前言
在科學(xué)與技術(shù)迅速結(jié)合和發(fā)展的今天，新興學(xué)科不斷地涌現(xiàn)，物理學(xué)的概念、研究方法，以及嚴(yán)謹(jǐn)而富有創(chuàng)新性的邏輯思維方式和實(shí)驗(yàn)技術(shù)在其他學(xué)科得到了廣泛的應(yīng)用和認(rèn)同，這顯示了物理學(xué)在自然科學(xué)和社會(huì)科學(xué)中重要的基礎(chǔ)性作用。為了適應(yīng)當(dāng)今科技、經(jīng)濟(jì)、社會(huì)發(fā)展對(duì)人才的需求，近年來不少高等院校開設(shè)了學(xué)時(shí)不等的物理學(xué)課程以滿足各種學(xué)科專業(yè)的需求。
大學(xué)物理是高等院校的基礎(chǔ)課程，其重要性一方面在于它所提供的一定范圍的、系統(tǒng)的物理知識(shí)是科學(xué)素質(zhì)的基礎(chǔ)；另一方面在于它蘊(yùn)含著思考和解決問題的科學(xué)思想、方法和態(tài)度，以及激發(fā)學(xué)習(xí)者創(chuàng)新意識(shí)的能力。筆者認(rèn)為，不管物理學(xué)時(shí)的多少，不管是工科還是經(jīng)管或文科類學(xué)習(xí)者，課程內(nèi)容安排可以有所側(cè)重，但不應(yīng)偏離物理本身，應(yīng)該給出基本上較完整、系統(tǒng)的物理學(xué)框架。這不是簡(jiǎn)單的內(nèi)容壓縮，而是要求內(nèi)容更加有機(jī)地結(jié)合，邏輯聯(lián)系更加縝密，物理圖像更加清晰，要求教學(xué)方式和方法創(chuàng)新。這是在不多學(xué)時(shí)之內(nèi)既能使初學(xué)者理解物理學(xué)基本定律和物理方法，又能使其在理性邏輯思維和圖像思維能力上得到提高的一種教學(xué)追求。為此，本書基本上在每章開始均向讀者指出本章的理論基礎(chǔ)，隨后是為闡明理論基礎(chǔ)和基本概念而安排的教學(xué)內(nèi)容。這樣使教學(xué)線索比較明確，也起到對(duì)初學(xué)者學(xué)習(xí)的引導(dǎo)作用。
正是在這樣的指導(dǎo)思想下，我們編寫了本教材，第2版是對(duì)第1版教材的修訂，此次再版（第3版）是對(duì)原教材的重新審視。其框架沒有變化，個(gè)別地方有稍許調(diào)整，它包括了我們多年面對(duì)不同學(xué)時(shí)（112學(xué)時(shí)，80學(xué)時(shí)，64學(xué)時(shí)，48學(xué)時(shí)）的工科、少學(xué)時(shí)的經(jīng)管或文科初學(xué)者教學(xué)實(shí)踐的體會(huì)，也包括了不少使用過此教材同行們的建議。本書共分6章。第1章為牛頓力學(xué)基礎(chǔ)，簡(jiǎn)單介紹了牛頓力學(xué)的發(fā)展過程、經(jīng)典力學(xué)的基礎(chǔ)知識(shí)，以及牛頓運(yùn)動(dòng)定律在剛體和流體中的簡(jiǎn)單應(yīng)用。第2章為狹義相對(duì)論基礎(chǔ)，簡(jiǎn)單介紹了狹義相對(duì)論的創(chuàng)立過程，以及它的基本原理、時(shí)空觀和動(dòng)力學(xué)的基本概念。第3章為熱力學(xué)物理基礎(chǔ)，簡(jiǎn)單介紹了熱學(xué)發(fā)展史，在介紹分子動(dòng)理論統(tǒng)計(jì)概念和規(guī)律的基礎(chǔ)上著重介紹了熱力學(xué)第一、第二定律。第4章為電磁學(xué)基礎(chǔ)，簡(jiǎn)單介紹了經(jīng)典電磁理論的發(fā)展史，介紹了電磁場(chǎng)、電磁感應(yīng)及電磁波的基本概念和規(guī)律。第5章為波動(dòng)學(xué)基礎(chǔ)，概述了波動(dòng)現(xiàn)象的歷史研究，介紹了振動(dòng)和波動(dòng)的基本特征，以及光的干涉、衍射、偏振的基本現(xiàn)象和規(guī)律。第6章為量子物理基礎(chǔ)，包括量子概念的提出、波動(dòng)量子理論的建立、原子的殼層結(jié)構(gòu)模型、激光和能帶等基本概念與知識(shí)。
