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预备知识 矢量1

0.1 标量和矢量1

0.2 矢量的加法和减法1

0.2.1 矢量的加法1

0.2.2 矢量的减法2

0.3 矢量合成的解析法3

0.4 矢量的乘法3

0.4.1 矢量数乘3

0.4.2 矢量标积4

0.4.3 矢量矢积4

0.5 矢量的导数5

0.6 矢量的积分5

0.6.1 矢量的不定积分5

0.6.2 矢量的定积分6

第1篇 力学7

第1章 质点运动学7

1.1 质点、参考系、坐标系和单位制7

1.1.1 质点7

1.1.2 参考系8

1.1.3 坐标系8

1.1.4 单位制9

1.2 描述质点运动的物理量10

1.2.1 位矢10

1.2.2 位移10

1.2.3 速度11

1.2.4 加速度13

1.3 运动方程14

1.4 平面曲线运动16

1.4.1 切向加速度和法向加速度16

1.4.2 圆周运动的角量描述18

1.4.3 线量和角量的关系19

1.5 相对运动20

本章小结22

思考与练习23

第2章 牛顿运动定律25

2.1 牛顿三大定律25

2.1.1 牛顿第一定律25

2.1.2 牛顿第二定律26

2.1.3 牛顿第三定律26

2.2 力学中常见的几种力27

2.2.1 万有引力27

2.2.2 重力27

2.2.3 弹力27

2.2.4 摩擦力28

2.3 牛顿运动定律的应用28

本章小结32

思考与练习33

第3章 动量守恒与机械能守恒34

3.1 动量定理和动量守恒定律34

3.1.1 质点的动量和动量定理34

3.1.2 质点系的动量定理36

3.1.3 动量守恒定律37

3.2 功和动能定理39

3.2.1 功39

3.2.2 功率41

3.2.3 质点的动能定理41

3.2.4 质点系的动能定理43

3.3 势能44

3.3.1 万有引力、重力与弹力做功44

3.3.2 保守力与非保守力46

3.3.3 势能46

3.4 功能原理和机械能守恒定律47

3.4.1 功能原理47

3.4.2 机械能守恒定律48

3.4.3 能量守恒定律48

本章小结50

思考与练习51

第4章 刚体的定轴转动53

4.1 刚体的运动53

4.1.1 刚体的平动53

4.1.2 刚体的定轴转动53

4.2 刚体定轴转动定律54

4.2.1 力矩54

4.2.2 转动定律55

4.2.3 转动惯量56

4.3 刚体定轴转动的动能定理59

4.3.1 力矩的功59

4.3.2 转动动能60

4.3.3 刚体定轴转动的动能定理60

4.4 刚体的角动量定理和角动量守恒定律61

4.4.1 角动量62

4.4.2 刚体的角动量定理63

4.4.3 刚体的角动量守恒定律63

本章小结64

思考与练习65

第2篇 热学67

第5章 气体动理论67

5.1 分子运动论和统计规律性67

5.1.1 分子运动论的基本观点67

5.1.2 统计规律性68

5.2 理想气体状态方程68

5.2.1 宏观态与微观态69

5.2.2 平衡态69

5.2.3 气体的状态参量69

5.2.4 理想气体状态方程70

5.3 理想气体的压强与温度71

5.3.1 理想气体的微观模型71

5.3.2 平衡态气体的统计假设71

5.3.3 理想气体的压强公式71

5.3.4 理想气体的温度公式73

5.4 能量均分定理与理想气体的内能74

5.4.1 自由度74

5.4.2 能量均分定理75

5.4.3 理想气体的内能76

5.5 麦克斯韦速率分布律77

5.5.1 速率分布函数77

5.5.2 麦克斯韦速率分布律78

5.5.3 三种统计速率79

本章小结80

思考与练习81

第6章 热力学基础83

6.1 热力学系统及准静态过程83

6.2 内能、做功及传热84

6.2.1 内能84

6.2.2 做功84

6.2.3 传热85

6.3 热力学第一定律及其应用85

6.3.1 热力学第一定律86

6.3.2 热力学第一定律的应用87

6.4 循环过程与卡诺循环93

6.4.1 循环过程93

