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第1章 质点机械运动状态的描述 1

本章引入和导读 1

1.1 质点——描述物体机械运动的一个理想模型——什么是质点？为什么要引入质点模型？ 2

1.2 描述物体机械运动状态的物理量——什么是位移、速度和加速度？ 3

1.2.1 标量和矢量 3

1.2.2 位置矢量和位移矢量 3

1.2.3 平均速度和瞬时速度 4

1.2.4 平均加速度和瞬时加速度 5

1.3 物体机械运动的相对性——在不同参考系中描述同一个物体的运动结果相同吗？ 6

1.4 物体机械运动的分类——物体的机械运动有哪几种分类？ 7

1.4.1 直线运动和曲线运动 7

1.4.2 匀速运动和变速运动 10

1.5 中学物理和大学物理运动学的几点比较——中学物理与大学物理运动学有哪些不同？ 13

思考题 14

习题 15

第2章 物体机械运动状态变化原因的描述 17

本章引入和导读 17

2.1 牛顿提出的绝对时间和绝对空间——什么是牛顿提出的经典时空观？ 18

2.2 牛顿三大运动定律——什么是牛顿三大运动定律的整体性和公理性？ 19

2.2.1 牛顿第一定律：惯性以及力和运动状态变化的定性关系 19

2.2.2 牛顿第二定律：动量以及力和运动状态变化的定量关系 20

2.2.3 牛顿第三定律：两个物体之间真实作用力相互作用的对称性 21

2.2.4 牛顿三大定律的整体性及其相互关系 21

2.2.5 牛顿三大定律是一个完整的逻辑化公理体系 22

2.3 从行星运动三大定律到万有引力定律——牛顿是怎样提出“万有引力定律”的？ 25

2.3.1 开普勒和行星运动三大定律 25

2.3.2 牛顿提出的万有引力定律 26

2.4 牛顿三大定律的提出是经典力学的伟大成就——什么是科学史上的第一次大统一？ 27

思考题 28

习题 28

第3章 质点的动量、角动量及其守恒定律 31

本章引入和导读 31

3.1 质点的动量、动量定理和动量守恒定律——为什么说动量是物体机械运动的矢量量度？ 32

3.1.1 质点的动量和动量定理——力的时间累积效应 32

3.1.2 碰撞现象和质点的动量守恒定律 33

3.1.3 动量守恒定律和牛顿定律的关系 36

3.2 角动量、角动量定理和角动量守恒定律——为什么说角动量是物体相对于定点运动的矢量量度？ 36

3.2.1 角动量和角动量定理——力矩的时间累积效应 36

3.2.2 角动量守恒定律和有心力 38

3.3 动量和角动量的几点比较 40

思考题 41

习题 41

第4章 机械能和机械能守恒定律 43

本章引入和导读 43

4.1 外力的功、动能定理和机械能守恒定律——为什么说动能是物体机械运动的标量量度？ 45

4.1.1 功的一般定义和动能定理 45

4.1.2 保守力的功和质点的势能 46

4.1.3 系统的机械能定理和机械能守恒定律 51

4.2 普遍的能量守恒定律 53

思考题 54

习题 55

第5章 具有周期性运动行为的振动和波动的描述 58

本章引入和导读 58

5.1 简谐振动的运动学描述——什么是描述简谐振动的三个特征量？ 59

5.1.1 简谐振动的一个理想化模型——谐振子的运动 59

5.1.2 简谐振动的旋转矢量图示法 61

5.1.3 简谐振动的速度和加速度 62

5.1.4 简谐振动的初始条件 62

5.1.5 单摆的运动 63

5.2 简谐振动的机械能——什么是简谐振动的动能和势能？ 64

5.3 两个简谐振动的合成——相位差在振动合成中有着怎样的重要作用？ 65

5.3.1 两个位移同方向、同频率的简谐振动的合成 65

5.3.2 两个位移方向互相垂直、同频率的简谐振动的合成 66

5.4 受阻力和外力驱动作用时的实际振动——阻力和外力怎样影响简谐振动？ 68

5.4.1 阻尼振动的利和弊 68

5.4.2 受迫振动的利和弊 69

5.5 简谐波动的描述——振动的信息和能量是怎样传播的？ 70

5.5.1 机械波动是机械振动的传播 70

5.5.2 简谐波动的分类：横波和纵波 70

5.5.3 平面简谐波的运动方程 71

5.6 简谐波动的能量和能量的传播——波动的能量和振动的能量有什么区别？ 74

5.6.1 简谐波动的动能和势能 74

5.6.2 简谐波动的能量流 75

5.7 两个简谐波动的合成——什么是波动的相长干涉和相消干涉？ 75

