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上册1

绪论1

第一篇 力学6

第1章 质点运动学6

1.1 参照系、质点和时间7

1.1.1 参照系和坐标系7

1.1.2 理想化模型——质点8

1.1.3 时刻和时间间隔8

1.1.4 运动的绝对性和运动描述的相对性9

1.1.5 空间和时间9

1.2 描述质点运动的物理量10

1.2.1 位置矢量10

1.2.2 位移矢量12

1.2.3 瞬时速度矢量14

1.2.4 瞬时加速度矢量17

1.3 直线运动和运动学中的两类问题19

1.3.1 直线运动19

1.3.2 质点运动学中的两类问题20

1.3.3 自由落体运动和竖直上抛运动21

1.4 曲线运动23

1.4.1 加速度的切向分量和法向分量23

1.4.2 一般曲线运动27

1.5 运动叠加原理和抛体运动30

1.5.1 运动叠加原理30

1.5.2 抛体运动30

1.5.3 平抛运动32

1.6 相对运动35

本章 内容简介（英文）38

习题140

第2章 牛顿运动定律44

2.1 牛顿运动定律44

2.1.1 牛顿第一定律——惯性定律44

2.1.2 牛顿第二定律45

2.1.3 牛顿第三定律——作用和反作用定律49

2.1.4 惯性参照系50

2.1.5 非惯性参照系50

2.2 力学中常见的几种力50

2.2.1 万有引力50

2.2.2 弹性力52

2.2.3 摩擦力53

2.3 物体的受力分析和示力图56

2.4 牛顿运动定律的应用57

2.4.1 牛顿第二定律的数学表达式57

2.4.2 质点动力学问题的两种基本类型58

2.5 单位制和量纲64

2.5.1 单位制64

2.5.2 量纲65

2.6 牛顿力学的适用范围66

本章 内容简介（英文）68

习题270

第3章 功和能74

3.1 功和功率74

3.1.1 功的概念和定义74

3.1.2 功率78

3.2 动能和动能定理79

3.2.1 动能79

3.2.2 动能定理79

3.3 物体系的势能81

3.3.1 保守力所做的功和物体系的势能81

3.3.2 重力、万有引力、弹性力所做功的特点和势能定理84

3.3.3 非保守力所做的功85

3.4 功能原理和机械能守恒定律86

3.4.1 机械能86

3.4.2 功能原理86

3.4.3 物体系统的机械能守恒定律88

3.4.4 能量守恒定律91

本章 内容简介（英文）92

习题394

第4章 冲量和动量98

4.1 冲量、动量和动量定律98

4.1.1 动量和牛顿第二运动定律的普遍表达式98

4.1.2 冲量和动量定理99

4.1.3 关于动量定理的几点说明101

4.1.4 动量定理的应用101

4.1.5 物体系统的动量定理103

4.2 动量守恒定律104

4.2.1 物体系统的动量守恒定律104

4.2.2 沿某一方向上的动量守恒定律105

4.2.3 在实际应用动量守恒定律时的注意事项105

4.3 碰撞109

4.3.1 正碰109

4.3.2 斜碰111

4.4 物体的角动量定律和角动量守恒定律113

4.4.1 物体对某一定点的角动量113

4.4.2 角动量定理114

4.4.3 角动量守恒定律115

4.4.4 质点组的角动量117

4.5 对称性和守恒定律118

本章 内容简介（英文）120

习题4122

第5章 刚体的定轴转动127

5.1 刚体绕定轴转动的运动学127

5.1.1 刚体的平动127

5.1.2 刚体绕定轴的转动127

5.2 刚体绕定轴转动的转动定律和转动惯量131

5.2.1 作用在质点上的力矩131

5.2.2 刚体绕定轴转动的角动量和力矩132

5.2.3 刚体的瞬时作用定律——转动定律133

5.2.4 刚体绕定轴转动的转动惯量135

5.2.5 转动惯量的定量计算135

5.3 力矩的空间积累效应138

5.3.1 转动动能139

5.3.2 力矩的功和动能定理139

5.3.3 刚体的重力势能140

5.4 力矩的时间积累效应142

5.4.1 刚体绕定轴转动的角动量142

5.4.2 角动量定理143

5.4.3 角动量守恒定律143

本章 内容简介（英文）147

习题5149

