本书是在总结多年省级优秀精品课程教学经验的基础上，结合工科物理教学内容和课程体系改革的实践，吸取了近年来国内外出版的物理教材的优点及兄弟院校的宝贵经验，为适宜不同地区、不同专业的高职类大学物理课程教学和自学而编写的。全书以物理学的基本概念、定律和方法为核心，在保证物理学知识体系完整的同时，重点突出基础理论，重视以物理学的思想和方法来分析问题、解决问题的综合能力的培养和训练。知识体系力争由浅入深，适当控制难度，避开那些复杂、繁琐的数学推导，注重物理基础知识和原理在工程技术中的实践应用，理论联系实践，既激发了学习的兴趣，又丰富了知识面，提高了读者的综合素质。

全书共分六篇，预篇物理学导论，介绍物理学中的单位制和量纲，必备的数学基础知识；第一篇力学；第二篇机械振动和机械波；第三篇热学；第四篇电磁学；第五篇波动光学；第六篇近代物理基础知识。各章后备有加强基础知识巩固的习题及相应物理学原理在工程技术中的实践应用的实例介绍。本书可作为高职类不同专业、大专及成人教育相应专业的大学物理课程教学的教材和自学用书。

　　

前    言

　　

　　在20世纪，物理学的基本概念和技术已被应用到所有的自然科学领域。物理学与其他自然科学学科之间的边缘领域，一定意义上是当代自然科学中最有可能获得丰硕成果的领域。

　　20世纪以来，随着近代物理学的迅猛发展，陆续发展了近代原子分子物理学、原子核物理学与核技术、原子核能的利用、激光物理和激光技术、半导体物理和器件、固体组件、超导电物理与技术、光电子学技术、X射线技术、粒子物理等，以此又推动了计算机科学技术和信息与通信科学技术的发展，并且形成了各种有关的新科学技术产业。激光物理学的发展是在信息、能源、交通、环境等技术部门广泛应用的现代激光技术发展的基础，低温物理学的发展是在材料、信息、能源等技术部门获得广泛应用的现代超导技术发展的基础。它们大大推动了现代社会的发展。

　　20世纪的历程表明：物理学是技术进步的主要源泉，物理学是自然科学和工程技术科学的基础，是现代高新技术的基础。它所阐述的物理学基本原理和基本知识、基本思想、基本规律和基本方法，不仅是学生学习后续专业课的基础，也是全面提高学生科学素质、科学思维方法和科学研究能力的重要内容。进入21世纪，我国的高等教育已从“精英教育”逐步走向大众教育，走向普及，为适应新形式下科学技术的发展对人才培养的新要求，高等教育强化基础教育课程。另外，随着科学技术的发展，学科之间的交叉与结合尤为突出，物理学正进一步与生物学、化学、材料科学、医学等学科领域发展与结合，因此良好的物理基础是学好其他自然科学与工程技术科学的基本保障。物理学教育对于提高大学生科学素质的作用是任何其他学科都无法取代和比拟的。大学物理课程是理工类、高职机电类各专业的必修公共基础课，在培养学生辩证唯物主义世界观、科学的时空观等方面起着重要的作用。 

　　本书在保证大学物理课程体系的完整性、科学性、系统性的条件下，以“加强基础、提高能力、理论联系实际”为原则，注重陈述物理学的基本知识、基本概念、基本定律和原理，突出物理学知识结构体系的完美。在介绍经典物理和近代物理基础知识的同时，加强物理原理与现代科学技术相联系的知识及在工程技术中的应用实践，以适应高职类院校对大学物理课程的教学需要，培养基础扎实、具有创新能力的工程技术人才的需要。本书的主要特点概述如下：

　　(1) 参照教育部非物理类专业基础课程教学指导委员会制定的要求，结合高职类专业特点，精选了内容，总结我们大学物理省级精品课程的分层次(理、工、农、医、专)教学的经验，密切注意与中学物理知识的衔接，适度把握知识的难度，尽量避开复杂、繁琐的数学推导，注重利用物理基本原理解决工程技术中的实际问题的能力培养。

　　(2) 教材中物理概念的阐述，定理、定律的表述简洁、准确，逻辑思维严谨，文字流畅，易读、易学、易懂，在物理学导论中增加了必备的数学基础知识。

　　(3) 教材贯穿了理论联系实际的原则，增加了一些物理基础知识和原理在工程技术中的实践应用实例的介绍，以阅读材料的形式编辑，丰富读者的知识面，提高应用理论知识解决实际问题的能力，培养创新能力。