本書由呂金鐘、邱紅梅（北京科技大學(xué)）、趙長(zhǎng)春（中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（北京））協(xié)力完成，呂金鐘完成了全書的統(tǒng)稿工作。最后要特別說明，本書再編過程中參考了若干現(xiàn)有的教材，在許多方面得到了啟發(fā)和教益，因難以一一指明，在此一并表示感謝！感謝同行們對(duì)本書再編過程給予的幫助和建議，感謝北京科技大學(xué)教務(wù)處、工科物理教學(xué)基地給予的支持，特別感謝本書第1版編寫過程中曾付出過辛勤勞動(dòng)與智慧的老師們！感謝清華大學(xué)出版社朱紅蓮老師對(duì)本書提出的很多改進(jìn)意見！
由于編者水平有限，書中難免存在錯(cuò)誤和不足之處，敬請(qǐng)廣大讀者批評(píng)指正，謝謝！
編者
2025年5月
目錄
第1章牛頓力學(xué)基礎(chǔ)1
1.1牛頓力學(xué)的建立與發(fā)展1
1.1.1牛頓力學(xué)的建立與發(fā)展概述1
1.1.2牛頓三定律的表述3
1.2加速度矢量的表示6
1.2.1直角坐標(biāo)系中加速度的表示6
1.2.2圓周運(yùn)動(dòng)中的切向加速度和法向加速度10
1.3牛頓力學(xué)中的幾種常見力12
1.3.1萬有引力12
1.3.2彈性力14
1.3.3摩擦力16
1.4不同參考系中力學(xué)量之間的關(guān)系17
1.4.1慣性系之間力學(xué)量的關(guān)系18
1.4.2慣性系和加速平動(dòng)參考系之間力學(xué)量的關(guān)系21
1.5力的時(shí)間和空間積累效應(yīng)23
1.5.1動(dòng)量守恒定律23
1.5.2機(jī)械能守恒定律27
1.5.3角動(dòng)量守恒定律36
1.5.4對(duì)稱與守恒40
1.6剛體定軸轉(zhuǎn)動(dòng)中的牛頓力學(xué)41
1.6.1剛體定軸轉(zhuǎn)動(dòng)的轉(zhuǎn)動(dòng)定律41
1.6.2剛體定軸轉(zhuǎn)動(dòng)的動(dòng)能定理46
1.6.3進(jìn)動(dòng)現(xiàn)象49
1.7連續(xù)流體中的牛頓力學(xué)50
1.7.1流體靜力學(xué)50
1.7.2流體動(dòng)力學(xué)56
1.7.3黏性流體的流動(dòng)61
思考題64
習(xí)題68
第2章狹義相對(duì)論基礎(chǔ)73
2.1狹義相對(duì)論的基本原理和洛倫茲變換式74
2.1.1狹義相對(duì)論的基本原理74
2.1.2洛倫茲變換和洛倫茲速度變換76
2.2狹義相對(duì)論的時(shí)空觀79
2.2.1同時(shí)的相對(duì)性79
2.2.2長(zhǎng)度收縮80
2.2.3時(shí)間延緩81
2.3狹義相對(duì)論質(zhì)點(diǎn)動(dòng)力學(xué)的基礎(chǔ)概念82
2.3.1相對(duì)論動(dòng)量質(zhì)量與速度關(guān)系動(dòng)力學(xué)基本方程82
2.3.2質(zhì)能關(guān)系E=mc283
2.4廣義相對(duì)論簡(jiǎn)介85
2.4.1廣義相對(duì)論的兩條基本原理85
2.4.2廣義相對(duì)論預(yù)言的幾個(gè)可觀測(cè)效應(yīng)86
思考題86
習(xí)題87
