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绪论 物理学的作用与意义1

0.1 物理学是自然科学的带头学科1

0.2 物理学是现代技术革命的先导2

0.3 物理学是科学的世界观和方法论的基础4

第1篇 力学与相对论11

第1章 质点运动学11

1.1 力学的起源11

1.1.1 力学的研究对象11

1.1.2 近代力学的开端11

1.2 空间和时间的计量13

1.2.1 长度的计量14

1.2.2 时间的计量14

1.3 物质世界的层次和数量级15

1.3.1 空间尺度15

1.3.2 时间尺度16

1.4 参考系 质点16

1.4.1 参考系16

1.4.2 坐标系17

1.4.3 质点17

1.5 速度 加速度18

1.5.1 质点的位置矢量18

1.5.2 位移18

1.5.3 速度19

1.5.4 加速度20

1.6 直线运动21

1.6.1 匀加速直线运动21

1.6.2 落体佯谬22

1.6.3 伽利略对自由落体运动的研究23

1.6.4 伽利略的科学思想方法25

1.7 曲线运动26

1.7.1 抛体运动26

1.7.2 圆周运动28

1.8 相对运动31

1.9 行星运动：托勒密与哥白尼之争33

1.9.1 天体的视运动33

1.9.2 托勒密的地心体系34

1.9.3 哥白尼的日心体系35

1.10 开普勒定律的发现38

1.10.1 开普勒的行星轨道模型38

1.10.2 等面积定律的确立39

1.10.3 椭圆轨道的发现42

1.10.4 和谐定律的提出43

1.10.5 开普勒的科学思想方法43

思考题44

习题45

第2章 牛顿运动定律和万有引力定律49

2.1 牛顿力学体系的形成49

2.1.1 伽利略的惯性原理49

2.1.2 笛卡儿的力学原理50

2.1.3 惠更斯对碰撞和摆的研究50

2.1.4 牛顿的《自然哲学的数学原理》的问世52

2.2 牛顿第一定律 惯性参考系53

2.2.1 惯性定律53

2.2.2 惯性参考系53

2.3 牛顿第二定律 力和质量的概念54

2.3.1 牛顿第二定律的表述54

2.3.2 力的叠加原理55

2.3.3 力的概念55

2.3.4 质量的概念56

2.4 牛顿第三定律57

2.5 单位制和量纲57

2.5.1 单位制 基本单位和导出单位57

2.5.2 量纲58

2.6 牛顿定律的应用58

2.6.1 自然界中常见的力58

2.6.2 应用举例60

2.7 非惯性系 惯性力61

2.7.1 非惯性系中的力学定律61

2.7.2 惯性离心力63

2.8 伽利略相对性原理和坐标变换64

2.8.1 伽利略相对性原理64

2.8.2 伽利略变换式65

2.9 牛顿绝对时空概念的局限和惯性的起源66

2.10 万有引力定律的建立68

2.10.1 引力平方反比律的发现68

2.10.2 引力平方反比律的地月验证70

2.10.3 在椭圆轨道上运动物体所受的引力71

2.10.4 球体引力问题的解决 引力普适性概念的确立73

2.11 引力定律的应用和验证74

2.11.1 对潮汐现象的解释74

2.11.2 引力常数与天体质量76

2.11.3 海王星的发现78

2.12 牛顿的科学思想方法79

思考题82

习题84

第3章 动量与角动量88

3.1 历史上两种量度之争88

3.2 动量定理92

3.2.1 动量与动量定理92

3.2.2 冲量93

3.3 动量守恒与火箭飞行94

3.3.1 质点系的动量定理94

3.3.2 动量守恒定律95

3.3.3 火箭飞行原理97

3.3.4 地球同步卫星的发射98

3.4 质点的角动量与角动量守恒定律103

3.4.1 质点的角动量103

3.4.2 力矩与角动量定理104

3.4.3 角动量守恒定律105

思考题106

习题107

第4章 功和能109

4.1 功 动能109

4.1.1 功109

4.1.2 动能 动能定理110

4.2 保守力 势能112

4.2.1 保守力的功112

4.2.2 势能114

4.3 功能原理 机械能守恒定律115

4.3.1 质点系的动能定理115

4.3.2 功能原理115

4.3.3 机械能守恒定律116

4.3.4 三种宇宙速度118

4.4 守恒定律与对称性120

4.4.1 什么是对称性120

4.4.2 物理定律的对称性121

4.4.3 空间均匀性与动量守恒122

4.4.4 空间各向同性与角动量守恒122

4.4.5 时间均匀性与机械能守恒123

思考题123

习题125

第5章 振动与波动129

5.1 简谐振动的描述129

5.1.1 简谐振动的表达式129

5.1.2 相与相差131

5.1.3 简谐振动的矢量图表示法132

5.2 阻尼振动和受迫振动135

5.2.1 阻尼振动135

5.2.2 受迫振动 共振136

5.3 同频率的简谐振动的合成137

5.3.1 同方向、同频率的简谐振动的合成138

5.3.2 相互垂直的同频率的简谐振动的合成139

5.4 波的传播和波的描述140

5.4.1 机械波产生的条件140

5.4.2 波动过程的特征141

5.4.3 描述波传播的几个物理量142

5.4.4 平面简谐波的表达式142

