《大学物理简明教程》

第一篇力学1

第一章质点力学3

1-1质点运动的描述3

一、参考系与坐标系3

二、描述质点运动的四个物理量4

三、运动的叠加原理6

1-2运动方程与轨道7

一、运动方程7

二、一维运动7

三、二维运动及轨道方程9

1-3牛顿运动定律11

一、牛顿三大运动定律11

二、力及物体的受力分析12

三、牛顿定律应用举例14

1-4惯性系与非惯性系 惯性力18

一、惯性系与非惯性系18

二、惯性力18

三、惯性离心力20

四、科里奥利力21

1-5动量定理和动量守恒定律22

一、力的冲量及动量定理22

二、动量守恒定律23

三、穆斯堡尔效应 火箭飞行原理25

1-6功、动能定理26

一、恒力及变力的功26

二、动能和动能定理28

1-7保守力 势能30

一、保守力做功的特点30

二、势能及其计算31

三、势能曲线33

1-8功能原理 能量守恒定律34

一、机械能及功能原理34

二、机械能守恒定律35

三、内能 总能量守恒36

四、能量与生物学37

1-9碰撞38

一、碰撞的特点及分类38

二、弹性碰撞38

三、非弹性碰撞40

思考题与习题41

第二章相对运动45

2-1伽里略变换 经典力学时空观45

一、伽里略变换与速度合成定理45

二、伽里略相对性原理46

三、经典力学的时空观47

2-2爱因斯坦假说48

一、迈克尔逊—莫雷实验48

二、爱因斯坦假说49

2-3狭义相对论的时空观50

一、同时的相对性50

二、运动时钟变慢（时间膨胀）51

三、长度收缩53

2-4罗仑兹变换54

一、罗仑兹变换取代伽里略变换54

二、时序的相对性56

三、相对论速度变换公式57

2-5相对论动力学 质能公式59

一、相对论质量、动量和运动定律59

二、相对论能量及质能公式60

三、动量和能量的相对论关系62

思考题与习题64

第三章转动66

3-1转动运动学66

一、刚体绕定轴转动的角量描述66

二、线量与角量的关系68

3-2角动量 转动定律68

一、角动量68

二、力矩70

三、刚体绕定轴的转动定律71

3-3转动惯量72

一、刚体的转动惯量及其计算72

二、平行轴定理74

三、转动定律应用举例77

3-4角动量定理 角动量守恒定律78

一、力矩的冲量及角动量定理78

二、刚体的角动量守恒定律79

三、力学系统的角动量守恒定律80

3-5 刚体的进动82

3-6力矩的功 刚体的转动动能83

一、力矩的功83

二、刚体绕定轴转动的动能定理84

三、含转动刚体力学系统的机械能守恒定律85

3-7刚体的一般运动86

一、质心 质心运动定理86

二、刚体的平面运动89

三、刚体一般运动的描述 自由度90

思考题与习题91

第四章振动95

4-1简谐振动95

一、简谐振动的特征95

二、简谐振动方程97

三、简谐振动的速度和加速度99

四、简谐振动的能量100

4-2简谐振动问题的一般解法101

一、简谐振动周期的求法101

二、由初始条件求振动方程103

三、由振动方程求某些运动状态104

4-3 微振动105

4-4振动的叠加108

一、简谐振动的矢量图表示法108

二、同方向简谐振动的叠加 拍110

三、相互重直谐振动的叠加112

4-5 振动的分解 频谱分析115

4-6阻尼振动 受迫振动 共振117

一、阻尼振动117

二、受迫振动118

三、共振119

思考题与习题121

第五章波动125

5-1波动的基本概念125

一、机械波的产生和传播125

二、波速、波长、频率126

三、惠更斯原理及惠更斯作图法128

5-2波的表达式——波函数130

一、一维平面简谐波的波函数130

二、波函数的物理意义131

三、在三维空间传播的平面波和球面波133

5-3 波动方程133

5-4波的能量135

一、波的能量 能量密度135

二、能流 能流密度136

三、波的吸收137

5-5波的叠加137

一、波的叠加原理138

二、波的干涉138

三、驻波140

5-6声波142

一、声音的感觉及声强级142

二、超声波143

三、次声波（亚声波）143

5-7多普勒效应 冲击波144

一、声波及光波的多普勒效应144

二、多普勒效应的应用145

三、冲击波 切伦科夫辐射146

思考题与习题146

第六章流动149

6-1流体的属性149

一、连续介质的概念149

二、流体的基本属性149

三、理想流体150

6-2流体静力学150

一、应力 静止流体内一点的压力150

二、重力场中静止流体内压力的分布152

三、流体静力学应用举例152

6-3流体运动学153

一、研究流体运动的两种方法153

二、流体运动的描述 定常流动154

三、定常流动的连续性方程154

6-4伯努利方程及其应用155

一、伯努利方程155

二、托里折里定理 文托里流量计156

三、障碍物前受阻挡的流体 皮托管157

四、运动流体的吸力158

6-5粘滞流体的流动158

一、粘滞定律159

二、层流 泊肃叶公式159

三、湍流 雷诺数及动力学相似160

6-6物体在粘滞流体中运动所受的阻力160

一、粘滞阻力 斯托克斯定律161

二、压差阻力与流线型161

思考题与习题162

第二篇热学165