6.4.2 卡诺循环95

6.5 热力学第二定律97

6.5.1 热力学第二定律的两种表述98

6.5.2 自发过程的方向性98

6.5.3 可逆过程与不可逆过程99

本章小结99

思考与练习100

第3篇 电磁学102

第7章 静电场102

7.1 电荷守恒定律与电荷的量子化102

7.1.1 电荷102

7.1.2 电荷守恒定律103

7.1.3 电荷的量子化103

7.2 库伦定律103

7.3 电场强度104

7.3.1 静电场104

7.3.2 电场强度105

7.3.3 点电荷的场强105

7.3.4 场强叠加原理106

7.3.5 连续带电体的场强107

7.4 高斯定理112

7.4.1 电场线112

7.4.2 电通量113

7.4.3 高斯定理115

7.4.4 高斯定理的应用116

7.5 电势120

7.5.1 静电场的安培环路定理121

7.5.2 电势能122

7.5.3 电势与电势差122

7.5.4 点电荷电场中的电势123

7.5.5 电势叠加原理123

7.5.6 连续带电体电场中的电势124

7.5.7 等势面125

7.5.8 场强与电势的微分关系125

7.5.9 电势的计算126

7.6 静电场中的导体129

7.6.1 导体的静电平衡条件129

7.6.2 静电平衡导体上的电荷分布130

7.6.3 静电屏蔽132

7.7 静电场中的电介质133

7.7.1 电介质的分类133

7.7.2 电介质的极化134

7.7.3 电介质中的高斯定理136

7.8 导体的电容137

7.8.1 孤立导体的电容137

7.8.2 电容器的电容138

7.9 静电场的能量141

7.9.1 电容器的静电能141

7.9.2 静电场的能量142

本章小结143

思考与练习147

第8章 稳恒磁场149

8.1 基本磁现象与磁感应强度149

8.1.1 基本磁现象149

8.1.2 磁感应强度150

8.2 毕奥—萨伐尔定律及其应用151

8.2.1 毕奥—萨伐尔定律151

8.2.2 毕奥—萨伐尔定律的应用152

8.3 磁场的高斯定理157

8.3.1 磁感应线157

8.3.2 磁通量158

8.3.3 磁场的高斯定理159

8.4 磁场的安培环路定理及其应用160

8.4.1 安培环路定理160

8.4.2 安培环路定理的应用161

8.5 磁场对带电粒子的作用力165

8.5.1 洛伦兹力165

8.5.2 带电粒子在匀强磁场中的运动166

8.5.3 霍尔效应168

8.6 磁场对载流导线的作用169

8.6.1 安培定律169

8.6.2 磁力矩172

8.7 磁场中的磁介质173

8.7.1 磁介质173

8.7.2 磁介质的磁化机理174

8.7.3 磁介质的磁导率174

8.7.4 磁介质中的安培环路定理175

8.7.5 铁磁质176

本章小结178

思考与练习180

第9章 电磁感应与电磁场182

9.1 电磁感应定律182

9.1.1 电源的电动势182

9.1.2 电磁感应现象184

9.1.3 楞次定律185

9.1.4 法拉第电磁感应定律185

9.1.5 感应电流和感应电荷186

9.2 动生电动势与感生电动势188

9.2.1 动生电动势188

9.2.2 感生电动势190

9.3 自感与互感192

9.3.1 自感192

9.3.2 互感194

9.4 磁场的能量195

9.4.1 自感线圈储存的能量195

9.4.2 磁场的能量196

9.5 电磁场与电磁波197

9.5.1 麦克斯韦电磁场理论197

9.5.2 电磁波200

本章小结200

思考与练习202

第4篇 振动与波动第10章 机械振动204

10.1 简谐振动204

10.1.1 简谐振动的运动方程204

10.1.2 描述简谐振动的物理量206

10.1.3 简谐振动曲线209

10.1.4 旋转矢量法209

10.1.5 简谐振动的能量211

10.2 简谐振动的合成212

10.2.1 相位差212

10.2.2 两个同方向、同频率简谐振动的合成213