5.5 波的干涉 驻波145

5.5.1 叠加原理145

5.5.2 波的干涉145

5.5.3 驻波147

5.6 混沌与牛顿力学的内在随机性149

5.6.1 混沌现象举例150

5.6.2 吸引子153

5.6.3 倍周期分岔157

5.6.4 费根鲍姆数159

5.6.5 混沌控制的研究及其应用160

思考题161

习题162

第6章 相对论165

6.1 狭义相对论的建立165

6.1.1 物理思想史背景165

6.1.2 爱因斯坦相对论思想发展的线索170

6.1.3 狭义相对论原理和变换方程的提出174

6.2 时间膨胀和长度缩短177

6.2.1 同时性的相对性177

6.2.2 时间膨胀178

6.2.3 长度缩短180

6.3 洛伦兹变换和速度变换181

6.3.1 洛伦兹变换公式181

6.3.2 速度变换183

6.4 相对论质量、动能和能量185

6.4.1 质量与速度的关系185

6.4.2 相对论动能186

6.4.3 质能关系187

6.4.4 能量和动量的关系189

6.5 广义相对论与近代宇宙论简介189

6.5.1 引力质量与惯性质量的等同性190

6.5.2 等效原理191

6.5.3 广义相对性原理和马赫原理192

6.5.4 光线的引力偏折193

6.5.5 引力时间延缓194

6.5.6 弯曲的时空196

6.5.7 膨胀的宇宙199

6.6 爱因斯坦的科学思想方法202

思考题204

习题205

第2篇 热学209

第7章 气体动理论209

7.1 热学的起源209

7.1.1 热学的研究对象209

7.1.2 近代热学的开端209

7.1.3 对热的本性认识的发展211

7.2 平衡 态温 度状态方程213

7.2.1 平衡态 状态参量213

7.2.2 温度215

7.2.3 理想气体的状态方程216

7.3 理想气体的压强与温度217

7.3.1 克劳修斯对理想气体压强公式的推导217

7.3.2 温度的微观意义219

7.4 能量按自由度均分定理220

7.4.1 自由度220

7.4.2 能量均分定理221

7.4.3 理想气体的内能222

7.5 麦克斯韦速率分布律222

7.5.1 速率分布函数223

7.5.2 麦克斯韦速率分布律的建立224

7.5.3 麦克斯韦速率分布曲线227

7.6 玻耳兹曼分布律228

7.6.1 气体分子按能量的分布228

7.6.2 重力场中粒子按高度的分布230

7.7 气体分子的平均自由程230

7.7.1 平均碰撞频率231

7.7.2 平均自由程231

7.8 气体内的输运过程232

7.8.1 热传导232

7.8.2 扩散234

7.8.3 内摩擦235

思考题236

习题237

第8章 热力学第一定律240

8.1 能量守恒定律的发现240

8.1.1 各种运动形式相互转化的发现240

8.1.2 迈耶、焦耳和亥姆霍兹的贡献241

8.1.3 能量原理的确立245

8.2 准静态过程的功245

8.2.1 准静态过程245

8.2.2 功246

8.3 热量 热力学第一定律248

8.3.1 热量248

8.3.2 内能248

8.3.3 热力学第一定律249

8.4 热容250

8.4.1 热容的定义250

8.4.2 理想气体的热容250

8.5 绝热过程252

8.5.1 准静态绝热过程252

8.5.2 绝热自由膨胀253

8.6 循环过程254

8.6.1 循环过程的特征254

8.6.2 热机循环和热机效率254

8.6.3 制冷机循环和制冷系数255

8.7 卡诺循环255

8.7.1 卡诺关于热的动力的思考255

8.7.2 卡诺热机循环的效率257

8.7.3 卡诺制冷循环258

思考题259

习题260

第9章 热力学第二定律263

9.1 热力学第二定律的两种表述263

9.1.1 开尔文表述263

9.1.2 克劳修斯表述264

9.2 自然过程的方向性264

9.2.1 自然过程的方向264

9.2.2 不可逆性的相互关联265

9.2.3 自然过程方向性的微观意义266

9.3 可逆过程 卡诺定理267

9.3.1 可逆过程267

9.3.2 卡诺定理268

9.4 熵的概念及其计算269

9.4.1 热变换的等效值269

9.4.2 克劳修斯等式270

9.4.3 态函数熵271

9.4.4 熵的计算273

9.5 熵增加原理275

9.5.1 克劳修斯对熵增加原理的证明275

9.5.2 熵增加原理举例276

9.6 熵与热力学概率277

9.7 熵与“热寂”279

9.8 耗散结构与信息熵281

9.8.1 两类有序结构281

9.8.2 自组织现象282

9.8.3 开放系统的熵变287

9.8.4 麦克斯韦妖的启示287

9.8.5 信息与信息量289

9.8.6 信息熵291

9.9 遗传与信息292

9.9.1 薛定谔对基因物质结构的预言293

9.9.2 DNA的结构与复制机制294

9.9.3 遗传密码的破译296

9.9.4 遗传信息的转录与翻译297

思考题299

习题300

附表303

附表1 基本物理常量303

附表2 有关地球、月球、太阳的数据304

附表3 国际单位制词头304

习题答案305

参考文献311