《大学物理:全2册》是按照非物理类理工学科大学物理课程教学基本要求,并结合信息化时代培养创新型人才的要求编写的。在普通高等教育“十一五”***规划教材的基础上,进一步优化和完善教学内容和教学体系,把核心教学内容分为力学、热学、电磁学、光学和量子物理五篇,涉及经典物理、近代物理和天体物理与宇宙,以及半导体和经典计算机、激光与捕陷原子,超导与超导量子干涉仪和态叠加原理与量子计算机等现代科学技术。 《大学物理:全2册》分为上下册,上册包括力学和热学两篇,下册包括电磁学、光学和量子物理三篇,上下册各有三个物理与新技术专题。

绪论
以物理学的基础理论和应用为主要内容的大学物理课程,是高等学校非物理类理工科各专业学生的一门重要的必修基础课.大学物理课程讲授的物理学基本概念、基本理论和基本方法,是构成大学生科学素养的重要组成部分,是科学工作者和工程技术人员所**的专业基础知识.该课程不仅为理工科各专业的后续教学环节奠定重要基础,而且对培养大学生的科学探索和创新能力具有独特的促进作用.
为了使大学生更好地掌握物理学的基本理论和应用、领略物理学的博大精深并形成良好的科学素质,从“物理”、“吾理”和“悟理”三个方面,阐述物理学及其应用,以及怎样学好大学物理.
0.1 物理——物理学的研究范围和理论体系
物理学是揭示自然界*基本形态的*基础的学科之一,研究物质的基本结构、相互作用和*基本*普遍的运动形式(如机械运动、热运动、电磁运动和量子运动)的基本规律.因此,物理学是研究物质运动*基本规律的科学,又为所有其他的自���科学提供理论基础、技术手段和科学研究方法.可以说物理学是除数学以外一切自然科学的基础,物理学在理论原理和实验技术上的每一次重大进展,都有利地促进了科学技术的进步和社会经济的发展.
0.1.1 物理学的研究范围
物理学的研究范围非常广,从夸克、中微子和电子等基本粒子,到庞大的地球、太阳系和超星系团等都是其研究对象.可以概要地说,物理学的研究范围就是宇宙.庄子曰:“四方上下曰宇,往古来今曰宙.”按现代观念理解,“宇”代表所有的空间,“宙”代表所有的时间,物理学的空间研究尺度,从1027m的哈勃半径、1021m的银河系、1012m的太阳系,到10-7m的DNA、10-6m的细胞、10-17m的粒子和10-35m的普朗克长度(理论极限值),涉及宇观、宏观和微观三个层次;物理学的时间研究尺度,从1018s的宇宙年龄、1017~1018s的地球寿命、109~1010s的人均寿命,到10-6~10-5s的中子寿命、10-43s的普朗克时间(理论极限值),涉及宇宙的形成及演化.物理学研究范围的时空跨度示意图,如图0-1所示.
图0-1 物理学研究范围的时空跨度示意图
0.1.2 物理学的五大基本理论
根据物理学的发展史,可以把物理学的基本理论分为经典物理学(17世纪初~19世纪末)和现代物理学(20世纪初至今).经典物理学的经典力学、热力学与统计物理和电磁学,现代物理学的相对论和量子力学,构成物理学的五大基本理论,如图0-2所示.
图0-2物理学的五大基本理论
1. 经典力学(牛顿力学)
经典力学,又称为牛顿力学,是以牛顿定律为基础,研究受力物体的运动状况.经典力学可以分为静力学、运动学和动力学,具有解决具体机械问题的能力,导致了弹性力学、流体力学、空气动力学和航空航天技术的形成和发展.声学研究在介质中传播的各种各类的机械波(包括振动、声音、超声波、次声波等),常常把声学作为经典力学的一门分支.
2. 热力学与统计物理
热力学和统计物理都是研究热学现象及其规律和应用的,只不过研究的角度不同.热力学是从宏观角度,根据能量守恒定律研究热量与机械功或其他能量形式之间的关系,统计物理则是从微观角度,应用概率论来研究由大量粒子组成的物理系统的热力学行为,两者的研究相辅相成、研究结果相互印证.
3. 电磁学
电磁学描述带电粒子与电场、磁场的相互作用,其理论基础是麦克斯韦方程组和洛伦兹力方程.电磁学可以分为静电学、静磁学和电动力学等.光学研究光波的传播与性质,分为几何光学、波动光学和量子光学.因为光波是电磁波,所以光学的理论可以约化为关于电磁相互作用的理论.
4. 相对论
相对论是爱因斯坦在1905~1915年间建立的关于高速运动物体的力学规律,可分为狭义相对论与广义相对论.相对论给出了关于空间、时间、物质和能量的崭新描述,如时空弯曲、时间膨胀和长度收缩等.当物体的运动速度接近光速时,必须考虑相对论效应.当物体的速度远小于光速时,相对论的结果与经典力学相同.