10.2.3 两个同方向、不同频率简谐振动的合成215

10.3 阻尼振动、受迫振动与共振216

10.3.1 阻尼振动216

10.3.2 受迫振动218

10.3.3 共振219

本章小结220

思考与练习221

第11章 机械波223

11.1 机械波的产生与传播223

11.1.1 机械波的产生条件223

11.1.2 横波与纵波224

11.1.3 波的几何描述225

11.1.4 描述波动的物理量225

11.2 平面简谐波的波动方程及其物理意义226

11.2.1 平面简谐波的波动方程226

11.2.2 波动方程的物理意义227

11.3 波的能量与能流密度230

11.3.1 波的能量230

11.3.2 能流密度231

11.4 惠更斯原理与波的衍射232

11.4.1 惠更斯原理232

11.4.2 波的衍射233

11.5 波的叠加原理与波的干涉233

11.5.1 波的叠加原理234

11.5.2 波的干涉234

11.6 驻波236

11.6.1 驻波的产生237

11.6.2 驻波方程237

11.6.3 半波损失238

11.6.4 驻波的能量239

11.7 多普勒效应239

11.7.1 波源不动，观察者相对介质以速度v0运动239

11.7.2 观察者不动，波源相对介质以速度vs运动240

11.7.3 波源与观察者同时相对介质运动241

本章小结241

思考与练习243

第12章 波动光学245

12.1 相干光245

12.1.1 光的相干性245

12.1.2 获得相干光的方法246

12.1.3 光程与光程差247

12.1.4 透镜的等光程性248

12.2 杨氏双缝干涉与洛埃镜干涉248

12.2.1 杨氏双缝干涉248

12.2.2 洛埃镜干涉251

12.3 薄膜干涉251

12.3.1 平面薄膜干涉251

12.3.2 劈尖253

12.3.3 牛顿环256

12.3.4 迈克尔逊干涉仪258

12.4 光的衍射259

12.4.1 惠更斯-菲涅耳原理259

12.4.2 菲涅耳衍射和夫琅禾费衍射259

12.4.3 夫琅禾费单缝衍射260

12.5 光学仪器的分辨率263

12.5.1 圆孔衍射263

12.5.2 光学仪器的分辨率264

12.6 衍射光栅265

12.6.1 光栅衍射条纹的形成265

12.6.2 光栅的缺级现象266

12.6.3 光栅光谱266

12.7 光的偏振267

12.7.1 自然光与偏振光267

12.7.2 起偏与检偏269

12.7.3 马吕斯定律270

12.7.4 反射光与折射光的偏振270

本章小结271

思考与练习273

第5篇 近代物理基础第13章 狭义相对论基础275

13.1 经典力学时空观275

13.2 狭义相对论的基本原理与洛伦兹变换277

13.2.1 狭义相对论的基本原理277

13.2.2 洛伦兹变换277

13.3 狭义相对论的时空观278

13.3.1 同时的相对性279

13.3.2 时间的延缓279

13.3.3 长度的收缩279

13.4 狭义相对论的动力学基础281

13.4.1 质速关系281

13.4.2 相对论动力学的基本方程281

13.4.3 质能关系282

13.4.4 能量与动量的关系283

本章小结284

思考与练习285

第14章 量子论基础287

14.1 黑体辐射与普朗克能量子假设287

14.1.1 黑体288

14.1.2 黑体辐射规律288

14.1.3 普朗克能量子假设289

14.2 爱因斯坦光量子假设290

14.2.1 光电效应290

14.2.2 光量子假设与光电效应方程292

14.2.3 光的波粒二象性292

14.3 玻尔氢原子理论293

14.3.1 氢原子光谱的规律性293

14.3.2 玻尔氢原子理论293

14.4 德布罗意波296

14.4.1 德布罗意假设296

14.4.2 戴维逊-革末实验297

14.5 波函数与薛定谔方程297

14.5.1 波函数297

14.5.2 薛定谔方程298

本章小结299

思考与练习300

参考文献302