　　(4) 本书精选了例题和习题，习题难度适宜。例题的分析解答注重引导培养学生的科学思维方法和分析问题、解决问题的能力，有助于提高学生独立获取知识的能力，培养他们的科学素质。 

　　编者感谢长江大学物理科学与技术学院的大学物理精品课程组杨长铭等全体老师的倾力支持和帮助，感谢清华大学出版社的大力帮助和相关人员的辛勤劳动。

　　由于编者学识和教学经验有限，编写时间紧促，书中难免存在不当和疏漏之处，恳请各位读者批评指正。

　　

　　

　　

　　编  者

II

大学物理

　　

III

　　

　　

　　

　　

　　

　　

　　

　　

　　

目    录

第0章  物理学导论 1

0.1  物理学及发展概况 1

0.1.1  物理学的研究对象 1

0.1.2  物理学的地位和作用 1

0.1.3  21世纪物理学发展趋势 2

0.1.4  学习物理学的意义 4

0.2  单位制和量纲 5

0.3  矢量和标量简介 6

0.3.1  矢量和标量 6

0.3.2  矢量的运算 7

第一篇  力  学

第1章  质点运动学 10

1.1  物理模型  参考系 10

1.1.1  质点 11

1.1.2  刚体 11

1.2  运动的描述 11

1.2.1  位置矢量 11

1.2.2  运动方程 12

1.2.3  位移  速度  加速度 12

1.3  平面曲线运动 17

1.3.1  切向加速度和法向加速度 17

1.3.2  圆周运动  角量 20

1.3.3  线量与角量的关系 21

1.4  相对运动 22

习题1 24

第2章  质点动力学 27

2.1  牛顿运动定律 27

2.1.1  牛顿第一定律 27

2.1.2  牛顿第二定律 27

2.1.3  牛顿第三定律 28

2.2  力学中几种常见的力 28

2.2.1  万有引力 28

2.2.2   弹性力 29

2.2.3  摩擦力 30

2.3  牛顿定律的应用举例 30

习题2 33

第3章  动量守恒与能量守恒定律 37

3.1  动量与冲量 37

3.2　功 43

3.3　动能定理 45

3.4  保守力  势能 46

3.4.1  保守力做功 46

3.4.2  势能 48

3.5　机械能守恒定律  能量守恒与

转换定律 49

习题3 52

第4章  刚体的定轴转动 57

4.1  刚体的运动 57

4.1.1  刚体的运动 57

4.1.2  描述刚体转动的角物理量 58

4.2  刚体绕定轴的转动定律 60

4.3  刚体的动能和势能 68

4.4  刚体的角动量  角动量守恒定律 69

习题4 74

第二篇  振动和波

第5章  机械振动 78

5.1  简谐振动及描述 78

5.1.1  简谐振动的基本特征 78

5.1.2  描述简谐振动的特征量  周期、振幅、相位 79

5.1.3  单摆 82

5.1.4  旋转矢量法 83

5.2  简谐运动的能量 85

* 5.3  简谐运动的合成 87

*5.4   阻尼振动  受迫振动  共振 90

5.4.1  阻尼振动 90

5.4.2  受迫振动 92

5.4.3  共振 92

习题5 93

第6章  机械波 96

6.1  机械波的形成和传播 96

6.1.1  机械波的产生和传播 96

6.1.2  波动的描述 97

6.1.3  物体的弹性和波速 98

6.2  平面简谐波的波动方程 98

6.2.1  平面简谐波的波函数 98

6.2.2  波函数的物理意义 100

6.3  惠更斯原理  波的叠加 102

6.3.1  惠更斯原理 102

6.3.2  波的叠加原理  波的干涉 103

6.4  驻波 105

6.4.1  驻波的产生 105

6.4.2  驻波的波函数 106

6.4.3  相位跃变  半波损失 107

6.4.4  驻波的能量 107

6.4.5  振动的简正模式 107

6.5  多普勒效应 108

习题6 111

第三篇  热  学

第7章  气体动理论基础 113

7.1  平衡态  理想气体状态方程 113

7.1.1  分子热运动  热力学系统 113

7.1.2  平衡态  状态参量 113

7.1.3  理想气体的物态方程 114

7.2  理想气体的压强公式 116

7.2.1  理想气体的分子模型 116

7.2.2  理想气体的压强公式 116

7.3  温度的微观本质 117

7.4  能量均分定理  理想气体的内能 119

7.4.1  分子的自由度 119

7.4.2  能量均分定理 120

7.4.3  理想气体的内能 120

