本书是张三慧编著的《大学物理学》第三版中册，内容为电磁学和光学。电磁学部分讲法和“经典”讲法不同，是按“帕塞尔体系”从场的概念和高斯定律出发，并利用狭义相对论阐明了电场、磁场、电磁感应等电磁学基本规律以及介电质的性质和物质的磁性，最后总结出麦克斯韦方程组并进而介绍了电磁波的基本性质。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。在《今日物理趣闻》栏目中介绍了一些现代物理前沿知识，如等离子体、超导电性、全息照相等。本书还特别注意联系实际，编写了大量有趣的来自实际生活、实用技术以及自然现象等各方面的例题和习题。

    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《学习辅导与习题解答》可帮助读者学习本书。

    这部《大学物理学》（第三版）分为上、中（A版、B版）、下四册，上册含力学篇、热学篇，中册为电磁学篇，下册为光学篇、量子物理篇。本书自第一版与第二版问世以来，已被多所院校用作教材。根据使用过此书的教师与学生以及其他读者的反映，也考虑到近几年物理教学的发展动向，本书推出第三版。第三版内容的撰写与修改仍延续了第二版的科学性和系统性的特点，保持了原有的体系和风格，并在第二版的基础上，增加、拓宽了一些内容。

    本书内容完全涵盖了2006年我国教育部发布的“非物理类理工学科大学物理课程基本要求”。书中各篇对物理学的基本概念与规律进行了正确明晰的讲解。讲解基本上都是以最基本的规律和概念为基础，推演出相应的概念与规律。笔者认为，在教学上应用这种演绎逻辑更便于学生从整体上理解和掌握物理课程的内容。

    力学篇是以牛顿定律为基础展开的。除了直接应用牛顿定律对问题进行动力学分析外，还引入了动量、角动量、能量等概念，并着重讲解相应的守恒定律及其应用。除惯性系外，还介绍了利用非惯性系解题的基本思路，刚体的转动、振动、波动这三章内容都是上述基本概念和定律对于特殊系统的应用。狭义相对论的讲解以两条基本假设为基础，从同时性的相对性这一“关键的和革命的”（杨振宁语）概念出发，逐渐展开得出各个重要结论。这种讲解可以比较自然地使学生从物理上而不只是从数学上弄懂狭义相对论的基本结论。

    热学篇的讲述是以微观的分子运动的无规则性这一基本概念为基础的。除了阐明经典力学对分子运动的应用外，特别引入并加强了统计概念和统计规律，包括麦克斯韦速率分布律的讲解。对热力学第一定律也阐述了其微观意义。对热力学第二定律是从宏观热力学过程的方向性讲起，说明方向性的微观根源，并利用热力学概率定义了玻耳兹曼熵并说明了熵增加原理，然后再进一步导出克劳修斯熵及其计算方法。这种讲法最能揭露熵概念的微观本质，也便于理解熵概念的推广应用。

    电磁学篇A版按照传统讲法，讲述电磁学的基本理论，包括静止和运动电荷的电场，运动电荷和电流的磁场，介质中的电场和磁场，电磁感应，电磁波等。电磁学篇B版中电磁学的讲法则是以爱因斯坦的《论动体的电动力学》为背景，完全展现了帕塞尔教授讲授电磁学的思路--从爱因斯坦到麦克斯韦，以场的概念和高斯定律为基础，根据狭义相对论演绎地引入磁场，并进而导出麦克斯韦方程组其他方程。这种讲法既能满足教学的基本要求，又充分显示了电磁场的统一性，从而使学生体会到自然规律的整体性以及物理理论的和谐优美。电磁学的讲述未止于麦克斯韦方程组，而是继续讲述了电磁波的发射机制及其传播特征等。

    光学篇以电磁波和振动的叠加的概念为基础，讲述了光电干涉和衍射的规律。第24章光的偏振讲述了电磁波的横波特征。然后，根据光电波动性在特定条件下的近似特征--直接传播，讲述了几何光学的基本定律及反射镜和透镜的成像原理。

