前言
這部《大學物理學》(第三版)含力學篇、熱學篇、電磁學篇、光學篇和量子物理篇,共5篇。
本書自第一版與第二版問世以來,已被多所院校用作教材。根據使用過此書的教師與學生以及其他讀者的反映,也考慮到近幾年物理教學的發展動向,本書推出第三版。第三版內容的撰寫與修改仍延續了第二版的科學性和系統性的特點,保持了原有的體系和風格,並在第二版的基礎上,增加、拓寬了一些內容。
本書內容完全涵蓋了2006年我國教育部發布的“非物理類理工學科大學物理課程基本要求”。書中各篇對物理學的基本概念與規律進行了正確明晰的講解。講解基本上都是以最基本的規律和概念為基礎,推演出相應的概念與規律。筆者認為,在教學上套用這種演繹邏輯更便於學生從整體上理解和掌握物理課程的內容。
力學篇是以牛頓定律為基礎展開的。除了直接套用牛頓定律對問題進行動力學分析外,還引入了動量、角動量、能量等概念,並著重講解相應的守恆定律及其套用。除慣性系外,還介紹了利用非慣性系解題的基本思路,剛體的轉動、振動、波動這三章內容都是上述基本概念和定律對於特殊系統的套用。
電磁學篇按照傳統講法,講述電磁學的基本理論,包括靜止和運動電荷的電場,運動電荷和電流的磁場,介質中的電場和磁場,電磁感應,電磁波等。電磁學的講述未止於麥克斯韋方程組,而是繼續講述了電磁波的發射機制及其傳播特徵等。
熱學篇的講述是以微觀的分子運動的無規則性這一基本概念為基礎的。除了闡明經典力學對分子運動的套用外,特別引入並加強了統計概念和統計規律,包括麥克斯韋速率分布律的講解。對熱力學第一定律也闡述了其微觀意義。對熱力學第二定律是從巨觀熱力學過程的方向性講起的,說明方向性的微觀根源,並利用熱力學機率定義了玻耳茲曼熵並說明了熵增加原理,然後再進一步導出克勞修斯熵及其計算方法。這種講法最能揭露熵概念的微觀本質,也便於理解熵概念的推廣套用。
光學篇以電磁波和振動的疊加概念為基礎,講述了光電干涉和衍射的規律。第24章光的偏振講述了電磁波的橫波特徵。然後,根據光電波動性在特定條件下的近似特徵——直線傳播,講述了幾何光學的基本定律及反射鏡和透鏡的成像原理。
前言大學物理學(第三版)下冊以上力學、電磁學、熱學、光學各篇的內容基本上都是經典理論,但也在適當地方穿插了量子理論的概念和結論以便相互比較。
量子物理篇先介紹狹義相對論。狹義相對論的講解以兩條基本假設為基礎,從同時性的相對性這一“關鍵的和革命的”(楊振寧語)概念出發,逐漸展開得出各個重要結論。這種講解可以比較自然地使學生從物理上而不只是從數學上弄懂狹義相對論的基本結論。然後從波粒二象性出發以定態薛丁格方程為基礎講解量子物理。介紹了原子、分子和固體中電子的運動規律以及核物理的知識。關於教學要求中的擴展內容,如基本粒子和宇宙學的基本知識是在“今日物理趣聞K”和“今日物理趣聞H”欄目中作為現代物理學前沿知識介紹的。
本書除了5篇基本內容外,還開闢了“今日物理趣聞”欄目,介紹物理學的近代套用與前沿發展,而“科學家介紹”欄目用以提高學生素養,鼓勵成才。
本書各章均配有思考題和習題,以幫助學生理解和掌握已學的物理概念和定律或擴充一些新的知識。這些題目有易有難,絕大多數是實際現象的分析和計算。題目的數量適當,不以多取勝。也希望學生做題時不要貪多,而要求精,要真正把做過的每一道題從概念原理上搞清楚,並且用儘可能簡潔明確的語言、公式、圖像表示出來,需知,對一個科技工作者來說,正確地書面表達自己的思維過程與成果也是一項重要的基本功。
本書在保留經典物理精髓的基礎上,特別注意加強了現代物理前沿知識和思想的介紹。本書內容取材在注重科學性和系統性的同時,還注重密切聯繫實際,選用了大量現代科技與我國古代文明的資料,力求達到經典與現代,理論與實際的完美結合。