* 7.5  麦克斯韦气体分子速率

  分布定律 121

7.5.1  分子运动的图景 121

7.5.2  麦克斯韦速率分布律 122

习题7 126

第8章  热力学基础 128

8.1  内能  功和热量  准静态过程 128

8.1.1  准静态过程 128

8.1.2  准静态过程的功 128

8.1.3  准静态过程中热量的计算 129

8.1.4  内能 130

8.2  热力学第一定律 130

8.3  热力学第一定律在理想气体等值

过程中的应用 130

8.3.1  等体过程 131

8.3.2  等压过程 132

8.3.3  等温过程 133

8.4  绝热过程 134

8.5  循环过程  卡诺循环 136

8.5.1  循环过程 136

8.5.2  热机及正循环 137

8.5.3  制冷机及逆循环 137

8.5.4  卡诺循环 138

8.6  热力学第二定律  卡诺定理 140

8.6.1  可逆过程与不可逆过程 140

8.6.2  热力学第二定律 141

8.6.3  卡诺定理 142

习题8 142

第四篇  电 磁 学

第9章  真空中的静电场 146

9.1  电荷的基本性质 146

9.1.1  电荷的种类 146

9.1.2  电荷的量子性 147

9.1.3  电荷守恒定律 147

9.1.4  电荷的相对论不变性 147

9.2　库仑定律 147

9.2.1  库仑定律的表述 148

9.2.2  电场力的叠加原理 149

9.3　电场　电场强度 149

9.3.1  静电场 149

9.3.2  电场强度及叠加原理 150

9.3.3  电偶极子的电场强度 152

9.4  电通量  高斯定理 158

9.4.1  电场线 158

9.4.2  电通量 159

9.4.3  高斯定理(Gauss theorem) 160

9.4.4   高斯定理的应用 162

9.5  静电场的环路定理 165

9.5.1  静电力做功 165

9.5.2  静电场的环流定理 166

9.6  电势能  电势 166

9.6.1  电势能 166

9.6.2  电势 167

9.6.3  电势差 168

9.6.4  电势的计算 168

*9.7  电场强度与电势的关系　等势面 171

9.7.1  等势面(电势图示法) 171

9.7.2  电势梯度 171

习题9 174

第10章  静电场中的导体与电介质 179

10.1  静电场中的导体 179

10.1.1  导体的静电感应  静电

平衡 179

10.1.2  静电平衡时导体上电荷的

分布 180

10.1.3  导体表面电场强度与

电荷面密度的关系 181

10.1.4  孤立导体表面的电荷

分布 181

10.1.5  静电屏蔽 182

10.1.6  有导体存在时静电场的

分布及计算 183

*10.2  静电场中的电介质 185

10.2.1  电介质及其极化 185

10.2.2  电极化强度矢量 187

10.2.3  电介质中的电场强度  

极化电荷与自由电荷的

关系 187

10.2.4  电介质的击穿 188

10.3  电容  电容器 189

10.3.1  孤立导体的电容 189

10.3.2  电容器 189

10.3.3  电容器的连接 192

10.4  静电场的能量 194

10.4.1　电容器储存的电能 194

10.4.2  静电场的能量　能量

密度 195

习题10 196

第11章  恒定电流的磁场 199

11.1  恒定电流 199

11.1.1  电流  电流密度 199

11.1.2  电阻定律  欧姆定律的

微分形式 202

11.1.3  稳恒电场的建立 204

11.2  恒定电流的磁场  毕奥-萨伐尔

 定律 206

11.2.1  磁的基本现象 206

11.2.2  磁场  磁感应强度 206

11.2.3  毕奥-萨伐尔定律 207

11.2.4  载流线圈的磁矩 210

11.2.5  运动电荷的磁场 210

11.3　磁场的高斯定理 212

11.3.1  磁通量 212

11.3.2  磁场的高斯定理 212

11.4  磁场的安培环路定理 213

11.4.1  安培环路定理 213

11.4.2  安培环路定理的应用

举例 215

11.5  带电粒子在磁场中的运动 216

11.5.1  带电粒子在电场和磁场中

所受的力 216

11.5.2  带电粒子在磁场中的

运动 217

11.6  磁场对载流线圈的作用 218

11.6.1  磁场对电流的作用 218

