)物理課程教學(xué)基本要求編寫(xiě)，新編基礎(chǔ)物理學(xué)．上冊(cè)系統(tǒng)闡述了大學(xué)物理學(xué)的基本概念、基本理論和基本方法，并融入作者多年教學(xué)經(jīng)歷所積累的成功經(jīng)驗(yàn)．編寫(xiě)理念上，強(qiáng)調(diào)培養(yǎng)學(xué)生物理思想和物理方法；內(nèi)容選取上，根據(jù)“保證寬度、加強(qiáng)近代、聯(lián)系實(shí)際、涉及前沿”的原則，強(qiáng)調(diào)精煉適當(dāng)；編寫(xiě)風(fēng)格上，力求深入淺出、簡(jiǎn)潔流暢．考慮當(dāng)前學(xué)生學(xué)習(xí)和教師教學(xué)特點(diǎn)，新編基礎(chǔ)物理學(xué)．上冊(cè)配備了習(xí)題分析與解答，學(xué)習(xí)指導(dǎo)與能力訓(xùn)練以及電子教案等資源，以備選用．新編基礎(chǔ)物理學(xué)．上冊(cè)分兩冊(cè)，上冊(cè)包括力學(xué)篇，機(jī)械振動(dòng)、機(jī)械波篇和熱學(xué)篇；下冊(cè)包括電磁學(xué)篇，光學(xué)篇和量子物理基礎(chǔ)篇．值得一提的是，新編基礎(chǔ)物理學(xué)．上冊(cè)在有關(guān)章節(jié)中適當(dāng)引入計(jì)算機(jī)數(shù)字技術(shù)應(yīng)用案例，以引導(dǎo)學(xué)生自主式、研究式學(xué)習(xí)，以期激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣；同時(shí)在新編基礎(chǔ)物理學(xué)．上冊(cè)的每章均設(shè)置二維碼，讓學(xué)生自主掃描獲得動(dòng)畫(huà)、視頻和演示實(shí)驗(yàn)等資料，從而拓展大學(xué)物理的教學(xué)內(nèi)容，培養(yǎng)學(xué)生探索精神和創(chuàng)新意識(shí)．
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第1章 力學(xué)
自然界中一切物質(zhì)都在永不停息地運(yùn)動(dòng)著，這是所有物質(zhì)的一個(gè)共同特征，而運(yùn)動(dòng)的形式多種
多樣，如機(jī)械運(yùn)動(dòng)、分子熱運(yùn)動(dòng)、電磁運(yùn)動(dòng)、原子和原子核運(yùn)動(dòng)以及其他微觀粒子的運(yùn)動(dòng)等，但其 中最簡(jiǎn)單、最基本而又最常見(jiàn)的運(yùn)動(dòng)形式是機(jī)械運(yùn)動(dòng)．所謂機(jī)械運(yùn)動(dòng) (mechAnicAl motion) 是指，物 體相對(duì)于其他物體的位置 ( 距離和方向 ) 的變化以及物體各部分之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng) ( 如形變 )．在物理 學(xué)中，專(zhuān)門(mén)研究物體的機(jī)械運(yùn)動(dòng)及其規(guī)律的學(xué)科分支就是力學(xué) (mechAnics)．
力學(xué)的歷史悠久，是人類(lèi)最早建立的學(xué)科之一．英國(guó)物理學(xué)家牛頓 (IsAAc Newton，1642~1727) 總結(jié)、分析了亞里士多德、伽利略、開(kāi)普勒、笛卡兒和惠更斯等的實(shí)驗(yàn)和理論后，于 1687 年發(fā)表 了《自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理》一書(shū)，提出了著名的運(yùn)動(dòng)三定律和萬(wàn)有引力定律，從而奠定了經(jīng)典力學(xué) 的基礎(chǔ)．至此，力學(xué)進(jìn)入了所謂的牛頓力學(xué)時(shí)代，這是力學(xué)發(fā)展史上的一個(gè)重要里程碑．此后，牛 頓建立的力學(xué)體系又經(jīng)過(guò)伯努利、拉格朗日和達(dá)朗貝爾等的推廣和完善，形成了系統(tǒng)的理論，取得 了廣泛的應(yīng)用并發(fā)展出了流體力學(xué)、彈性力學(xué)和分析力學(xué)等分支．隨著科技的發(fā)展，到了 20 世紀(jì)初， 相繼建立了研究物體在高速運(yùn)動(dòng)時(shí)規(guī)律的相對(duì)論力學(xué)和研究微觀客體運(yùn)動(dòng)規(guī)律的量子力學(xué)，使牛頓 力學(xué)得以進(jìn)一步擴(kuò)展和修正．近代物理學(xué)的研究揭示了經(jīng)典力學(xué)只適用于宏觀低速的情況，盡管如 此，經(jīng)典力學(xué)仍然能在相當(dāng)廣闊的尺度和速率范圍內(nèi)使用．在自然科學(xué)和工程技術(shù)領(lǐng)域，牛頓力學(xué) 仍然能夠較精確地解決許多理論和實(shí)際問(wèn)題．