本書在量子物理篇中專門介紹了近代(主要是20世紀30年代)物理知識,並在其他各篇適當介紹了物理學的最新發展,同時為了在大學生中普及物理學前沿知識以擴大其物理學背景,在“今日物理趣聞”專欄中,分別介紹了“基本粒子”、“大爆炸和宇宙膨脹”、“能源與環境”、“電漿”、“超導電性”、“雷射套用二例”、“新奇的納米技術”等專題。這些都是現代物理學以及公眾非常關心的題目。本書所介紹的趣聞有的已伸展到最近幾年的發現,這些“趣聞”很受學生的歡迎,他們拿到新書後往往先閱讀這些內容。
物理學很多理論都直接聯繫著當代科技乃至人們的日常生活。教材中列舉大量實例,既能提高學生的學習興趣,又有助於對物理概念和定律的深刻理解以及創造性思維的啟迪。本書在例題、思考題和習題部分引用了大量的實例,特別是反映現代物理研究成果和套用的實例,如全球定位系統、光碟、宇宙探測、天體運行、雷達測速、立體電影等。同時還大量引用了我國從古到今技術上以及生活上的有關資料,例如古籍《宋紀要》關於“客星”出沒的記載,北京天文台天線陣,長征火箭,神舟飛船,天壇祈年殿,黃果樹瀑布,阿迪力走鋼絲,抖空竹,1976年唐山地震,1988年特大洪災,等等。這些例子體現了民族文化,可以增強學生對物理的“親切感”,而且有助於學生的民族自豪感和責任心的提升。
物理教學除了“授業”外,還有“育人”的任務。為此本書介紹了十幾位科學大師的事跡,簡要說明了他們的思想境界、治學態度、開創精神和學術成就,以之作為學生為人處世的借鑑。在此我還要介紹一下我和帕塞爾教授的一段交往。帕塞爾教授是哈佛大學教授,1952年因對核磁共振研究的成果榮獲諾貝爾物理學獎。我於1977年看到他編寫的《電磁學》,深深地為他的新講法所折服。用他的書講述兩遍後,於1987年貿然寫信向他請教,沒想到很快就收到他的回信(見附圖)和贈送給我的教材(第二版)及習題解答。他這種熱心幫助一個素不相識的外國教授的行為使我非常感動。
帕塞爾《電磁學》(第二版)封面
本書作者與帕塞爾教授合影(1993年)
帕塞爾回信複印件
他在信中寫道“本書170~171頁關於L.Page的註解改正了第一版的一個令人遺憾的疏忽。1963年我寫該書時不知道Page那篇出色的文章,我並不認為我的講法是原創的——遠不是這樣——但當時我沒有時間查找早先的作者追溯該講法的歷史。現在既然你也喜歡這種講法,我希望你和我一道在適當時機宣揚Page的1912年的文章。”一位物理學大師對自己的成就持如此虛心、謙遜、實事求是的態度使我震撼。另外,他對自己書中的疏漏(實際上有些是印刷錯誤)認真修改,這種嚴肅認真的態度和科學精神也深深地教育了我。帕塞爾這封信所顯示的作為一個科學家的優秀品德,對我以後的為人處世治學等方面都產生了很大影響,始終視之為楷模追隨仿效,而且對我教的每一屆學生都要展示帕塞爾的這一封信對他們進行教育,收到了很好的效果。
本書的撰寫和修訂得到了清華大學物理系老師的熱情幫助(包括經驗與批評),也採納了其他兄弟院校的教師和同學的建議和意見。此外,也從國內外的著名物理教材中吸取了很多新的知識、好的講法和有價值的素材。這些教材主要有:新概念物理教程(趙凱華等),FeymanLecturesonPhysics,BerkeleyPhysicsCourse(PurcellEM,ReifF,etal.),TheManchesterPhysicsSeries(MandlF,etal.),Physics(ChanianHC.),FundamentalsofPhysics(ResnickR),Physics(AlonsoMetal.)等。