5. 量子力学
量子力学是普朗克、爱因斯坦和玻尔等人在1900~1924年间建立的关于微观粒子的力学规律,研究发生于原子与亚原子尺度的各种现象的量子性质,以及微观粒子的波粒二象性.
现代物理学的两大理论支柱是相对论和量子力学,二者的统一是物理学家力图实现的目标之一.目前,量子场论统一了量子力学和狭义相对论,可以**地描述电磁相互作用、强相互作用和弱相互作用,是粒子物理学的基础理论.在自然界的四种作用力中,电磁相互作用与弱相互作用已被合并为电弱相互作用.虽然广义相对论将时空延伸为动态的弯曲时空,能够描述大质量系统和宇宙的大尺寸结构,但尚未将引力相互作用与其他相互作用统一为大统一理论,物理学家仍在发展几种可能的量子引力理论.
物理学的每一种理论都仅适用于某些明确的领域,例如,经典物理适用于宏观、低速物体,量子力学适用于微观、低速物体,相对论适用于宏观、高速物体,量子场论则适用于微观、高速物体.
0.2 吾理——物理学在科学技术发展中的作用
0.2.1 物理学与三次技术革命
物理学是科学技术发展的重要源泉,蒸汽机、电气化和信息化三次技术革命,均来自物理学或与物理学紧密相关,21世纪物理学对技术的发展仍然起着基础支撑作用.
1. **次技术革命
17~18世纪牛顿力学的建立和热力学的发展,不仅有利地推动了其他学科的发展,而且适应了研制蒸汽机和发展机械工业的社会需要,从而引起了**次技术革命.同时,推动了人类社会的巨大变革.内燃机和气轮机的出现使现代科学技术突飞猛进,导致了火车、汽车、轮船和飞机的依次出现.从而使交通运输业得到了迅速的发展,极大地改变了工业生产的面貌.
2. 第二次技术革命
1862年麦克斯韦创立了电磁场理论,为电力技术的产生提供了重要的理论基础.电磁学的发展,引起了第二次世界性的技术革命.建立了以电机为动力的电气化工业体系和各种电气工业部门.例如,电解、电镀、电焊、电热和电力输送等,同时,电话和电报等信息传递技术也随之广泛地利用起来,从而把工业生产推向历史的高峰.
3. 第三次技术革命
第三次技术革命发生于20世纪50年代,1900年以来,由于相对论和量子力学的建立,人们对原子、原子核结构的认识日益深入.先后引发了原子能、电子计算机和空间技术的出现和应用.导致了新材料技术、微电子技术、激光技术、生物技术、海洋技术和新能源技术等迅速崛起,形成了以电子计算机为核心的高新技术群,掀起了一场新技术革命的浪潮.在20年左右的时间内,人类同时进入原子能时代,太空时代与计算机时代,其影响之广、意义之大是以往任何一次技术革命都无法比拟的.
高新技术一般分为高准度技术和**益技术两类.高准度技术如航天技术、导弹技术和核技术等.我国神舟飞船的发射,标志着我国的航天技术达到了****水平.**益技术如微电子技术、生物工程、新能源和新材料等.
物理学在高新技术上的应用,达到了**的发展速度.如核电站的建设、航天飞机的升空、人造卫星、各种探测器的发射及其在太空的运行、各种加速器的建成(北京正负电子对撞机)、超导研制的新进展等.
0.2.2 物理学与新学科的形成
物理学的基本概念、基本理论、基本实验手段和精密的测试方式,已广为其他自然科学采用,加速了自然科学内部的相互融合和综合化的趋势,出现了众多的交叉学科.
将物理学的理论与方法移植去研究另一门学科,就会诞生一门交叉学科.例如,用量子力学的方法探讨化学问题,就形成量子化学;量子力学与生物学交叉,产生量子生物学,它是应用量子力学原理从电子水平上研究生命现象的学科;物理学和其他学科的相互渗透,产生了一系列的交叉学科,如化学物理、生物物理、大气物理、海洋物理、地球物理、天体物理等.
现代科学的三大支柱是原子与量子革命、基因与DNA革命、计算机与信息革命,其中*基础的是量子革命.1925年由量子理论引发的科学大潮,使我们理解了周围的物质.它使我们能在实验室创造出某种物质之前就能**地预测其属性,我们能随心所欲地创造和操作新形式的物质.1944年,量子力学的奠基人之一薛定谔在《什么是生命》一书中提出生命的秘密可以用量子理论解释,并大胆地猜测,这个秘密就是写在细胞核内分子上的“基因密码”.1953年,詹姆斯 沃森(James D.Watson)和弗朗西斯 克里克(Francis Crick)发现了DNA的“双螺旋”结构,揭开了这12 个秘密.人们应用分子生物技术就能像读书一样,阅读生命基因的密码,破译后就可以随心所欲地操纵生命.正在实施中的“人类基因组计划”,为我们提供了一本隐藏着人类遗传全部秘密的密码本,昭示了人类对自身的了解迈入了一个新阶段,开创了在分子生物学基础上发展医学和**学的新开端.