力學(xué)的研究?jī)?nèi)容是力與物體運(yùn)動(dòng)的關(guān)系．通常我們把力學(xué)分成運(yùn)動(dòng)學(xué) (kinemAtics)、動(dòng)力學(xué)
(dynAmics) 和狹義相對(duì)論 (speciAl relAtivity) 三部分．運(yùn)動(dòng)學(xué)研究的是物體在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中位置和時(shí)間 的關(guān)系，不追究運(yùn)動(dòng)發(fā)生的原因；而動(dòng)力學(xué)研究的是物體的運(yùn)動(dòng)與物體間相互作用的內(nèi)在聯(lián)系和規(guī) 律；狹義相對(duì)論主要介紹相對(duì)論時(shí)空觀、運(yùn)動(dòng)學(xué)基本問(wèn)題和狹義相對(duì)論質(zhì)點(diǎn)動(dòng)力學(xué)的初步知識(shí)，從 而使讀者盡早感受到經(jīng)典物理和近代物理的適當(dāng)融合，以拓展視野．
力學(xué)是物理學(xué)的起點(diǎn)，也是整個(gè)物理學(xué)的“基石”，因此，掌握力學(xué)對(duì)學(xué)好物理學(xué)的其他部分 是極其重要的．
第1 章 質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)學(xué)
點(diǎn)運(yùn)動(dòng)學(xué)的任務(wù)是研究和描述做機(jī)械運(yùn)動(dòng)的物體在空
間的位置隨時(shí)間變化的關(guān)系，并不追究運(yùn)動(dòng)發(fā)生的原 因 . 本章在引入?yún)⒖枷�、坐�?biāo)系、質(zhì)點(diǎn)等概念的基礎(chǔ)上，定 義描述質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)的物理量，如位置矢量、位移、速度和加速 度等，進(jìn)而討論這些量隨時(shí)間的變化以及相互關(guān)系，然后討 論曲線運(yùn)動(dòng)中的切向加速度和法向加速度，最后將介紹相對(duì) 運(yùn)動(dòng) .
1.1 參考系 時(shí)間和空間的測(cè)量
1.1.1 參考系 坐標(biāo)系
自然界中所有的物體都在不停地運(yùn)動(dòng)著，絕對(duì)靜止的物體是沒(méi)有的， 這就是運(yùn)動(dòng)的絕對(duì)性．同時(shí)，運(yùn)動(dòng)還具有相對(duì)性．描述一個(gè)物體的運(yùn)動(dòng) 時(shí)，首先要選定某一物體作為參考物體，選定的參考物體不同，運(yùn)動(dòng)的描 述也就可能不同，這種被選作參考的物體稱(chēng)為參考物．與參考物固連的空 間稱(chēng)為參考空間．而參考空間和與之固連的時(shí)間組合稱(chēng)為參考系 (reference system)．但習(xí)慣上，常把參考物簡(jiǎn)稱(chēng)為參考系，并不特別指出與之相連的 參考空間和鐘．參考系選定后，為了定量地描述物體相對(duì)于參考系的位置， 還必須在參考系上建立適當(dāng)?shù)淖鴺?biāo)系 (coordinAte system)．因此，坐標(biāo)系 是參考系的數(shù)學(xué)表示．盡管坐標(biāo)系的選取是完全任意的，然而一旦選定坐 標(biāo)系，物體運(yùn)動(dòng)的描述便隨之確定．常用的坐標(biāo)系有直角坐標(biāo)系 ( 又稱(chēng)笛 卡兒坐標(biāo)系 )、平面極坐標(biāo)系、球坐標(biāo)系和柱坐標(biāo)系等．今后若不特別指 明，我們均采用直角坐標(biāo)系．需要說(shuō)明的是，物體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)與選擇的參 考系密切相關(guān) ( 運(yùn)動(dòng)是相對(duì)的 )，而與選取何種類(lèi)型的坐標(biāo)系無(wú)關(guān)．同時(shí) 必須注意，求解運(yùn)動(dòng)學(xué)問(wèn)題時(shí)，需將各類(lèi)物理量變換到同一參考系中分析 求解．
通常按慣例約定：若不明確指出選用什么物體為參考系，就是選取 地面為參考系．
1.1.2 時(shí)間的測(cè)量
