《大学物理(上 第二版)》是在熊天信、蒋德琼等主编的《大学物理教程》教材的基础上修订而成的。此次修订在保留原书的体系、风格及特色不变情况下,进一步汲取了国内外同类教材的优点和在教学实践中同行提出的建议,改写不少章节内容,在调整、删除个别章节内容的同时,增加了个别章节和一些知识拓展内容,更加注重教学内容现代化,充实了应用类型题目,加强了物理学与生活、工程技术的联系。
全书分上、下两册。上册内容包括经典力学、机械振动和机械波和热学三篇,下册内容包括电磁学、波动光学和近代物理基础三篇。
《大学物理(上 第二版)》可作为各类高等院校理工科非物理学专业大学物理课程的教材或参考书。《大学物理(上 第二版)》中的思考题及习题解答将另册出版。
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物理学是研究物质世界最基本的结构、最普遍的相互作用、最一般的运动规律的自然科学。它的基本理论渗透到自然科学的各个领域,应用于生产技术的许多部门,它是一切自然科学的基础,对人类未来的进步起着关键的作用。
大学物理课程是理工科专业的一门重要的基础课。它也是理工科学生四年大学学习中唯一一门涉及到各个学科并与最前沿的科学技术相联系的课程。它的作用一方面是为学生打好必要的物理基础,另一方面通过物理学的学习,培养学生思维能力和研究问题的方法,起着增强适应能力、开阔思路、激发探索和创新精神,提高科学素质等重要作用。打好物理基础,不仅对学生在校学习起着十分重要的作用,而且对学生在毕业后的工作中进一步学习新理论、新知识、新技术,不断更新知识都将产生深远的影响。
随着《国家中长期教育改革和发展规划纲要(2010-2020年)》的贯彻落实,人才培养模式的改革与创新成为当前我国高校深化教学改革、提高人才培养质量的关键。人才培养模式的改革,不仅要更新人才培养观念,更要加强与之相应的课程体系、教学内容与教学方法改革。因而,探讨大学物理课程的改革与建设,优化课程体系,更新教学内容,创新教学方法,对加强与提高大学生学习兴趣、学习能力、实践能力和创新能力,提高高校大学物理课程教学质量以及人才培养水平有重要的现实意义。为此我们以2004年教育部高等学校非物理类专业物理基础课程教学指导分委员会关于《非物理类理工学科大学物理课程教学基本要求》(以下简称《基本要求》)为指导,汲取了国内外大学物理教材中的优秀成果,融入了编者多年从事大学物理教学的经验和改革研究的成果,结合当前我国大学物理教学的现状,编写了这套大学物理教材。在编写中,我们主要注意如下几个方面的问题:
1.重视大学物理与中学物理的衔接,降低学生学习的难度
对于理工科学生来说,物理不是一门全新的、陌生的课程,从初中开就开始接触物理,这是对大学物理教学有利的方面。但是,大学物理教材知识体系虽然也是按照物质运动形态从低级到高级的逻辑顺序展开,即以力学、热学、电磁学、光学、近代物理学的顺序排列,容易给学生造成大学物理和中学物理完全相同、没有新东西的印象,对大学物理的教学和学习带来负面影响。事实上,大学物理是在中学物理基础上的高一级循环,它们所研究的外延有所不同,中学物理主要研究特殊情况,大学物理借助于微积分和矢量运算,讨论的问题更具一般性。对于一般的理工科学生来说,《大学物理》这门对全世界的学生都是一门困难的课程,如何使学生学好这门课程、如何使学生从中学物理的学习顺利过渡到大学物理的学习,是不少物理教师一直关心的问题。对此,我们在编写本教材时,在概念的引入方面,尽量地注意到它与中学物理的衔接,以降低学生学习大学物理的台阶。
2.把握好教材内容的深度和广度,突出教材内容的基础性