0.3 悟理——怎样学好大学物理
要想学好大学物理,首先需要认识到学习物理的重要性,结合物理学的理论特点和科学方法,增强学习的积极性和主动性,培养根据物理定律解决实际问题的科技创新能力.学生在学习的过程中,要注意以下两个方面.
0.3.1 深刻理解和掌握物理的基本概念和基本规律
物理学的核心内容是物理的基本概念,其次是物理的基本规律及其应用.物理的基本概念指客观事物的物理本质属性,如动量、能量、温度、电场强度和磁场强度等,物理规律是指物理现象间的客观内在的联系,包括公式、定理和定律等.物理规律分为基本规律和导出规律,在学习中,要注意任何物理规律均有其成立条件和适用范围,物理公式只是物理规律的数学表述.只有深刻理解了物理概念,掌握了物理规律及其成立条件,才能理解物理公式中的数学符号,在公式成立的范围内应用物理规律解决实际问题.
0.3.2 掌握物理学的特点和方法
物理学是观察、实验和科学思维的产物.在学习中注意物理定律的产生和应用过程:观察已有的物理现象,通过实验再现物理现象,*后通过科学思维确定物理概念、发现物理规律、再用已发现的物理规律去指导实验、验证物理规律的正确性,始终把实践作为检验真理的**标准.
物理学不仅把数学作为语言工具,明确表述物理概念和物理规律,还把数学作为推理工具,从已有规律推导出新的规律.大学物理中涉及的数学工具主要有矢量运算、微积分和微分方程等内容.

目录 第四版前言 第三版前言 第二版前言 **版前言 绪论 1 0.1 物理——物理学的研究范围和理论体系 1 0.2 吾理——物理学在科学技术发展中的作用 3 0.3 悟理——怎样学好大学物理 5 **篇 力学 第1章 力学基础 8 1.1 单位制和量纲 8 1.2 参考系理想模型 10 1.3 质点运动的描述 11 1.4 圆周运动 18 1.5 相对运动 22 本章小结 23 习题 25 第2章 动量守恒定律 27 2.1 牛顿运动三定律 27 2.2 非惯性系与惯性力 31 2.3 动量与动量定理 31 2.4 质点系动量定理 35 2.5 动量守恒定律及其应用 37 本章小结 40 习题 41 第3章 角动量守恒定律 43 3.1 质点的角动量力矩 43 3.2 质点的角动量守恒定律 44 3.3 刚体的运动 46 3.4 刚体定轴转动的转动定律 49 3.5 刚体的角动量守恒定律 55 本章小结 57 习题 58 第4章 能量守恒定律 60 4.1 功和功率 60 4.2 动能和动能定理 63 4.3 势能 65 4.4 能量守恒定律及其应用 69 4.5 流体的稳定流动伯努利方程 72 本章小结 75 习题 77 第5章 机械振动 80 5.1 简谐振动 80 5.2 简谐振动的实例 85 5.3 简谐振动的能量 89 5.4 简谐振动的合成与分析 90 *5.5 实际振动非线性振动 98 本章小结 102 习题 103 第6章 机械波 105 6.1 机械波的产生及特性 105 6.2 平面简谐波的波函数 108 6.3 波的能量 113 6.4 波的干涉 116 6.5 惠更斯原理波的衍射 122 6.6 声波 124 6.7 多普勒效应 126 *6.8 非线性波 130 本章小结 131 习题 132 第7章 狭义相对论 135 7.1 伽利略变换经典时空观 135 *7.2 迈克耳孙-莫雷实验 137 7.3 狭义相对论基本原理 139 7.4 洛伦兹变换 143 7.5 相对论动力学 148 *7.6 广义相对论的时空观 154 本章小结 156 习题 158 物理与新技术专题1:天体物理与宇宙 158 物理与新技术专题2:航天技术 161 第二篇 热学 第8章 气体动理论 168 8.1 理想气体的压强和温度的统计解释 168 8.2 能量均分定理理想气体的内能 173 8.3 理想气体分子速率分布律 177 *8.4 玻尔兹曼分布律 181 *8.5 分子的平均自由程 182 本章小结 184 习题 185 第9章 热力学基础 186 9.1 内能、功和热量 186 9.2 热力学**定律热容量 188 9.3 热力学**定律的应用 190 9.4 循环过程卡诺循环 195 *9.5 熵热力学第二定律 199 *9.6 卡诺定理 203 本章小结 204 习题 206 物理与新技术专题3:能源与环境 208 附录1 矢量的基本运算 213 附录2 物理常量表(国际科技数据委员会2006年**值)216 上册习题答案 217