對於所有給予本書幫助的老師和學生以及上述著名教材的作者,本人在此謹致以誠摯的謝意。清華大學出版社諸位編輯對第三版雜亂的原稿進行了認真的審閱和編輯,特在此一併致謝。
張三慧於清華園
目錄
第3篇熱學
第16章溫度和氣體動理論3
16.1平衡態3
16.2溫度的概念4
16.3理想氣體溫標5
16.4理想氣體狀態方程7
16.5氣體分子的無規則運動9
16.6理想氣體的壓強11
16.7溫度的微觀意義14
16.8能量均分定理16
16.9麥克斯韋速率分布律18
16.10麥克斯韋速率分布律的實驗驗證24
*16.11玻耳茲曼分布律25
16.12實際氣體等溫線27
*16.13范德瓦耳斯方程28
*16.14非平衡態輸運過程32
提要36
思考題38
習題39
科學家介紹玻耳茲曼43
第17章熱力學第一定律46
17.1功熱量熱力學第一定律46
17.2準靜態過程48
17.3熱容51
17.4絕熱過程56
17.5循環過程60
17.6卡諾循環62
17.7致冷循環65
提要66
思考題68
習題68
科學家介紹焦耳73
今日物理趣聞E能源與環境76
E.1各式能源的利用76
E.2人類環境問題77
第18章熱力學第二定律82
18.1自然過程的方向82
18.2不可逆性的相互依存84
18.3熱力學第二定律及其微觀意義85
18.4熱力學機率與自然過程的方向87
18.5玻耳茲曼熵公式與熵增加原理90
18.6可逆過程92
18.7克勞修斯熵公式94
18.8用克勞修斯熵公式計算熵變98
*18.9溫熵圖100
*18.10熵和能量退降101
提要102
思考題103
習題104
第4篇光學第19章振動109
19.1簡諧運動的描述109
19.2簡諧運動的動力學112
19.3簡諧運動的能量116
19.4阻尼振動117
19.5受迫振動共振119
19.6同一直線上同頻率的簡諧運動的合成120
19.7同一直線上不同頻率的簡諧運動的合成122
*19.8諧振分析123
*19.9兩個相互垂直的簡諧運動的合成125
提要126
思考題127
習題128
第20章波動132
20.1行波132
20.2簡諧波133
20.3物體的彈性形變138
20.4彈性介質中的波速140
20.5波的能量142
20.6惠更斯原理與波的反射和折射145
20.7波的疊加駐波148
20.8聲波152
*20.9地震波地震波154
*20.10水波水波155
20.11都卜勒效應157
*20.12行波的疊加和群速度群速度161
*20.13孤子163
提要164
思考題166
習題167
第21章幾何光學173
21.1光線173
21.2光的反射174
21.3球面反射鏡176
21.4光的折射178
21.5薄透鏡的焦距180
21.6薄透鏡成像183
21.7人眼187
21.8助視儀器188
提要191
思考題192
習題194
第22章光的干涉197
22.1楊氏雙縫干涉197
22.2相干光201
*22.3光的非單色性對干涉條紋的影響203
*22.4光源的大小對干涉條紋的影響205
22.5光程208
22.6薄膜干涉(一)——等厚條紋210
22.7薄膜干涉(二)——等傾條紋214
22.8邁克耳孫干涉儀216
提要217
思考題218
習題219
科學家介紹托馬斯·楊和菲涅耳222
第23章光的衍射225
23.1光的衍射和惠更斯菲涅耳原理225
23.2單縫的夫琅禾費衍射226
23.3光學儀器的分辨本領231
23.4細絲和細粒的衍射233
23.5光柵衍射235
23.6光柵光譜241
23.7光碟及其錄音與放音243
