普通高等教育"十一五"国家级规划教材•大学物理学•力学、电磁学.pdf

普通高等教育
 

书籍描述

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《大学物理学:力学、电磁学(第3版)》由清华大学出版社出版。

目录
今日物理趣闻
A 基本粒子1
A.1 粒子的发现与特征1
A.2 粒子分类2
A.3 粒子的转化与守恒定律4
A.4 夸克5
A.5 色6
A.6 粒子研究与技术8

第1篇 力学
第1章 质点运动学13
1.1 参考系13
1.2 质点的位矢、位移和速度17
1.3 加速度21
1.4 匀加速运动25
1.5 抛体运动27
1.6 圆周运动30
1.7 相对运动34
提要36
思考题37
习题38
科学家介绍 伽利略41

第2章 运动与力43
2.1 牛顿运动定律43
2.2 常见的几种力47
2.3 基本的自然力50
2.4 应用牛顿定律解题52
2.5 非惯性系与惯性力57
2.6 科里奥利力60
2.7 潮汐63
提要67
思考题68
习题70
科学家介绍 牛顿76

今日物理趣闻B 混沌——决定论的混乱78
B.1 决定论的可预测性78
B.2 决定论的不可预测性78
B.3 对初值的敏感性80
B.4 几个混沌现象实例81

第3章 动量与角动量84
3.1 冲量与动量定理84
3.2 动量守恒定律87
3.3 火箭飞行原理90
3.4 质心91
3.5 质心运动定理93
3.6 质点的角动量和角动量定理97
3.7 角动量守恒定律99
3.8 质点系的角动量定理101
3.9 质心参考系中的角动量103
提要104
思考题105
习题106
科学家介绍 开普勒109

第4章 功和能110
4.1 功110
4.2 动能定理113
4.3 势能116
4.4 引力势能118
4.5 由势能求保守力120
4.6 机械能守恒定律121
4.7 守恒定律的意义127
4.8 碰撞128
4.9 两体问题133
4.10 流体的稳定流动135
4.11 伯努利方程136
提要140
思考题141
习题143

今日物理趣闻C 奇妙的对称性147
C.1 对称美147
C.2 对称性种种149
C.3 物理定律的对称性150
C.4 宇称守恒与不守恒150
C.5 自然界的不对称现象152
C.6 关于时间的对称性153

第5章 刚体的转动155
5.1 刚体转动的描述155
5.2 转动定律157
5.3 转动惯量的计算159
5.4 转动定律的应用162
5.5 角动量守恒165
5.6 转动中的功和能168
5.7 进动172
提要174
思考题175
习题177

第6章 狭义相对论基础181
6.1 牛顿相对性原理和伽利略变换181
6.2 爱因斯坦相对性原理和光速不变184
6.3 同时性的相对性和时间延缓185
6.4 长度收缩189
6.5 洛伦兹坐标变换191
6.6 相对论速度变换195
6.7 相对论质量197
6.8 力和加速度的关系200
6.9 相对论动能201
6.10 相对论能量202
6.11 动量和能量的关系205
6.12 相对论力的变换208
提要209
思考题210
习题211
科学家介绍 爱因斯坦214

今日物理趣闻D 弯曲的时空——广义相对论简介216
D.1 等效原理216
D.2 光线的偏折和空间弯曲218
D.3 广义相对论219
D.4 引力时间延缓221
D.5 引力波222
D.6 黑洞224

今日物理趣闻E 大爆炸和宇宙膨胀226
E.1 现时的宇宙226
E.2 宇宙膨胀和大爆炸227
E.3 从大爆炸到今天229
E.4 宇宙的未来232
E.5 至大和至小的理论结合起来了235

第2篇 电磁学
第7章 静电场239
7.1 电荷239
7.2 库仑定律与叠加原理242
7.3 电场和电场强度244
7.4 静止的点电荷的电场及其叠加246
7.5 电场线和电通量251
7.6 高斯定律253
7.7 利用高斯定律求静电场的分布254
提要258
思考题259
习题260

第8章 电势264
8.1 静电场的保守性264
8.2 电势差和电势266
8.3 电势叠加原理268
8.4 电势梯度271
8.5 电荷在外电场中的静电势能273
*8.6 电荷系的静电能274
8.7 静电场的能量276
提要278
思考题279
习题279

第9章 静电场中的导体283
9.1 导体的静电平衡条件283
9.2 静电平衡的导体上的电荷分布284
9.3 有导体存在时静电场的分析与计算285
9.4 静电屏蔽287
9.5 唯一性定理288
提要291
思考题291
习题292

今日物理趣闻F 大气电学294
F.1 晴天大气电场294
F.2 雷暴的电荷和电场296
F.3 闪电299

第10章 静电场中的电介质302
10.1 电介质对电场的影响302
10.2 电介质的极化303
10.3 D的高斯定律306
10.4 电容器和它的电容310
10.5 电容器的能量313
提要315
思考题316
习题316