第七章热力学基础167

7-1平衡态 热力学第零定律167

一、平衡态及状态参量167

二、温度和温标168

三、热力学第零定律169

四、态函数——内能169

7-2理想气体及其状态方程169

一、气体的三个基本实验定律169

二、理想气体状态方程170

三、理想气体状态方程应用举例172

7-3热量和功 热力学第一定律173

一、热力学过程 准静态过程173

二、热量和功174

三、热力学第一定律及其实质176

7-4热力学第一定律对理想气体准静态过程的应用177

一、等容过程177

二、等压过程177

三、等温过程178

四、绝热过程179

7-5循环过程 卡诺循环183

一、正循环 热机及其效率183

二、逆循环 致冷机及致冷系数185

三、卡诺循环186

7-6热力学第二定律187

一、热力学第二定律的两种表述187

二、热力学第二定律与过程的不可逆性188

三、卡诺定理 热力学温标189

7-7熵 熵增加原理191

一、熵的引入191

二、熵增加原理192

三、熵的意义195

思考题与习题195

第八章分子运动论198

8-1气体分子运动论及统计规律的基本概念198

一、气体分子热运动的特征198

二、统计规律的基本概念198

三、理想气体的分子模型及统计假设200

8-2理想气体压力公式 温度的微观解释201

一、理想气体压力公式201

二、用分子运动论推导压力公式202

三、温度的微观解释204

8-3能量均分定理205

一、能量按自由度均分定理205

二、理想气体的内能206

三、摩尔热容207

8-4麦克斯韦速度分布律209

一、气体分子速度的实验测定209

二、麦克斯韦速率分布律210

三、用速率分布函数求统计平均值 三种速率212

8-5玻尔兹曼分布律214

一、麦克斯韦速度分布律214

二、玻尔兹曼分布律214

三、重力场中粒子按高度的分布215

8-6热力学第二定律的统计解释215

一、最大几率分布215

二、混乱度和熵216

三、热力学第二定律的统计解释217

8-7气体的输运过程217

一、分子的碰撞频率和平均自由程218

二、气体的扩散219

三、气体的内摩擦（粘性）221

四、气体的热传导222

8-8 非平衡态热力学简介224

8-9真实气体225

一、真实气体的等温线226

二、范德瓦尔斯方程227

三、节流过程 真实气体的内能230

思考题与习题231

第三篇电磁学235

第九章静电场237

9-1电荷和电荷守恒定律237

一、电荷237

二、物质的电结构237

三、电荷守恒定律237

9-2库仑定律和叠加原理237

一、库仑定律237

二、叠加原理239

9-3静电场和电场强度240

一、静电场240

二、电场强度240

9-4高斯定理245

一、电力线245

二、电通量247

三、高斯定理247

四、应用高斯定理求场强249

9-5环流定理和电位（势）253

一、静电场力作功与路径无关253

二、环流定理254

三、电位（电势）254

9-6场强和电位的关系259

一、等位面（等势面）259

二、场强是电位梯度的负值260

9-7带电粒子在电场中的运动262

一、带电粒子在电场中的加速和偏转262

二、电偶极子在电场中所受的作用263

9-8静电场中的导体264

一、静电平衡264

二、导体空腔267

三、导体的电容和电容器270

9-9静电场中的电介质273

一、介质的极化273

二、电介质中的电场276

三、介质中的高斯定理和电位移？277

四、有介质存在时的静电场方程280

9-10电场的能量280

一、点电荷系统的相互作用能（电位能）280

二、任意带电系统的（总）静电能281

三、电场的能量282

9-11 静电现象的应用 静电复印284

思考题与习题284

第十章稳恒电流291

10-1稳恒电流和稳恒电场291

一、电流291

二、电流强度291

三、电流密度矢量291

四、连续性方程292

五、稳恒电流292

10-2欧姆定律和焦耳-楞次定律293

一、欧姆定律293

二、欧姆定律的微分形式294

三、电场力的功和功率295

四、焦耳-楞次定律295

五、电阻率和超导现象296

10-3电源和电动势297

一、电源和非静电力297

二、电动势298

10-4闭合电路的欧姆定律299

一、闭合电路的欧姆定律299

二、负载获得最大功率的条件300

10-5 一段含源电路的欧姆定律301

10-6 基尔霍夫定律303

10-7电学测量及其仪表305

一、电学测量方法的基本原理305

二、电位差计306

三、直流电桥307

思考题与习题309

第十一章稳恒磁场312

11-1磁场和磁感应强度312

一、磁场312

二、安培假设312

三、磁感应强度313

11-2毕奥—沙伐尔—拉普拉斯定律313

一、毕奥-沙伐尔-拉普拉斯定律314

二、毕-沙-拉定律应用举例315

三、运动电荷的磁场319

11-3磁场的高斯定理320

一、磁感应线（？线）320

二、磁感应通量321

三、磁场的高斯定理321

11-4 安培环路定理322

11-5罗仑兹力 磁场对运动电荷的作用326

一、罗仑兹力326

二、带电粒子在匀强磁场中的运动326