描寫(xiě)物體的運(yùn)動(dòng)，要用到時(shí)間 (time) 和空間 (spAce) 這兩個(gè)概念．雖 然在生活中我們對(duì)時(shí)間和空間已經(jīng)比較熟悉，但是要問(wèn)你什么是時(shí)間、 什么是空間，卻又不容易找到恰當(dāng)?shù)拇鸢福^時(shí)間，是用以表述事件 之間的先后順序性和持續(xù)性 ；空間是用以表述事物相互之間的位置和廣 延性．盡管對(duì)時(shí)間和空間沒(méi)有滿(mǎn)意的“嚴(yán)格”的理論定義，但這并不影 響二者在物理學(xué)中的使用．因?yàn)�，物理學(xué)是一門(mén)基于實(shí)驗(yàn)的科學(xué)，首要 應(yīng)考慮的問(wèn)題不是它們的定義，而是了解它們是怎樣度量的．
一切周期運(yùn)動(dòng)都可以用來(lái)度量時(shí)間．太陽(yáng)的升起和降落表示天 ( 日 )， 四季的循環(huán)表示年，月亮的盈虧是農(nóng)歷的月，這些均已為我們所熟悉，因 而年、月、日一直是世界各民族計(jì)量時(shí)間的單位和標(biāo)準(zhǔn)．為了更精細(xì)地量 度時(shí)間，我國(guó)古代將 1 日分為 12 個(gè)時(shí)辰，1 個(gè)時(shí)辰又分為 4 刻；近代將 1 日分為 24 個(gè)小時(shí)，1 小時(shí)分為 60 分鐘，1 分鐘分為 60 秒．
目前，國(guó)際通用的時(shí)間單位是秒 (s)．1967 年 10 月在第十三屆國(guó)際度
量衡會(huì)議上決定采用原子的躍遷輻射作為計(jì)時(shí)標(biāo)準(zhǔn)，規(guī)定 1 秒為位于海平
面上的 133Cs 原子的基態(tài)的兩個(gè)超精細(xì)能級(jí)在零磁場(chǎng)中躍遷輻射的周期 T 的
9 192 631 770 倍．此時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)稱(chēng)為原子時(shí)． 在 自 然 界 中， 任 何 現(xiàn) 象 都 有 一 個(gè) 時(shí) 間 尺 度． 如 宇 宙 的 年 齡 大 約
是 6×1017 s，即 200 億年；地球自轉(zhuǎn)一周約為 8.64×104 s；μ 子的壽命是
2×10-6 s；一個(gè)分子里的一個(gè)原子完成一次典型的振動(dòng)需要 10-14 ～ 10-13 s. 目前，物理學(xué)中涉及的最長(zhǎng)的時(shí)間是 1038 s，它是質(zhì)子壽命的下限；涉及 的最小的時(shí)間是 10-43 s，稱(chēng)為普朗克時(shí)間．普朗克時(shí)間被認(rèn)為是最小的 時(shí)間，比普朗克時(shí)間還要小的范圍內(nèi)，時(shí)間的概念可能就不再適用了．
在物體的運(yùn)動(dòng)描述中，通常我們把某一瞬時(shí)稱(chēng)為時(shí)刻，用 t 表示．選 定的計(jì)時(shí)起點(diǎn)為 t = 0 時(shí)刻，同時(shí)把兩個(gè)時(shí)刻間的一段時(shí)間 Δt = t2-t1 稱(chēng) 為時(shí)間間隔，簡(jiǎn)稱(chēng)為時(shí)間．顯然，時(shí)刻與物體的某一空間位置相對(duì)應(yīng)， 時(shí)間與物體運(yùn)動(dòng)的空間位移相對(duì)應(yīng)．
1.1.3 長(zhǎng)度的測(cè)量
長(zhǎng)度 (length) 是空間的一個(gè)基本性質(zhì)．對(duì)于長(zhǎng)度的測(cè)量，在古代常常 以人體的某部分作為單位和標(biāo)準(zhǔn)，這顯然不能取作統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)．以客觀存 在的不變事物作為長(zhǎng)度的標(biāo)準(zhǔn)是一種必然的趨勢(shì)．目前國(guó)際通用的長(zhǎng)度單 位是米 (m)．1960 年以前，用鉑銥米尺作為標(biāo)準(zhǔn)尺，規(guī)定米的大�。�1960 年以后，改用光的波長(zhǎng)作為標(biāo)準(zhǔn)．在第十一屆國(guó)際計(jì)量大會(huì)上規(guī)定 1 米等
于 86Kr 原子 2p
和 5d5
能級(jí)之間躍遷時(shí)所對(duì)應(yīng)的輻射在真空中的波長(zhǎng)的
1 650 763.73 倍．1983 年，第十七屆國(guó)際計(jì)量大會(huì)上又通過(guò)了米的新定義：
米是光在真空中經(jīng)歷 1/299 792 458 s 的時(shí)間間隔內(nèi)所傳播的路程長(zhǎng)度． 按這種新的定義，光速是一個(gè)固定的常數(shù)，從而將長(zhǎng)度標(biāo)準(zhǔn)和時(shí)間標(biāo)準(zhǔn) 統(tǒng)一了起來(lái)，并使長(zhǎng)度計(jì)量的精度提高到與時(shí)間計(jì)量相同的精度．