大学物理课程作为一门理工科的基础课,各个学校开设的课时数千差万别,同一学校,不同专业开设课时数也大不相同。在这种情况下,不可能,也没有必要使教材包括物理学的方方面面。为此在编写教材时我们主要以《基本要求》中的A类知识点为教材的主要内容,而省去了部分《基本要求》中B类知识点的内容,当然,为了反映物理学的一些新进展,也增加了一些《基本要求》中没有的内容。对经典物理的内容我们力求做到高起点、高标准,使学生正确、准确地理解和掌握物理学的基本概念、物理学的基础知识和基本理论、掌握物理学的研究方法,通过物理学家研究过程,感受和培养科学精神。这样做,可以让教师根据不同专业的特点、不同的学时数,适当选取《基本要求》B类知识点的内容进行教学,增加了教材的灵活性,使教材的适应面更广。
3.加强物理学与社会生活、工程技术和现代科技的联系,激发学生学习的积极性
教材在对《基本要求》中的A类知识点讲解中,则尽量选用一些与生活,工程技术和现代科技热点相结合的新颖实例作为例题,讲解基础物理知识和理论在其中的应用,这些内容,有的是作为教材的主体内容出现,有的则是以知识拓展的形式出现,有的则是在例题或习题中出现,这在一定程度上增加了教材内容的广度,其目的是要在一定程度上改变物理科学和技术分离,与社会脱节的状态,使学生了解物理学在社会生活、工程技术和现代科技中的应用,了解物理学对人类社会发展的促进作用。这样处理,既有利于学生掌握好所学内容,又能提高学生学习物理的兴趣,使教材在内容方面既面向培养优秀工程技术人才,也兼顾到培养复合型人才的需要。
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目录
第一篇经典力学
第一章质点运动学 3
第一节质点参考系和坐标系 3
一、质点 3
二、参考系 4
三、坐标系 4
第二节质点运动的描述 5
一、位置矢量和位移运动方程 5
二、速度 6
三、加速度 7
四、法向加速度与切向加速度 10
五、圆周运动的角量表示 13
第三节质点运动学的基本问题 15
第四节相对运动 18
习题 20
第二章牛顿运动定律 25
第一节牛顿运动三定律 25
一、牛顿第一定律 27
二、牛顿第二定律 28
三、牛顿第三定律 29
四、牛顿运动定律的适用范围 29
第二节几种常见的力 30
一、弹性力 30
二、摩擦力 31
三、万有引力 32
四、四种基本相互作用力 35
第三节牛顿运动定律的应用 36
一、应用牛顿定律解决力学问题的基本方法 36
二、应用举例 36
第四节伽利略相对性原理非惯性系 41
一、伽利略相对性原理 41
二、非惯性系和平动加速参考系中的惯性力 41
三、惯性离心力与地球自转对物体重量的影响 44
*第五节混沌现象 46
一、决定论的可预测性 46
二、决定论的不可预测性 47
三、混沌及其应用 49
习题 50
第三章能量与动量 54
第一节动能质点动能定理 54
一、功 54
二、质点动能定理 56
第二节保守力与非保守力做功的特点势能 57
一、弹力、重力和万有引力做功的特点 58
二、保守力与非保守力 59
三、势能 60
四、重力势能和引力势能的关系 60
*五、势能曲线 61
第三节机械能守恒定律能量守恒定律 63
一、质点系动能定理 63
二、质点系的功能原理 64
三、机械能守恒定律 65
*四、黑洞 67
五、能量守恒定律 68
*第四节伯努利方程及应用 69
一、理想流体的定常流动 69
二、连续性原理 69
三、伯努利方程 70
四、伯努利方程的应用 71
第五节质点与质点系的动量定理 72
一、动量 72
二、冲量 73
三、质点的动量定理 74
四、质点系的动量定理 76
*五、变质量质点的运动火箭飞行原理 77
第六节动量守恒定律及应用 80
一、动量守恒定律 80
二、对心碰撞 82
第七节质心质心运动定律 85
一、质心 86
二、质心运动定律 87
习题 88
第四章刚体的定轴转动 94
第一节刚体运动的描述 94
一、刚体的概念 94
二、刚体的平动和转动 94
三、刚体的定轴转动 96
第二节刚体定轴转动定律 99
一、力矩 99
二、刚体定轴转动定律 100
三、转动惯量及计算 101
四、刚体定轴转动定律的应用 104
第三节刚体定轴转动的功和能 107
一、力矩的功 107
二、刚体定轴转动的动能 107