三、霍尔效应328

四、磁流体发电 电磁泵329

11-6安培力 磁场对载流导线的作用力329

一、安培力329

二、磁场对载流线圈的作用331

三、磁力的功332

11-7磁场中的介质333

一、介质的磁化334

二、介质中的磁场 磁场强度337

三、铁磁质339

四、磁路定理343

11-8 稳恒电场和稳恒磁场的比较345

思考题与习题346

第十二章电磁感应350

12-1电磁感应的基本规律350

一、电磁感应现象350

二、楞次定律351

三、法拉第电磁感应定律351

12-2动生电动势和感生电动势352

一、动生电动势353

二、感生电动势354

三、涡电流357

四、关于电场的定理358

12-3自感和互感358

一、自感358

二、互感359

12-4 磁场的能量361

12-5暂态过程363

一、LR电路的暂态过程363

二、RC电路的暂态过程364

思考题与习题365

第十三章交流电路368

13-1交流电368

一、简谐交流电369

二、似稳条件370

13-2交流电路中的元件370

一、阻抗和位相差370

二、纯电阻370

三、纯电容371

四、纯电感371

13-3交流电路的矢量图解法372

一、串联电路373

二、并联电路375

13-4交流电路的复数解法375

一、交流电的复数表示375

二、阻抗的复数表示375

三、串联和并联电路的复数解法375

四、交流电路的基尔霍夫方程组377

13-5交流电的功率377

一、瞬时功率和平均功率378

二、有功功率和无功功率379

三、视在功率（额定容量）379

四、功率因数的提高380

13-6交流电路的频率响应382

一、串联谐振382

二、并联谐振383

思考题与习题384

第十四章电磁场387

14-1麦克斯威电磁理论387

一、电磁场规律的小结387

二、位移电流388

三、麦克斯威方程组391

14-2电磁波392

一、电磁场的波动性392

二、电磁波的性质394

三、电磁波的能量和能流394

四、电磁波的产生395

五、光的电磁理论和电磁波谱397

14-3 电磁场的统一性和相对性397

思考题与习题399

第十五章光波401

15-1 光的本性401

15-2光波的基本性质401

一、光矢量和光强401

二、惠更斯-费涅尔-基尔霍夫原理402

三、光波和波列403

15-3光的干涉403

一、相干叠加和光程差403

二、双缝干涉406

三、薄膜干涉409

四、迈克尔逊干涉仪413

15-4光的衍射414

一、单缝方和费衍射415

二、衍射光栅418

三、圆孔衍射和光学仪器的分辨本领423

四、X射线的衍射425

五、全息照相427

15-5光的偏振428

一、自然光和偏振光429

二、偏振片和马吕斯定律429

三、反射光和折射光的偏振430

四、双折射现象431

五、偏振光的干涉434

六、旋光现象及其应用435

七、偏振光的应用436

思考题与习题437

第四篇量子物理学441

第十六章量子现象443

16-1热辐射和普朗克假设443

一、基尔霍夫定律443

二、黑体的经典辐射定律444

三、普朗克公式和普朗克假设446

16-2光的波-粒二象性448

一、光电效应和爱恩斯坦光量子448

二、康普顿-吴有训效应450

三、光的波-粒二象性451

16-3原子有核结构和原子光谱452

一、原子的质量和大小452

二、原子的有核结构452

三、原子光谱的实验规律453

四、经典物理学的困难456

16-4玻尔的氢原子理论456

一、玻尔的基本假设456

二、氢原子的定态轨道和定态能级457

三、氢原子结构与原子光谱规律的解释459

四、原子能级的实验证明——夫兰克-赫兹（Franck-Hertg）实验460

思考题与习题462

第十七章量子理论464

17-1物质的波动-粒子二象性464

一、德·布罗意假设464

二、德·布罗意假设的实验证实465

17-2波函数466

一、波函数的统计解释466

二、波函数的叠加原理467

17-3 测不准关系468

17-4 薛定格方程472

思考题与习题477

第十八章量子世界479

18-1单电子原子479

一、氢原子的薛定格方程479

二、能量的量子化480

三、轨道角动量的量子化和空间量子化481

四、电子的几率密度482

五、电子自旋485

18-2多电子原子486

一、独立粒子近似487

二、泡里不相容原理487

三、原子的壳层结构与元素周期表489

四、X光的发射和吸收490

五、激光496

18-3凝聚态物理498

一、固体的基本性质498

二、固体的能带结构500

三、半导体的特性和应用502

四、金属的自由电子理论505

五、超导性507

六、超流性508

18-4原子核物理508

一、原子核的基本性质508

二、核力和核结构模型510

三、原子核的衰变512

四、原子核反应和核能的利用515

思考题与习题518

附录Ⅰ国际单位制520

表1．国际单位制的基本单位520

表2．国际单位制的辅助单位521

表3．国际单位制的词头521

表4．绝对单位制和国际单位制的某些物理量522

附录Ⅱ常用的基本物理常数及数据523

附录Ⅲ矢量微分与积分524