    以上力学、热学、电磁学、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，本人抖空竹，1976年唐山地震，1988年特大洪灾，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。帕赛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年冒然写信向他请教，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1月

于清华园

第3篇 电 磁 学

第12章 电荷 电场 静电场3

12.1 电荷3

12.2 场的概念6

12.3 电场和电场强度7

12.4 高斯定律9

12.5 利用高斯定律求几种静电场的分布11

12.6 用点电荷电场的叠加求静电场的分布16

12.7 静电力 库仑定律21

12.8 静电场中的金属导体23

提要28

思考题29

习题30

第13章 运动电荷的电场33

13.1 电场强度的变换33

13.2 作匀速直线运动的点电荷的电场36

13.3 推迟效应39

13.4 静电场对运动电荷的作用40

提要42

思考题43

习题43

第14章 电势 电势能45

14.1 静电场的保守性45

14.2 电势差和电势47

14.3 电势的叠加49

14.4 导体的电势53

14.5 由电势求电场强度54

14.6 高斯定律的实验验证57

*14.7 唯一性定理60

14.8 电荷在外电场中的静电势能62

14.9 电荷系的静电能64

14.10 静电场的能量66

提要68

思考题69

习题69

今日物理趣闻H 大气电学

H.1 晴天大气电场74

H.2 雷暴的电荷和电场76

H.3 闪电78

第15章 介电质 电容器81

15.1 介电质对电场的影响81

15.2 介电质的极化82

15.3 D的高斯定律86

15.4 电容器与其电容90

15.5 电容器的能量93

15.6 压电晶体95

提要97

思考题97

习题98

第16章 电流与电动势102

16.1 电流和电流密度102

16.2 恒定电流与恒定电场104

16.3 欧姆定律105

16.4 电动势108

16.5 常用电动势源109

16.6 有电动势的电路112

*16.7 电容器的充电与放电114

16.8 电流的一种经典微观图像116

提要119

思考题120

习题120

第17章 磁场123

17.1 磁场和磁感应强度123

17.2 磁场是哪里来的127

17.3 匀速运动的点电荷的磁场130

17.4 毕奥-萨伐尔定律132

17.5 电场和磁场的相对论变换138

17.6 安培环路定理142

17.7 安培环路定理的推广148

17.8 变化电场产生磁场150

提要154

思考题155

习题156

科学家介绍 麦克斯韦160

第18章 磁力163

18.1 带电粒子在磁场中的运动163

18.2 霍尔效应165

*18.3 磁流体发电167

18.4 载流导线在磁场中受的力168

18.5 平行电流间的相互作用力172

提要175

思考题176

习题177

今日物理趣闻I 等离子体

I.1 物质的第四态180

I.2 等离子体内的磁场182

I.3 磁场对等离子体的作用183

I.4 热核反应184

I.5 等离子体的约束186

I.6 冷聚变188

第19章 电磁感应190

19.1 导体回路在磁场中运动 动生电动势190

19.2 变化的磁场产生电场 感生电场194

19.3 互感197

19.4 自感200

19.5 RL电路201

19.6 磁场的能量202

提要204

思考题205

习题206

科学家介绍 法拉第210

今日物理趣闻J 超导电性

J.1 超导现象213

J.2 临界磁场214

J.3 超导体中的电场和磁场215

J.4 第二类超导体216

J.5 BCS理论217

J.6 约瑟夫森效应218

J.7 超导在技术中的应用220

J.8 高温超导221

第20章 物质的磁性223

20.1 物质对磁场的影响223

20.2 原子的磁矩224

20.3 物质的磁化227

20.4 H的环路定理229

20.5 铁磁质231

20.6 简单磁路236

提要238

思考题239

习题240

第21章 麦克斯韦方程组和电磁辐射243

21.1 麦克斯韦方程组243

*21.2 加速电荷的电场245

*21.3 加速电荷的磁场248

*21.4 电磁波的能量250

*21.5 同步辐射253

*21.6 电磁波的动量254

*21.7 A-B效应257

提要259

思考题259

习题260

数值表262

习题答案264

索引271