三、刚体定轴转动的动能定理 108
四、刚体的重力势能 108
第四节刚体定轴转动的角动量 110
一、质点的角动量 110
二、刚体对定轴的角动量 111
三、刚体定轴转动的角动量定理 111
四、角动量守恒定律及应用 112
习题 117
第二篇机械振动和机械波
第五章机械振动 125
第一节简谐振动的描述 125
一、简谐振动 125
二、简谐运动的动力学方程 125
三、描述简谐运动的物理量 127
四、振幅和初相的确定 129
第二节简谐振动的旋转矢量表示法 132
第三节简谐振动的能量 135
一、振动的动能和势能 135
二、能量的平均值和势能曲线 136
第四节同方向的简谐振动的合成 137
一、同方向同频率的两个简谐振动的合成 137
二、同方向不同频率的两个简谐振动的合成 140
*第五节相互垂直的简谐振动的合成 141
*第六节阻尼振动 143
*第七节受迫振动和共振 145
一、受迫振动 145
二、共振及其应用 146
习题 148
第六章机械波 152
第一节机械波的产生和传播 152
一、机械波产生的条件 152
二、机械波的形成和传播 152
三、波面与波线 154
四、描述波的特征量 155
第二节平面简谐波及其描述 159
一、平面简谐波的波动方程 159
二、波动方程的物理意义 160
第三节波的能量 164
一、波的能量和能量密度 164
二、波的能流和能流密度 166
*第四节声波及其应用 168
一、声速 168
二、声强与声强级 168
三、声压和声压级 169
四、声音的三要素 169
五、声波的应用 170
第五节惠更斯原理波的干涉 170
一、波的叠加原理 170
二、惠更斯原理 171
三、波的干涉 172
*第六节驻波 175
一、驻波的形成 175
二、驻波方程 177
三、振动的简正模式 178
四、半波损失 179
*第七节多普勒效应 180
一、波源不动而观察者运动 180
二、观察者不动而波源运动 181
三、波源和观察者均运动 181
习题 183
第三篇热学
第七章气体动理论 189
第一节气体动理论的基本观点 189
第二节状态状态参量理想气体的状态方程 191
一、热力学系统 191
二、平衡态 191
三、描述气体系统的状态参量 191
四、理想气体的三大实验定律 192
五、理想气体的状态方程 193
第三节理想气体的压强 195
一、理想气体的微观模型 195
二、统计假设 195
三、理想气体的压强公式 196
第四节能量均分定理理想气体的内能 198
一、温度的本质和统计意义 198
二、分子的自由度 198
三、能量均分定理 200
四、理想气体的内能 201
第五节麦克斯韦速率分布律 202
一、大量随机事件的统计规律性 203
二、速率分布函数 205
三、麦克斯韦速率分布律 205
四、三种统计速率 206
五、麦克斯韦速率分布曲线的性质 207
六、麦克斯韦速率分布律的实验验证 207
第六节气体分子的平均自由程和碰撞频率 208
一、分子的平均自由程和平均碰撞频率 209
二、平均自由程与平均碰撞频率之间的关系 209
习题 210
第八章热力学基础 215
第一节功热量和系统内能的改变 215
一、准静态过程的功 215
二、热量 216
三、系统内能的改变 217
第二节热力学第一定律及其应用 218
一、热力学第一定律 218
二、等体过程 218
三、等压过程 220
四、等温过程 222
五、绝热过程 222
第三节循环过程卡诺循环 225
一、循环过程 225
二、热机及其效率 226
三、致冷机 227
四、卡诺循环 228
第四节热力学第二定律卡诺定理 230
一、热力学第二定律 231
二、可逆过程和不可逆过程 232
三、卡诺定理 233
*第五节熵和熵增加原理 234
一、克劳修斯等式 235
二、熵增加原理 235
三、热力学第二定律的统计意义 238
习题 244
习题答案 253