5.7.1 两列简谐波的相长干涉和相消干涉 75

5.7.2 驻波——波的干涉的一个特例 77

5.8 多普勒效应——什么是电子警察和频率红移？ 79

思考题 80

习题 81

第6章 刚体机械运动状态的描述 84

本章引入和导读 84

6.1 刚体运动及其分类——什么是刚体？怎样对刚体运动进行分类？ 85

6.1.1 刚体是固态物体的一个理想模型 85

6.1.2 刚体运动的分类——平动和定轴转动 86

6.2 怎样描述刚体定轴转动的运动状态——什么是刚体定轴转动的角量和线量？ 87

6.2.1 刚体的转动角位移及其运动方程 87

6.2.2 刚体的转动角速度和角加速度 87

思考题 88

习题 89

第7章 刚体机械运动状态变化原因的描述 90

本章引入和导读 90

7.1 刚体的质心和质心运动定理——怎样建立刚体运动定理与质点运动定理的类比？ 91

7.1.1 刚体的质心 91

7.1.2 刚体的质心运动定理 91

7.2 刚体定轴转动的角动量和角动量定理——怎样建立刚体的转动动力学与质点动力学之间的类比？ 92

7.2.1 刚体的转动惯性和转动惯量 92

7.2.2 刚体定轴转动的角动量和角动量定理 94

7.3 刚体定轴转动的动能和动能定理——怎样建立刚体转动动能定理与质点动能定理的类比？ 96

思考题 98

习题 99

第8章 物体热运动状态和状态变化过程的描述 101

本章引入和导读 101

8.1 热学研究的对象、内容和热力学系统的分类——什么是热力学系统及其分类？ 102

8.1.1 热学研究的对象和内容 102

8.1.2 热力学系统的分类 102

8.2 热力学平衡状态——什么是静中有动的统计平衡态？ 103

8.3 热平衡定律和温度——什么是温度的科学定义？ 104

8.3.1 对物体的冷热程度的感觉判断 104

8.3.2 热平衡定律和温度的科学定义 105

8.4 温标和温度计——什么是温度的定量表示方式？ 106

8.5 气体的状态方程——什么是热力学系统的静态描述？ 108

8.6 动中有静的准静态过程——什么是热力学过程的动态描述？ 109

8.6.1 从静态描述到动态描述 109

8.6.2 引起系统状态变化的两种方式 110

8.6.3 动中有静的准静态过程 110

思考题 111

第9章 热力学状态和状态变化的统计描述 112

本章引入和导读 112

9.1 关于分子个体行为和集体行为的基本假设——什么是分子动理论的基本假设？ 113

9.2 气体压强和温度的微观解释——什么是压强和温度的统计意义？ 114

9.2.1 气体压强的微观解释 114

9.2.2 气体温度的微观解释 114

9.3 分子无规则运动的速度分布函数——什么是大量分子无规则运动速度呈现的统计规律？ 115

9.3.1 麦克斯韦速度分布函数 115

9.3.2 三个特征速率 117

9.4 能量按自由度均分定理——什么是大量分子无规则运动能量呈现的统计规律？ 118

9.4.1 能量按自由度均分定理 118

9.4.2 理想气体的内能与热容 120

思考题 121

习题 122

第10章 热力学过程中能量转化和守恒的描述 124

本章引入和导读 124

10.1 内能和热力学第一定律——什么是热力学系统的内能？ 125

10.2 热力学第一定律对理想气体的应用——怎样得出准静态过程的功、热量和内能？ 127

10.2.1 准静态单一过程的功 127

10.2.2 准静态单一过程的热容和热量 128

10.2.3 准静态单一过程内能的改变 130

10.3 准静态单一过程的过程方程——什么是单一过程的过程方程？ 130

10.4 准静态循环过程及其效率——什么是准静态循环过程的效率？ 132

10.5 卡诺循环——一个理想化的循环过程——什么是卡诺循环及其效率？ 133

10.6 能量守恒和转化的思想是物理学的重要思想——什么是做功和热传递的量的等当性和质的可转化性？ 135

思考题 136

习题 137

第11章 热力学过程中能量传递和转化方向性的描述 139

本章引入和导读 139

11.1 不可逆过程和可逆过程——什么是自然界实际过程的方向性？ 140

11.2 热力学第二定律的两种典型表述——为什么热力学第二定律的地位高于热力学第一定律？ 141

11.3 不可逆过程是能量品质不断降低的过程——为什么热能不如其他形式的能量有用？ 142