阅读材料科学家系列简介（一）154

力学检测题157

第二篇 振动和波160

第6章 振动学基础160

6.1 简谐振动160

6.1.1 弹簧振子161

6.1.2 简谐振动的动力学方程及简谐振动的表达式161

6.1.3 单摆162

6.2 描述简谐振动的物理量163

6.2.1 振幅、周期、频率和圆频率163

6.2.2 相和初相165

6.2.3 简谐振动的速度和加速度166

6.2.4 简谐振动的图像166

6.2.5 简谐振动的基本特征167

6.3 简谐振动的几何表示法170

6.4 简谐振动的能量173

6.5 简谐振动的合成175

6.5.1 两个同方向同频率简谐振动的合成175

6.5.2 两个相互垂直的同频率简谐振动的合成177

6.5.3 两个相互垂直的不同频率的简谐振动的合成179

本章 内容简介（英文）182

习题6184

第7章 机械波189

7.1 机械波的产生和传播189

7.1.1 机械波产生的条件189

7.1.2 机械波的分类189

7.1.3 波长、频率和波速191

7.1.4 波面、波前和波射线193

7.1.5 球面波和平面波194

7.2 平面简谐波的表达式194

7.3 波的能量和能流密度199

7.3.1 机械波的能量和能量密度199

7.3.2 波的能流和能流密度200

7.3.3 平面波的振幅和球面波的振幅201

7.4 惠更斯原理和波的衍射202

7.4.1 惠更斯原理202

7.4.2 波的衍射203

7.5 波的叠加原理和波的干涉204

7.5.1 波的叠加原理204

7.5.2 波的干涉204

7.6 驻波208

7.6.1 弦线上的驻波实验208

7.6.2 驻波方程208

7.6.3 半波损失210

7.7 多普勒效应211

本章 内容简介（英文）213

习题7215

振动和波检测题220

第三篇 气体动理学理论和热力学基础224

第8章 气体动理学理论224

8.1 气体分子动理学理论的基本观点224

8.2 平衡态、状态参量和理想气体状态方程226

8.2.1 平衡态226

8.2.2 状态参量227

8.2.3 理想气体状态方程228

8.3 理想气体的压强233

8.3.1 理想气体的微观模型233

8.3.2 理想气体压强公式233

8.4 温度的微观解释236

8.4.1 温度公式及温度的微观解释236

8.4.2 方均根速率237

8.4.3 理想气体状态方程的另一种形式237

8.5 能量按自由度均分定律和理想气体的内能238

8.5.1 自由度238

8.5.2 能量按自由度均分定理240

8.5.3 理想气体的内能241

8.6 气体分子的速率分布律243

8.6.1 气体分子速率分布律的产生243

8.6.2 气体分子速率分布的实验测定243

8.6.3 麦克斯韦速率分布律244

8.7 分子碰撞和平均自由程248

8.7.1 分子间的碰撞248

8.7.2 平均自由程249

本章 内容简介（英文）251

习题8253

第9章 热力学的物理基础258

9.1 热力学过程、功和热量以及系统的内能258

9.1.1 几个基本概念258

9.1.2 热力学过程259

9.1.3 准静态过程的功260

9.1.4 热量261

9.1.5 系统的内能262

9.2 热力学第一定律263

9.2.1 热力学第一定律的表述263

9.2.2 热力学第一定律的另一种表述264

9.3 理想气体的热容量264

9.3.1 热容量264

9.3.2 理想气体的定体热容量和定压热容量265

9.3.3 定体和定压摩尔热容量与自由度的关系265

9.3.4 比热容比267

9.4 热力学第一定律对理想气体等值过程的应用268

9.4.1 等体过程268

9.4.2 等压过程269

9.4.3 等温过程270

9.5 绝热过程和多方过程273

9.5.1 绝热过程273

9.5.2 多方过程276

9.6 循环过程和卡诺循环277

9.6.1 循环过程277

9.6.2 卡诺循环及其效率279

9.6.3 热机的效率280

9.7 热力学第二定律285

9.8 可逆过程和不可逆过程286

9.8.1 可逆过程287

9.8.2 不可逆过程287

9.9 热力学第二定律的统计意义和适用范围288