23.8X射線衍射247
提要248
思考題249
習題250
今日物理趣聞F全息照相253F.1全息照片的拍攝253
F.2全息圖像的觀察255
F.3全息照相全息照相的套用256
第24章光的偏振257
24.1光的偏振狀態257
24.2線偏振光的獲得與檢驗259
24.3反射和折射時光的偏振261
24.4由散射引起的光的偏振262
24.5雙折射現象263
*24.6橢圓偏振光和圓偏振光267
*24.7偏振光的干涉270
*24.8人工雙折射271
*24.9旋光現象272
提要274
思考題275
習題276
今日物理趣聞G液晶279
G.1液晶的結構279
G.2液晶的光學特性280
第5篇量子物理
第25章狹義相對論基礎285
25.1牛頓相對性原理和伽利略變換285
25.2愛因斯坦相對性原理和光速不變288
25.3同時性的相對性和時間延緩289
25.4長度收縮293
25.5洛倫茲坐標變換295
25.6相對論速度變換299
25.7相對論質量301
*25.8力和加速度的關係304
25.9相對論動能305
25.11動量和能量的關係309
*25.12相對論力的變換312
提要313
思考題314
習題315
科學家介紹愛因斯坦318
今日物理趣聞H大爆炸和宇宙膨脹320
H.1現時的宇宙320
H.2宇宙膨脹和大爆炸321
H.3從大爆炸到今天323
H.4宇宙的未來326
H.5至大和至小的理論結合起來了329
第26章波粒二象性330
26.1黑體輻射330
26.2光電效應333
26.3光的二象性光子335
26.4康普頓散射338
26.5粒子的波動性341
26.6機率波與機率幅344
26.7不確定關係347
提要352
思考題353
習題353
科學家介紹德布羅意356
第27章薛丁格方程358
27.1薛丁格得出的波動方程358
27.2無限深方勢阱中的粒子362
27.3勢壘穿透365
27.4諧振子370
提要372
思考題372
習題373
科學家介紹薛丁格375
第28章原子中的電子377
28.1氫原子377
28.2電子的自旋與自旋軌道耦合385
28.3微觀粒子的不可分辨性和泡利不相容原理391
28.4各種原子核外電子的組態392
28.5X射線396
28.6雷射399
28.7分子結構403
28.8分子的轉動和振動能級407
提要411
思考題412
習題413
科學家介紹玻爾416
今日物理趣聞I雷射套用二例418
I.1多光子吸收418
I.2雷射冷卻與捕陷原子420
第29章固體中的電子423
29.1自由電子按能量的分布423
29.2金屬導電的量子論解釋427
29.3量子統計428
29.4能帶導體和絕緣體431
29.5半導體434
29.6PN結435
29.7半導體器件436
提要438
思考題440
習題440
今日物理趣聞J新奇的納米科技442
J.1什麼是納米科技442
J.2納米材料443
J.3納米器件444
第30章核物理446
30.1核的一般性質446
30.2核力450
30.3核的結合能451
30.4核的液滴模型454
30.5放射性和衰變定律456
30.6α衰變460
30.7穆斯堡爾效應461
30.8β衰變466
30.9核反應469
提要472
思考題473
習題473
今日物理趣聞K基本粒子476K.1粒子的發現與特徵476
K.2粒子分類477
K.3粒子的轉化與守恆定律479
K.4夸克480
K.5色481
K.6粒子研究與技術483
元素周期表486
數值表487
習題答案489
諾貝爾物理學獎獲得者名錄500