11.4 熵和熵增加原理——在热力学中熵的地位为什么比内能更重要？ 143

11.4.1 一个比内能更重要的状态函数——熵 143

11.4.2 熵增加原理：宇宙的熵增加 144

11.5 热力学第二定律的微观解释和熵的微观意义——为什么系统越无序它的熵就越大？ 147

11.6 热力学第三定律和零熵——为什么绝对零度是不可能达到的？ 148

11.7 人类对大自然的尊重和敬畏——热力学定律否定性表述的重要意义是什么？ 149

思考题 150

习题 151

第12章 静电力和静电场的描述 152

本章引入和导读 152

12.1 对场的认识的深化是电磁学中的一条思想主线——对电磁力的研究为什么需要从头开始？ 153

12.2 电荷的分类和电荷守恒定律——物体带电现象的产生或消失的实质是什么？ 154

12.2.1 电荷和起电 154

12.2.2 电量和电荷守恒 155

12.3 静电力的库仑定律——什么是点电荷库仑定律的完整表述？ 155

12.4 静电场的物理描述方式——什么是电场强度和电势？ 157

12.4.1 静电场状态的物理描述方式 157

12.4.2 电场力、电场强度和电场强度叠加原理 158

12.4.3 电势能、电势和电势叠加原理 159

12.4.4 电场强度和电势的关系 162

12.5 典型的带电体产生的电场强度和电势——求电场强度和电势的从部分到整体的方法是什么？ 163

12.6 静电场的几何描述方式——什么是电场线和电通量？ 169

12.6.1 电场线 169

12.6.2 电通量 170

12.6.3 等势面 171

12.7 静电场的高斯定理——求电场强度和电势从整体到部分的方法是什么？ 172

12.7.1 静电场的高斯定理 172

12.7.2 高斯定理提供了计算电场强度从整体到部分的方法 173

12.8 静电场与导体和电介质的相互作用——静电场与物质的相互作用是什么？ 177

12.8.1 物质导电性能的分类 177

12.8.2 静电场与导体的相互作用 177

12.8.3 静电场与电介质的相互作用 179

12.8.4 真空中的电容器及其电容 180

12.8.5 充满电介质的电容器及其电容 183

12.8.6 电介质存在时的高斯定理 185

12.9 电容器的能量和静电场的能量——什么是静电场的能量？ 186

思考题 187

习题 188

第13章 稳恒电流和磁场的描述 191

本章引入和导读 191

13.1 电流强度、电流密度和欧姆定律的微观形式——怎样更细致地描述电流的大小？ 192

13.1.1 电流强度和电流密度及其相互关系 192

13.1.2 欧姆定律的微观形式 193

13.2 磁场的物理描述方式和几何描述方式——什么是磁感应强度、磁感应线和磁通量？ 194

13.2.1 磁感应强度 194

13.2.2 磁感应线和磁通量 195

13.3 从电流元的磁场到稳恒电流产生的磁场——计算磁场的从部分到整体的方法是什么？ 196

13.3.1 电流元产生的磁场：毕奥-萨伐尔定律 196

13.3.2 毕奥-萨伐尔定律的应用举例 197

13.4 描述磁场特征的两大重要定理——什么是磁场中的高斯定理和安培环路定理？ 199

13.4.1 磁场中的高斯定理 199

13.4.2 磁场中的安培环路定理 199

13.4.3 安培环路定理的应用举例 200

13.5 磁场对运动电荷和电流的作用——什么是磁场对运动电荷和对载流导线的作用？ 202

13.5.1 磁场对运动电荷的作用 202

13.5.2 霍尔效应 203

13.5.3 磁场对载流导线的作用 204

13.5.4 磁场对载流线圈的作用 205

13.6 磁场与物质的相互作用——磁介质是怎样被磁化，又是怎样影响外磁场的？ 206

13.6.1 磁介质的磁化及其分类 206

13.6.2 磁介质磁化对磁场的影响 208

思考题 210

习题 211

第14章 电磁感应现象的描述和麦克斯韦方程组 213

本章引入和导读 213

14.1 磁生电——感应电动势是怎样产生和判定的？ 214

14.1.1 磁场的变化产生电场 214

14.1.2 动生电动势和感生电动势 216

14.1.3 自感现象、互感现象和磁场的能量 218

14.2 电场和磁场的统一性和麦克斯韦方程组——什么是电场和磁场的内在联系？ 222

14.2.1 位移电流假说的提出 222