9.9.1 热力学第二定律的统计意义288

9.9.2 热力学第二定律的适用范围290

本章 内容简介（英文）291

习题9293

阅读材料 科学家系列简介（二）299

气体动理学理论和热力学基础检测题302

附录Ⅰ 矢量简介305

附录Ⅱ 国际单位制的七个基本单位和两个辅助单位309

附录Ⅲ 重要的物理常数和数据311

附录Ⅳ 历年诺贝尔物理学奖312

下册320

第四篇 电磁学320

第10章 真空中的静电场320

10.1 静电场的基本现象和基本规律321

10.1.1 摩擦起电和两种电荷321

10.1.2 静电感应和电荷守恒定律321

10.1.3 物质的电结构以及导体、绝缘体和半导体322

10.2 真空中的库仑定律323

10.2.1 电荷和库仑定律323

10.2.2 静电场力的叠加原理325

10.2.3 应用库仑定律解题的步骤328

10.3 静电场和电场强度329

10.3.1 静电场329

10.3.2 电场强度矢量329

10.3.3 场强叠加原理332

10.4 电场线、电通量和高斯定理337

10.4.1 电场线337

10.4.2 电通量339

10.4.3 静电场的高斯定理340

10.4.4 高斯定理的应用343

10.4.5 应用高斯定理求场强分布的几点说明346

10.5 静电场力所做的功、电势能、电势差和电势348

10.5.1 静电场力所做的功348

10.5.2 电势能350

10.5.3 电势差351

10.5.4 电势352

10.5.5 电场力所做的功和电势差的关系352

10.5.6 电势叠加原理和电势的计算354

10.6 等势面以及场强与电势的关系358

10.6.1 等势面358

10.6.2 电势与场强的微分关系359

10.7 带电粒子在静电场中受到的力及其运动361

10.7.1 电偶极子在电场中受到的力与力矩361

10.7.2 带电粒子在匀强电场中的运动362

本章 内容简介（英文）364

习题10366

第11章 静电场中的导体和电介质373

11.1 静电场中的导体373

11.1.1 金属导体微观结构的特征373

11.1.2 导体的静电平衡条件373

11.1.3 导体处于静电平衡时的性质374

11.1.4 导体面电荷密度和场强的关系375

11.1.5 导体空腔的电荷分布（导体壳）378

11.2 静电场中的电介质380

11.2.1 电介质的极化及微观机制380

11.2.2 极化强度矢量和极化电荷的关系382

11.2.3 电位移矢量和有电介质时的高斯定理384

11.3 电容器和电容388

11.3.1 孤立导体的电容388

11.3.2 电容器和电容器的电容389

11.3.3 电容器电容的计算390

11.3.4 电介质对电容器电容的影响392

11.3.5 电容器的串联和并联392

11.4 静电场的能量395

11.4.1 点电荷系的相互作用能396

11.4.2 电荷连续分布的带电体系的静电能397

11.4.3 电容器的静电能398

11.4.4 电场的能量和能量密度399

本章 内容简介（英文）403

习题11405

静电场检测题410

第12章 稳恒电流414

12.1 电流和电流密度414

12.1.1 电流的形成414

12.1.2 电流414

12.1.3 电流密度415

12.1.4 稳恒电流和电场416

12.2 一段不含源电路的欧姆定律416

12.2.1 欧姆定律和电阻416

12.2.2 电阻定律和电阻率417

12.2.3 欧姆定律的微分形式419

12.2.4 金属导电的经典电子理论419

12.3 电流的功、功率和焦耳定律421

12.3.1 电流的功和功率421

12.3.2 焦耳定律422

12.4 电阻的串联和并联422

12.4.1 电阻的串联422

12.4.2 电阻的并联423

12.4.3 分压电路和分流电路423

12.5 电源和电动势424

12.5.1 电源424

12.5.2 电动势425

12.6 闭合电路和一段含源电路的欧姆定律426

12.6.1 闭合电路的欧姆定律426

12.6.2 一段含源电路的欧姆定律427

12.7 基尔霍夫定律428

12.7.1 基尔霍夫第一定律428