第3章熱力學(xué)物理基礎(chǔ)89
3.1熱力學(xué)第零定律與溫度89
3.2氣體動(dòng)理論90
3.2.1分子運(yùn)動(dòng)論發(fā)展概述90
3.2.2氣體分子的熱運(yùn)動(dòng)91
3.2.3理想氣體的壓強(qiáng)與溫度94
3.2.4能量均分定理97
3.2.5麥克斯韋速率分布率99
3.3熱力學(xué)第一定律102
3.3.1熱力學(xué)第一定律的建立102
3.3.2熱力學(xué)第一定律的數(shù)學(xué)表示103
3.3.3在典型準(zhǔn)靜態(tài)過程中的熱力學(xué)第一定律105
3.4熱力學(xué)第二定律與熵114
3.4.1熱力學(xué)第二定律的建立114
3.4.2熱力學(xué)第二定律的宏觀表述115
3.4.3熱力學(xué)第二定律的數(shù)學(xué)表示熵增原理117
3.4.4熱力學(xué)第二定律的統(tǒng)計(jì)意義120
3.5熱力學(xué)第三定律124
思考題124
習(xí)題128
第4章電磁學(xué)基礎(chǔ)132
4.1麥克斯韋電磁理論的建立132
4.1.1靜電和靜磁現(xiàn)象的認(rèn)識(shí)和研究132
4.1.2電與磁的相互作用研究136
4.1.3麥克斯韋電磁理論138
4.2靜電場(chǎng)的基礎(chǔ)知識(shí)140
4.2.1真空中的靜電場(chǎng)140
4.2.2有導(dǎo)體存在時(shí)的靜電場(chǎng)157
4.2.3有電介質(zhì)存在時(shí)的靜電場(chǎng)165
4.3靜磁場(chǎng)的基礎(chǔ)知識(shí)172
4.3.1真空中的靜磁場(chǎng)172
4.3.2有磁介質(zhì)存在時(shí)的靜磁場(chǎng)183
4.4電磁感應(yīng)與電磁波186
4.4.1變化的磁場(chǎng)186
4.4.2變化的電場(chǎng)位移電流195
4.4.3麥克斯韋方程組和電磁波197
思考題200
習(xí)題204
第5章波動(dòng)學(xué)基礎(chǔ)211
5.1經(jīng)典波動(dòng)理論發(fā)展概述211
5.2機(jī)械振動(dòng)215
5.2.1簡(jiǎn)諧振動(dòng)215
5.2.2簡(jiǎn)諧振動(dòng)的合成224
5.3機(jī)械波231
5.3.1機(jī)械波動(dòng)的基本概念231
5.3.2波傳播過程中的基本規(guī)律239
5.3.3波傳播過程中的多普勒效應(yīng)247
5.4光的波動(dòng)250
5.4.1光的干涉250
5.4.2光的衍射261
5.4.3光的偏振272
思考題282
習(xí)題285
第6章量子物理基礎(chǔ)291
6.1量子概念的提出291
6.1.1能量子概念的提出292
6.1.2光量子概念的提出295
6.1.3量子化概念在氫原子結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用300
6.2波動(dòng)量子理論的建立302
6.2.1德布羅意波302
6.2.2不確定關(guān)系306
6.2.3波動(dòng)量子力學(xué)的建立307
6.2.4氫原子的量子理論簡(jiǎn)介314
6.3原子中電子排布的殼層模型318
6.4激光319
6.5固體的能帶簡(jiǎn)介322
思考題327
習(xí)題329
習(xí)題答案332
附錄A國(guó)際單位制（SI）344
附錄B常用物理常量345
附錄C矢量346
附錄D數(shù)學(xué)公式348
附錄E希臘字母350
主要參考文獻(xiàn)351
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