目前，物理學(xué)中涉及的最大長(zhǎng)度是 1028 m，它是宇宙曲率半徑的下限； 已達(dá)到的最小長(zhǎng)度為 10-20 m，它是弱電統(tǒng)一的特征尺度．普朗克長(zhǎng)度約 為 10-35 m，被認(rèn)為是最小的長(zhǎng)度，意思是說(shuō)，在比普朗克長(zhǎng)度更小的范 圍內(nèi)，長(zhǎng)度的概念可能就不再適用了．
1.2 質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)的矢量描述
1.2.1 質(zhì)點(diǎn)
牛頓力學(xué)中的運(yùn)動(dòng)學(xué)，就是研究如何描述物體位置隨時(shí)間的變化， 我 們 首 先 討 論 一 種 被 稱(chēng) 為 質(zhì) 點(diǎn) (mAss point，pArticle) 的 物 體， 即 具 有 質(zhì)量而大小為幾何點(diǎn)的物體．我們知道，任何實(shí)際物體都有一定的大 小、 形 狀和內(nèi)部結(jié)構(gòu)，沒(méi)有任何一個(gè)真實(shí)物體與質(zhì)點(diǎn)等價(jià)．但是，當(dāng)
我們僅考察物體的整體運(yùn)動(dòng)，物體本身的大小比所考察運(yùn)動(dòng)的線度又
小得多時(shí)，就可以不計(jì)物體各部分運(yùn)動(dòng)情況的差別而將它抽象為一個(gè) 質(zhì)點(diǎn)．
質(zhì)點(diǎn)是一種理想的力學(xué)模型，它突出了物體具有質(zhì)量和占有空間位置 這兩個(gè)主要因素，而忽略了形狀、大小及內(nèi)部運(yùn)動(dòng)等次要因素．在物理上， 這種突出研究對(duì)象的主要特征而忽略其次要特征的理想模型是常用的，如 剛體、點(diǎn)電荷、理想氣體、理想流體等．
1.2.2 位矢 運(yùn)動(dòng)方程和軌跡方程
圖 1 1 位置矢量
設(shè)質(zhì)點(diǎn)做曲線運(yùn)動(dòng)，在坐標(biāo)系建立以后，物體的運(yùn)動(dòng)情況便可以進(jìn)
行定量描述．如圖 1-1 所示，設(shè)某時(shí)刻質(zhì)點(diǎn)在 P 點(diǎn)，在中學(xué)里我們已經(jīng) 學(xué)過(guò) P 點(diǎn)的位置可以用直角坐標(biāo) (x，y，z) 來(lái)確定，現(xiàn)在我們將學(xué)習(xí)確定 質(zhì)點(diǎn)位置的另一種方法——位置矢量法．定義 P 點(diǎn)的位置矢量 (position
vector) r 的大小為有向線段 OP 的長(zhǎng)度，而方向是從原點(diǎn) O 指向 P，位置 矢量又簡(jiǎn)稱(chēng)為位矢或徑矢 (rAdius vector)．用這樣一個(gè)矢量 r 就完全確定 了該時(shí)刻質(zhì)點(diǎn)的位置．于是位置矢量 r 的矢端在直角坐標(biāo)系三個(gè)坐標(biāo)軸 上的坐標(biāo)就是 xP，yP，zP，于是 r 可以寫(xiě)為
r = x i + y j + z k (1-1)
P P P
式中，i，j，k 分別為 x，y，z 軸上的單位矢量．
當(dāng)質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)，它相對(duì)于坐標(biāo)原點(diǎn) O 的位矢 r 是隨時(shí)間變化的，因此，
r 是時(shí)間 t 的函數(shù)，即
r = r(t) = x(t)i + y(t)j + z(t)k (1-2)
或
x = x (t)
*y = y (t)
z = z (t)
這就是質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)學(xué)方程 (kinemAticAl equAtion)；而 x(t)，y(t) 和 z(t)
則是運(yùn)動(dòng)方程的分量式，從中消去參數(shù) t 便可得到質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)的軌跡方程或
軌道方程．若軌跡為直線，則稱(chēng)質(zhì)點(diǎn)做直線運(yùn)動(dòng)，若軌跡為曲線則稱(chēng)質(zhì) 點(diǎn)做曲線運(yùn)動(dòng)．
位矢的大小、方向分別為
r = r = x2 + y2 + z2
(1-3)
cosα =
x ， cosβ =
y ， cosγ = z
(1-4)
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