12.7.2 基尔霍夫第二定律429

本章 内容简介（英文）432

习题12434

第13章 真空中稳恒电流的磁场436

13.1 基本的磁现象436

13.1.1 早期对磁现象的认识436

13.1.2 磁场438

13.2 磁感应强度、磁感应线、磁通量和磁场中的高斯定律439

13.2.1 磁感应强度439

13.2.2 磁感应线440

13.2.3 磁感应通量441

13.2.4 磁场的高斯定理442

13.3 毕奥萨伐尔拉普拉斯定律444

13.3.1 毕奥-萨伐尔-拉普拉斯定律444

13.3.2 磁场叠加原理444

13.3.3 关于毕奥-萨伐尔-拉普拉斯定律的几点说明445

13.3.4 毕奥-萨伐尔-拉普拉斯定律的应用445

13.4 安培环路定理及其应用450

13.4.1 安培环路定理450

13.4.2 安培环路定理的证明451

13.4.3 安培环路定理的应用452

13.5 运动电荷的磁场456

13.6 磁场对电流的作用457

13.6.1 安培定律457

13.6.2 两无限长直载流导线间的作用力459

13.6.3 载流线圈在磁场中所受的力和力矩461

13.7 带电粒子在磁场中的运动462

13.7.1 洛仑兹力462

13.7.2 带电粒子在均匀磁场中的运动464

13.7.3 带电粒子在均匀电场和均匀磁场中的运动465

本章 内容简介（英文）468

习题13470

第14章 磁介质478

14.1 磁介质的磁化和磁导率478

14.1.1 磁场中磁介质的磁化和磁导率478

14.1.2 磁介质的磁导率478

14.1.3 磁介质的分类479

14.1.4 磁介质磁化的微观机制479

14.1.5 磁化强度矢量481

14.1.6 磁化强度与分子电流的关系481

14.2 磁场强度矢量、有磁介质时的安培环路定理和高斯定理482

14.3 磁介质的磁化规律以及磁化率与磁导率484

14.4 铁磁质485

14.4.1 铁磁质的一般特性485

14.4.2 铁磁质的磁化规律485

14.4.3 铁磁质的分类和应用487

14.4.4 铁磁性的起因489

本章 内容简介（英文）491

习题14493

第15章 电磁感应496

15.1 法拉第电磁感应定律496

15.1.1 电磁感应现象496

15.1.2 法拉第电磁感应定律498

15.1.3 楞次定律499

15.2 动生电动势和交流发电机原理502

15.2.1 动生电动势和洛仑兹力502

15.2.2 动生电动势的计算503

15.3 感生电动势和涡旋电场507

15.3.1 感生电动势和涡旋电场507

15.3.2 感生电动势的计算508

15.4 自感和互感511

15.4.1 自感现象及其实验观察511

15.4.2 自感系数和自感电动势512

15.4.3 互感现象和互感系数513

15.5 自感磁能和互感磁能516

15.5.1 自感磁能516

15.5.2 互感磁能517

15.5.3 磁场的能量518

15.6 位移电流和麦克斯韦方程组519

15.6.1 静电场、静磁场的基本方程520

15.6.2 涡旋电场所满足的方程521

15.6.3 位移电流521

15.6.4 麦克斯韦方程组的积分形式525

15.6.5 麦克斯韦方程组的微分形式527

15.6.6 麦克斯韦方程组的意义528

本章 内容简介（英文）529

习题15531

第16章 电磁振荡和电磁波536

16.1 电磁振荡536

16.1.1 无阻尼自由振荡回路536

16.1.2 无阻尼自由振荡的规律537

16.2 电磁波的产生和传播539

16.2.1 振荡回路的改进539

16.2.2 振荡电偶极子发射的电磁波540

16.2.3 E和H的表达式541

16.3 电磁波的性质和能量542

16.3.1 电磁波的性质542

16.3.2 电磁波的能量543

16.3.3 振荡偶极子的发射总功率545

16.3.4 赫兹实验545

16.4 电磁波谱546

16.4.1 无线电波546

16.4.2 红外线546

16.4.3 可见光547

16.4.4 紫外线547

16.4.5 X射线547

16.4.6 γ射线548

本章 内容简介（英文）549

习题16551