第11章 恒定电流321
11.1 电流和电流密度321
11.2 恒定电流与恒定电场323
11.3 欧姆定律和电阻324
11.4 电动势327
11.5 有电动势的电路328
11.6 电容器的充电与放电331
11.7 电流的一种经典微观图像332
提要335
思考题336
习题336

第12章 磁场和它的源339
12.1 磁力与电荷的运动339
12.2 磁场与磁感应强度340
12.3 毕奥-萨伐尔定律343
12.4 匀速运动点电荷的磁场348
12.5 安培环路定理349
12.6 利用安培环路定理求磁场的分布352
12.7 与变化电场相联系的磁场354
12.8 电场和磁场的相对性和统一性357
提要358
思考题359
习题360
科学家介绍 麦克斯韦363

第13章 磁力366
13.1 带电粒子在磁场中的运动366
13.2 霍尔效应368
13.3 载流导线在磁场中受的磁力370
13.4 载流线圈在均匀磁场中受的磁力矩371
13.5 平行载流导线间的相互作用力374
提要376
思考题377
习题378

今日物理趣闻G 等离子体383
G.1 物质的第四态383
G.2 等离子体内的磁场385
G.3 磁场对等离子体的作用386
G.4 热核反应387
G.5 等离子体的约束388
G.6 冷聚变391

第14章 磁场中的磁介质392
14.1 磁介质对磁场的影响392
14.2 原子的磁矩393
14.3 磁介质的磁化396
14.4 H的环路定理398
14.5 铁磁质400
14.6 简单磁路404
提要405
思考题406
习题407

第15章 电磁感应410
15.1 法拉第电磁感应定律410
15.2 动生电动势412
15.3 感生电动势和感生电场415
15.4 互感417
15.5 自感419
15.6 磁场的能量421
提要423
思考题424
习题425
科学家介绍 法拉第428

今日物理趣闻H 超导电性431
H.1 超导现象431
H.2 临界磁场432
H.3 超导体中的电场和磁场433
H.4 第二类超导体434
H.5 BCS理论435
H.6 约瑟夫森效应436
H.7 超导在技术中的应用438
H.8 高温超导439

第16章 麦克斯韦方程组和电磁辐射441
16.1 麦克斯韦方程组441
16.2 加速电荷的电场444
16.3 加速电荷的磁场446
16.4 电磁波的能量448
16.5 同步辐射451
16.6 电磁波的动量453
16.7 A-B效应454
提要456
思考题456
习题457
数值表460
习题答案462
索引476

序言
大学物理学(第三版)力学、电磁学以上力学、电磁学、热学、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。帕塞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年贸然写信向他请教,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。

文摘
插图:

普通高等教育"十一五"国家级规划教材•大学物理学•力学、电磁学

普通高等教育"十一五"国家级规划教材•大学物理学•力学、电磁学

强子种类这样多,很难想象它们都是“基本的”,它们很可能都有内部结构。前面已讲过,利用高能粒子撞击质子使之破碎的方法考查质子的结构是不成功的,但有些精确的实验还是给出了一些质子结构的信息。1955年,霍夫斯塔特曾用高能电子束测出了质子和中子的电荷和磁矩分布,这就显示了它们有内部结构。1968年,在斯坦福直线加速器实验室中用能量很大的电子轰击质子时,发现有时电子发生大角度的散射,这显示质子中有某些硬核的存在。这正像当年卢瑟福在实验中发现原子核的结构一样,显示质子或其他强子似乎都由一些更小的颗粒组成。
在用实验探求质子的内部结构的同时,物理学家已经尝试提出了强子由一些更基本的粒子组成的模型。这些理论中最成功的是1964年盖尔曼和茨威格提出的,他们认为所有的强子都由更小的称为“夸克”(在中国有人叫做“层子”)的粒子所组成。将强子按其性质分类,发现强子形成一组一组的多重态,就像化学元素可以按照周期表形成一族一族一样。从这种规律性质可以推断:现在实验上发现的强子都是由6种夸克以及相应的反夸克组成的。它们分别叫做上夸克u、下夸克d、粲夸克c、奇异夸克s、顶夸克t、底夸克b,它们的特征物理量如表A.4所示。值得注意的是它们的自旋都是1/2,而电荷量是元电荷e的-1/3或2/3。

内容简介
《大学物理学:力学、电磁学(第3版)》是张三慧编著的《大学物理学》(第三版)的分册,讲述物理学基础理论的力学和电磁学部分。其中力学部分包括质点力学、刚体的转动、振动和波,以及狭义相对论;电磁学部分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。书中特别着重于守恒定律的讲解,也特别注意从微观上阐明物理现象及规律的本质。内容的选择上除了包括经典基本内容外,还注意适时插入现代物理概念与物理思想。为了扩大学生的现代物理知识领域,《大学物理学:力学、电磁学(第3版)》还专辟了“今日物理趣闻”栏目以备选讲或选读,具体内容有基本粒子,混沌——决定论的混乱,奇妙的对称性,弯曲的时空,大爆炸和宇宙膨胀,大气电学,超导,等离子体等。此外,安排了许多现代的联系各方面的实际的例题和习题。

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