11.6.2  两无限长平行载流直导线

间的相互作用  电流单位

“安培”的定义 219

11.6.3  磁场对载流线圈的作用 220

11.7  物质的磁性 221

11.7.1  磁介质的磁化  磁化

强度 221

11.7.2  磁介质中的安培环路

定理 223

11.7.3  铁磁质 224

习题11 226

第12章  电磁感应  电磁波 231

12.1  电磁感应现象  法拉第

 电磁感应定律 231

12.1.1  电磁感应现象 231

12.1.2  法拉第电磁感应定律 231

12.1.3  楞次定律 232

12.2  动生电动势 234

12.3  感生电动势  感生电场 236

12.4  自感应和互感应 238

12.4.1  自感电动势  自感

系数 238

12.4.2  互感电动势  互感 240

*12.5  磁场的能量 241

*12.6  Maxwell电磁场理论简介 244

12.6.1  位移电流和全电流 244

12.6.2  电磁场  Maxwell电磁场

方程组 247

12.6.3  电磁波 247

习题12 250

第五篇  波动光学及近代物理基础

第13章  波动光学基础 254

13.1  光源  光的相干性 254

13.1.1  光源 254

13.1.2  相干光 255

13.1.3  光程和光程差 255

13.2　杨氏双缝干涉 257

13.3  薄膜的等倾干涉 260

13.3.1  薄膜等倾干涉的光路 260

13.3.2  薄膜干涉特征 260

13.3.3  相邻条纹对应薄膜

厚度差 261

13.3.4  薄膜等倾干涉的应用 262

13.4  薄膜的等厚干涉 263

13.4.1  劈尖干涉 263

13.4.2  牛顿环 266

13.5　迈克尔逊干涉仪 267

13.6  光的衍射　惠更斯–菲涅耳

 原理 268

13.6.1  光的衍射 268

13.6.2  惠更斯–菲涅耳原理 269

13.6.3  衍射分类 269

13.7　单缝的夫琅禾费衍射 269

13.8  圆孔衍射  光学仪器的分辨

 本领 272

13.8.1  圆孔衍射 272

13.8.2  光学仪器的分辨本领 273

习题13 274

第14章  狭义相对论基础 277

14.1  经典时空观  伽利略变换 277

14.1.1  牛顿力学的时空观 277

14.1.2  伽利略变换 277

14.1.3  经典力学的相对性

原理 278

14.2  狭义相对论的基本原理 279

14.2.1　狭义相对论的

基本原理 279

14.2.2　洛伦兹变换式 280

14.2.3  狭义相对论的时空观 281

14.3  狭义相对论的动力学基础 284

14.3.1  相对论力学的基本方程 284

14.3.2  质量-能量关系式 285

14.3.3  动量和能量关系式 286

习题14 287

第15章  量子物理基础 288

15.1  黑体辐射  普朗克的量子假说 288

15.1.1  黑体辐射 288

15.1.2  黑体辐射的基本规律 289

15.1.3  普朗克假设和普朗克

黑体辐射公式 291

15.2  光电效应　康普顿效应 292

15.2.1  光电效应实验的规律 292

15.2.2  爱因斯坦的光量子论 293

15.2.3  康普顿效应 294

15.2.4  光的波粒二象性 295

15.3  德布罗意波  实物粒子的二象性 296

*15.4  不确定关系 297

习题15 299

第六篇  物理学的应用示例

第16章  物理学原理在工程技术中的

 应用 302

16.1  摩擦与自锁——螺旋千斤顶 302

16.2  跳台跳水游泳池的深度设计 303

16.3  汽车的驱动与制动 304

16.3.1  汽车的驱动力 304

16.3.2  汽车的打滑 304

16.3.3  翻车 305

16.4  气体放电光源与五彩缤纷的灯 305

16.4.1  气体放电及其形式 305

16.4.2  气体放电光源的

基本原理 307

16.4.3  常见的气体放电光源 308

16.5  超导与磁悬浮列车 308

16.6  核磁共振及其医学成像原理 310

16.7  雷达  微波通信和光纤通信 311

　　

　　

　　

　　

　　

　　

　　

　　

　　

　　

　　

　　

　　

　　

　　

　　

　　

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大学物理

　　

VII

目    录