阅读材料 科学家系列简介（三）553

静磁学和电磁场检测题556

第五篇 光学的物理基础562

第17章 波动光学基础562

第一部分 光的干涉562

17.1 光波、光源、光的相干叠加和非相干叠加562

17.1.1 光的电磁理论562

17.1.2 光源及其发光特征563

17.1.3 光波叠加原理564

17.1.4 光波的相干叠加和非相干叠加565

17.1.5 相干条件、相干光和相干光源566

17.1.6 获得相干光源的基本方法567

17.1.7 光程、相差和光程差567

17.1.8 干涉条纹的可见度568

17.1.9 光通过薄透镜的等光程性569

17.2 由分波前法产生的光的干涉569

17.2.1 杨氏双缝实验569

17.2.2 洛埃镜实验572

17.3 由分振幅法产生的光的干涉——薄膜干涉573

17.3.1 平行平面膜产生的干涉573

17.3.2 等厚干涉578

17.4 迈克耳孙干涉仪583

17.4.1 迈克耳孙干涉仪583

17.4.2 相干长度和相干时间584

第二部分 光的衍射585

17.5 光的衍射现象和惠更斯-菲涅耳原理585

17.5.1 光的衍射现象与衍射的分类585

17.5.2 惠更斯-菲涅耳原理586

17.6 单狭缝夫琅和费衍射587

17.6.1 夫琅和费衍射的实验587

17.6.2 菲涅耳半波带法588

17.6.3 单缝衍射图样及光强分布589

17.7 圆孔夫琅和费衍射591

17.7.1 圆孔夫琅和费衍射591

17.7.2 光学仪器的分辨本领592

17.7.3 人眼的分辨本领594

17.7.4 光谱仪器的色分辨本领594

17.8 衍射光栅595

17.8.1 平面透射光栅595

17.8.2 光栅光谱598

17.8.3 光栅光谱仪的色分辨本领598

17.8.4 光栅的色散本领598

第三部分 光的偏振600

17.9 自然光和偏振光601

17.9.1 光的偏振现象601

17.9.2 偏振片、起偏器和检偏器603

17.9.3 马吕斯定律603

17.10 光在各向同性介质分界面上反射和折射时的偏振605

17.10.1 反射和折射时的偏振现象605

17.10.2 布儒斯特定律606

17.10.3 玻璃片的检偏606

17.11 光的双折射现象608

17.11.1 晶体的双折射现象608

17.11.2 双折射现象的物理解释609

17.11.3 偏振器件610

本章 内容简介（英文）612

习题17615

阅读材料 科学家系列简介（四）623

波动光学检测题626

第六篇 近代物理和现代工程技术简介629

第18章 狭义相对论基础629

18.1 力学相对性原理、伽利略变换和经典力学时空观629

18.1.1 伽利略时空坐标变换630

18.1.2 力学相对性原理630

18.1.3 牛顿的绝对时空观631

18.2 狭义相对论的两个基本假设和洛仑兹变换633

18.2.1 相对论产生的历史背景633

18.2.2 相对论实验基础633

18.2.3 狭义相对论的两个基本假设635

18.2.4 洛仑兹变换636

18.3 狭义相对论时空观639

18.3.1 相对论时空结构639

18.3.2 长度收缩640

18.3.3 同时性的相对性641

18.3.4 时钟变慢642

18.3.5 狭义相对论时空观643

18.4 狭义相对论动力学基础645

18.4.1 相对论动量、能量645

18.4.2 质能关系647

18.4.3 质能关系的物理意义648

18.4.4 相对论力学方程649

本章 内容简介（英文）650

习题18653

第19章 量子物理基础655

19.1 热辐射和普朗克的辐射量子论655

19.1.1 热辐射及其描述方法655

19.1.2 绝对黑体辐射和基尔霍夫定律657

19.1.3 绝对黑体辐射的实验规律658

19.1.4 绝对黑体辐射的经典理论解释659

19.1.5 普朗克的量子论660

19.1.6 光测高温方法662

19.2 光电效应和爱因斯坦光量子理论664

19.2.1 光电效应的发现664

19.2.2 光电效应的实验规律664

19.2.3 光电效应的经典解释666

19.2.4 光电效应的量子解释666