14.2.2 电场和磁场的内在联系 223

14.2.3 电磁波的产生和传播 224

14.2.4 电磁波频率的“家谱”及其分类 225

14.3 麦克斯韦方程组的重要地位和作用——什么是科学史上第二次大统一？ 226

思考题 227

习题 227

第15章 光的本性的物理描述 230

本章引入和导读 230

15.1 光的微粒说对光的直线传播现象的理论描述——什么是光的微粒说？ 231

15.1.1 从光的微粒说的萌芽到光的粒子流假设 231

15.1.2 微粒说对光的直线传播和反射、折射现象的理论描述 231

15.2 光的波动说对光的干涉现象的理论描述——什么是光的波动说？ 232

15.2.1 从笛卡儿的波动思想到惠更斯的波动说 232

15.2.2 托马斯·杨的波动说和双缝干涉实验 233

15.2.3 波动说对光的薄膜干涉现象的理论描述 237

15.3 光的波动说对光的衍射现象的理论描述——什么是惠更斯-菲涅耳原理？ 242

15.3.1 光的衍射现象 242

15.3.2 惠更斯-菲涅耳原理 243

15.3.3 波动说对光的衍射现象的理论描述 243

15.4 光的波动说对光的偏振现象的理论描述——什么是马吕斯定律和布儒斯特定律？ 250

15.4.1 光的偏振性 250

15.4.2 自然光、偏振光和偏振光的分类 250

15.4.3 起偏、检偏和马吕斯定律 251

15.4.4 反射光、折射光的偏振和布儒斯特定律 253

15.5 光的量子说对光电效应现象的理论描述——什么是光的量子说？ 254

15.5.1 黑体辐射和能量的量子说假设 254

15.5.2 光电效应现象和光量子假设 254

思考题 255

习题 256

第16章 相对论基础 258

本章引入和导读 258

16.1 从伽利略的相对性原理到爱因斯坦的相对性原理——两种时空观对两个问题分别给出怎样不同的回答？ 259

16.2 一个理想的追光实验和两条基本原理的提出——经典的时空观是怎样失效的？ 261

16.2.1 一个理想的追光实验 261

16.2.2 两条基本原理的提出 262

16.3 同时的相对性——动钟是怎样变慢的？ 264

16.3.1 同时是相对的 264

16.3.2 动钟变慢 265

16.4 长度是相对的——长度是怎样收缩的？ 266

16.5 洛伦兹时空变换和速度变换——洛伦兹时空变换怎样取代了伽利略变换？ 268

16.5.1 洛伦兹时空变换公式 268

16.5.2 洛伦兹速度变换公式 269

16.6 质量和能量本是“一家人”——质量会改变吗？ 269

16.6.1 问题的提出 269

16.6.2 质量与速度的关系 270

16.6.3 能量与质量的关系 271

16.7 广义相对论简介——什么是广义相对论的基本原理？ 272

16.7.1 等效原理 272

16.7.2 等价原理 273

思考题 274

习题 275

第17章 量子物理基础 277

本章引入和导读 277

17.1 黑体辐射的普朗克公式和能量子假设——能量子的假设是怎样提出来的？ 278

17.1.1 一定温度下物体辐射的电磁波能量与波长的关系 278

17.1.2 黑体辐射公式和能量子假设 280

17.2 光电效应和光量子假设——爱因斯坦对光电效应作出什么样的理论解释？ 282

17.2.1 光电效应的实验现象和理论解释 282

17.2.2 光子的能量、动量和波粒二象性 284

17.3 德布罗意和物质波——物质波、机械波和电磁波有什么不同？ 285

17.3.1 物质波假设的提出 285

17.3.2 物质波的实验验证 286

17.4 微观粒子的波动性是非经典的波动——什么是描述微观粒子波动性的基本方程？ 286

17.5 一维无限深方势阱中的粒子波函数及能量——无限深方势阱里的粒子能量为什么是离散的？ 288

17.6 氢原子的波函数及其能级分布——确定氢原子的定态为什么需要三个量子数？ 289

17.7 海森伯的不确定原理——同时精确测量微观粒子的位置和动量为什么是不可能的？ 291

17.7.1 经典力学的确定性和不确定性 291

17.7.2 海森伯的不确定原理 292

17.8 波函数和量子态——什么是薛定谔猫？ 294

思考题 296

习题 296

参考书目 298

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