50年来,EdwardM.Purcell的经典教科书向学生们展示了电场和磁场的世界。第3版又做了更新,统一使用国际标准单位(SIunits),新增了数以百计的新实验、新问题、新数据,另外一个特点就是增加了物理在实际生活中应用的内容。这本教科书涵盖了所有的电磁场方面的知识点,包括静电学、磁场、电流、电磁波,以及物质中的电磁场,等等。用现代的方法来看,磁场的产生是相对论作用的结果。随着物理知识的深入,引入了数学概念和公式,这使得物理的阐述过程更加清晰。讲述的宏观物理现象由基础的微观物理严格导出。有用的例子、几百个图解说明、将近600道章后思考题和习题,使得这本书成为电磁学课程的理想教材。教师们可以在www.cambridge.org/Purcell-Morin上找到“练习”对应的答案。
第3 版前言
50年来, 物理专业的学生们已经习惯了使用这本书的前两版来学习电磁学。这一版本的出版是希望能够跟上时代的趋势, 所以对书里的一些内容做了更新, 同时也添加了一些新的内容。相比于第2版, 第3版的明显改变在于: (1)书里的高斯单位制都改成了国际单位制; (2)书中添加了很多已经解决了的问题和例子。
做出第一个改变是因为现在大多数关于电磁学的课程都是使用国际单位制教授的。第2版已经停止了印刷, 我们伤心地看着这样一本好书就这样逐渐消失, 因为它和这个科目现在的教授方式不相兼容。当然, 在预备课程里面讲解哪一个单位制更“好” 的时候, 情况可能会有些不同。但是这只是假设, 对于这些课程还是回到现实吧。
对于那些喜欢用高斯单位的学生, 或者那些希望他们的学生掌握两种单位制的导师们, 我做了很多可能会有用的附录。附录A 讨论了国际单位制(SI) 和高斯单位制的区别; 附录C 中导出了两种单位制中对应单位的转化因子; 附录D 中解释了如何将公式从国际单位制转变为高斯单位制, 然后集中列出了书中每一个重要结论的国际单位制和高斯单位制中对应的公式。花一点时间看一下这个附录会让你清楚理解那些公式在不同的坐标系中的变换过程。
本书的第二个改变是增加了很多已经解决了的问题和很多新的例子。每一章最后都以“习题” 和“练习” 结尾。“习题” 的答案放在第12章。习题和练习之间仅有的一个区别就是书中有习题的答案而没有练习的答案。(对教师另外有一个习题的答案手册。) 然而, 在做习题时, 另一个区别就是在习题中会得到更多的定理性的结论, 这些结论可以应用在其他的习题或者练习中。
对于使用结论来解决问题时的一些建议: 习题(和练习) 给定了(对于每一个题) 一个从1 星到4 星的难度等级标记。如果你在解一道题时遇到了麻烦, 千万不要急着去看答案。自己先想一会儿。如果最后还是看了答案, 不要只是读读它。相反, 你要用一张纸盖住它, 每一次只读一行, 直到你能开始自己把这道题解出来。然后把书放在一边, 再自己真正做一遍。这是能让你充分理解的唯一办法。如果仅仅只是读一遍答案, 那将毫无用处。你可能会认为那样做也挺好的, 但实际上那对你提升对下一个等级习题的理解能力没有任何帮助。当然, 在理解基本原理的过程中, 对书中包括可能的几个习题的答案的仔细阅读是必要的。但是, 如果第1个等级是对基本概念的理解, 第2 个等级是对概念的应用, 然后你就这样一遍一遍地读下去, 那你将永远不会通过第1 个等级。
这本书尽管在内容上新增加了几个章节, 但其整体格局本质上是和第2版完全一样的。2.7节介绍了偶极子。对偶极子成型的处理方式以及它们的应用会留到第10章。但是, 因为偶极子的基础知识仅仅用第1章和第2章的几个概念就能解释清楚, 所以对它的讲解就安排到了这本书的较早的部分。8.3节中介绍了用取复数形式解的实部来解几个重要的微分方程的方法。9.6.2 小节解决了坡印廷矢量的问
题, 坡印廷矢量可以用来解决一些非常奇特的问题。
每一章中都包含了一个电磁学的“每天” 应用的列表, 其中的讨论比较简洁。这一节的主要目的是列出现在还需要进一步研究的热门话题。你可以使用书籍、互联网、讨论、思考等相结合的方法来对这些问题进行更深入的研究。在我们书籍之外有无限多的有用的信息可以去查询(以1.16节开始的地方的几个起始点为例),所以这一节中我的主要目的就是提供一个进入更深入学习领域的跳板。
在第5章中详细介绍了电场、磁场以及相对论的相互关系。很多学生会感觉这些内容是富有启发性的, 而同时有些学生会感觉这部分有些困难。(然而, 这两种学生并不是没有一点交集!) 对于那些希望避开一些纯理论路线的教师们, 是可以仅仅简略介绍一下第5 章中的主要结论而从第4章直接跳到第6章的, 也就是说,只需要知道磁场是由直的通电导线产生的就行。
在这一版中, 对于非笛卡儿坐标系(柱坐标系、球坐标系) 的使用更加突出。为了建立起某种对称关系, 合适地选择坐标系类型可以很大程度地简化计算。附录F 给出了多种向量算符在不同的坐标系中的表示。
相比于第2版, 这一版的难度等级明显提高了, 主要是因为加入了一些比较难的习题。如果你正在寻找额外的挑战, 这些习题会很适合你的口味。然而, 如果你把它们忽略掉(在使用本书教学的任何一个标准的课程里, 都是可以做到的), 它的难度等级就和第2 版大致相同了。
Edward M. Purcell, 分别在其科研成果、教育以及市民工作方面被授予了很多奖励。1952年, 他因为发现了液体和固体的核磁共振现象而获得诺贝尔物理学奖, 通过核磁共振, 可以简单、精准地确定有多种用途的基础材料的化学结构, 包括磁共振成像的材料(MRI)。在他的事业生涯中, 曾经分别做过艾森豪威尔总统、肯尼迪总统以及约翰逊总统的技术顾问。
David J. Morin, 哈佛大学物理系的讲师, 大学生研究会的副董事。他也是教科书《经典力学导论》(剑桥大学出版社,2008)的作者。