19.2.5 爱因斯坦的光量子理论667

19.3 康普顿效应和光的波粒二象性668

19.3.1 X射线668

19.3.2 康普顿散射的实验装置669

19.3.3 康普顿散射的实验结果669

19.3.4 经典考虑670

19.3.5 康普顿的量子解释670

19.3.6 光的波粒二象性671

19.4 氢原子光谱规律和玻尔的氢原子理论673

19.4.1 氢原子的光谱673

19.4.2 玻尔的氢原子理论674

19.4.3 玻尔模型的实验验证677

19.4.4 玻尔理论所得的结论679

19.4.5 玻尔理论的局限性680

19.5 实物粒子的波粒二象性681

19.5.1 光的波粒二象性681

19.5.2 实物粒子的波粒二象性681

19.5.3 德布罗意波和量子态683

19.6 不确定关系685

19.6.1 不确定关系的简单导出685

19.6.2 不确定关系的表述和含义685

19.7 波函数及其统计解释687

19.7.1 波函数687

19.7.2 波函数的统计解释688

19.7.3 薛定谔方程689

19.8 一维无限深势阱690

19.9 量子隧道效应692

19.10 氢原子的量子力学处理和电子自旋695

19.10.1 氢原子的量子力学处理695

19.10.2 电子自旋697

19.11 多电子原子和原子的壳层结构699

19.11.1 氦原子的光谱和能级699

19.11.2 泡利不相容原理699

19.11.3 原子的电子壳层结构702

本章 内容简介（英文）708

习题19711

阅读材料 科学家系列简介（五）713

相对论和量子物理检测题717

第20章 能源和核能技术简介720

20.1 能源概念简述720

20.1.1 能源的类型720

20.1.2 能源的转化721

20.1.3 能源的利用722

20.2 原子核的性质和裂变723

20.2.1 原子核的基本性质723

20.2.2 原子核的裂变731

20.3 链式反应和核能的利用734

20.3.1 链式反应734

20.3.2 实现链式反应的条件735

20.3.3 原子核反应堆736

20.3.4 原子反应堆的应用737

20.3.5 原子弹737

20.4 轻原子核的聚变反应和核能的利用738

20.4.1 轻原子核的聚变738

20.4.2 太阳中的原子核聚变739

20.4.3 热核反应740

20.5 其他能源简介743

20.5.1 太阳能及其利用743

20.5.2 风能及其利用744

20.5.3 海洋能的开发和利用745

20.5.4 地热能746

20.5.5 氢能的利用747

习题20748

第21章 激光原理及其应用749

21.1 激光的基本原理749

21.1.1 粒子数按能级的分布749

21.1.2 光与物质的作用750

21.1.3 粒子数反转分布751

21.1.4 光振荡752

21.2 激光器755

21.2.1 激光器种类755

21.2.2 固体激光器755

21.2.3 气体激光器756

21.3 激光的特性758

21.4 激光技术的应用759

21.4.1 激光在工业方面的应用759

21.4.2 激光在能源方面的应用760

21.4.3 激光在医学方面的应用761

21.4.4 激光在军事上的应用762

21.4.5 激光在农业方面的应用762

21.4.6 激光的其他应用762

习题21763

第22章 红外辐射技术原理及其应用简介764

22.1 红外线及红外辐射源764

22.1.1 红外线的发现和红外波段的划分764

22.1.2 红外辐射源的类型及特点764

22.2 红外辐射的传输特性766

22.2.1 红外辐射在传输媒质中的衰减规律766

22.2.2 红外辐射在大气中的传输特性766

22.2.3 红外辐射在凝聚态媒质中的传播768

22.3 红外辐射的探测特性768

22.3.1 红外探测器的特性参数768

22.3.2 红外辐射探测器的种类769

22.3.3 红外成像器件770

22.4 红外技术的应用770

22.4.1 红外测温技术770

22.4.2 红外遥感技术771

22.4.3 红外加热技术及其应用772

22.4.4 红外新技术成果的应用773

习题22775