本書是參照教育部《理工科類大學(xué)物理課程教學(xué)基本要求》(2010年版)編寫的。在保證完整的大學(xué)物理知識體系的前提下, 全書加載了一個物理知識的應(yīng)用背景。本數(shù)據(jù)有“體系完整,極具創(chuàng)新性”、“內(nèi)涵豐富,極具應(yīng)用性”、“面向應(yīng)用,極具教育性”和“形式獨特,極具啟發(fā)性”等特點。
高等教育承擔(dān)著培養(yǎng)高級專門人才、發(fā)展科學(xué)技術(shù)文化、促進現(xiàn)代化建設(shè)的重大任務(wù),為全面提高高等教育質(zhì)量和提升人才培養(yǎng)水平,創(chuàng)新人才培養(yǎng)模式勢在必行。為適應(yīng)現(xiàn)代化社會對工程技術(shù)人才的需求,包括我校在內(nèi)的一些工科院校正在推行工程教育改革,轉(zhuǎn)變教學(xué)理念,創(chuàng)新教學(xué)模式,倡導(dǎo)啟發(fā)式、探究式、討論式、參與式教學(xué)方法,“大學(xué)物理”作為工科院校學(xué)生的一門必修基礎(chǔ)課程,在培養(yǎng)科學(xué)思維方式與科學(xué)素養(yǎng)、工程能力與工程素養(yǎng)等方面起著引領(lǐng)性作用,它必須進行面向工程教育的教學(xué)改革。如何將工程教育模式與“大學(xué)物理”課程相結(jié)合,怎樣在“大學(xué)物理”課程中引入工程教育理念與工程教學(xué)方法,怎么才能以“大學(xué)物理”課程為載體去實現(xiàn)學(xué)生物理知識、工程能力與科學(xué)素質(zhì)的培養(yǎng)……面對這些問題,我們試圖從理論知識與工程應(yīng)用的聯(lián)系入手,以工程與應(yīng)用為教學(xué)背景,編寫一本能體現(xiàn)工程教育理念和工程教育方法的工科大學(xué)物理教材。
同時,物理學(xué)是源于自然與生活的科學(xué),它有著許多生動而有趣的物理現(xiàn)象,與整個世界和人們生活都密切相關(guān),與各種科學(xué)技術(shù)與工程應(yīng)用緊密聯(lián)系,這使我們在教學(xué)中不斷地思考如下的一些問題:如何將現(xiàn)實的生活與應(yīng)用和物理課本相結(jié)合,如何使學(xué)生感受到鮮活的物理,如何讓學(xué)生學(xué)會以物理的眼光來審視自然與生活,如何在講述物理知識的同時告訴學(xué)生科學(xué)的思維方式、研究方法與應(yīng)用途徑……于是,我們嘗試著在這些方面做一些努力,試圖讓學(xué)生在生活與應(yīng)用的背景中學(xué)習(xí)物理,將學(xué)到的物理知識用來解決身邊的問題,這樣既能收獲物理知識,又能體會知識的樂趣,更能感受知識帶來的啟示。
基于上述緣由,本教材以工科院校學(xué)生對知識、能力與素質(zhì)培養(yǎng)的要求為指導(dǎo),以運動、場和波為主線構(gòu)建了“大學(xué)物理”課程教學(xué)體系,將物理學(xué)中的力學(xué)、熱學(xué)、電磁學(xué)、光學(xué)、狹義相對論以及量子物理分成三個部分:
(1)第一篇“物質(zhì)的運動”:包括宏觀物體的運動和微觀粒子的運動,前者包括牛頓力學(xué)研究的低速機械運動和愛因斯坦狹義相對論研究的高速運動,后者包括熱學(xué)研究的氣體分子熱運動和量子力學(xué)研究的微觀粒子概率運動。這些內(nèi)容將使學(xué)生看清自然界和生活中的物質(zhì)運動的本質(zhì),目睹科學(xué)發(fā)展的進程,感受物理學(xué)給人們的震撼。
。2)第二篇“場”:通過電場、磁場、電磁場的講述,使學(xué)生充分認識“場”這種特殊物質(zhì),同時通過展現(xiàn)電磁理論的建立過程以及電磁技術(shù)引起的人們生活的巨大變化與科學(xué)技術(shù)上的重大突破,幫助學(xué)生理解物理學(xué)與應(yīng)用的聯(lián)系。
。3)第三篇“波動”:包括機械波、光波與電磁波。人們每時每刻都處于這些波的包圍之中,波的存在使人們的生活“有聲有色”,給人們帶來許多驚喜,同時也給人們帶來一些潛在的危害。通過這部分的學(xué)習(xí),讓學(xué)生學(xué)會用物理的眼光來看待這些問題。
為了體現(xiàn)工程教育特色,充分展示物理與工程的關(guān)系以及物理知識的應(yīng)用性,本教材在內(nèi)容編排與撰寫方面具有以下幾個特點:
(1)開篇問題:幾乎每個章節(jié)的開端都設(shè)置了基于某種現(xiàn)象或應(yīng)用的介紹,以此來引入知識的講述,并在相關(guān)知識的講解后進行解答或討論。
(2)趣味應(yīng)用:編寫了一些實際應(yīng)用解析的章節(jié),增加教材的趣味性和物理學(xué)的應(yīng)用性。
。3)實用例題:盡量選擇與某個實際應(yīng)用相結(jié)合的例子,使例題達到“應(yīng)用知識、拓展視野、體現(xiàn)方法”三個目的。
(4)工程問題或科學(xué)問題解析:每章結(jié)束后,都編寫有一個工程(科學(xué))問題解析,為教師和學(xué)生提供討論課的素材。
。5)設(shè)計型習(xí)題:針對每章的物理知識,在作業(yè)中設(shè)置了專門的設(shè)計題,為開展的課程項目提供內(nèi)容。
。6)全書圖文并茂,在闡明物理思想和物理規(guī)律的同時,還將學(xué)生帶到物理學(xué)以外的領(lǐng)域,讓學(xué)生領(lǐng)會科學(xué)和科學(xué)方法的相通性,啟發(fā)學(xué)生用物理的、科學(xué)的方式去欣賞這個世界。
本教材可作為各類工科院校理工科類專業(yè)60~100學(xué)時大學(xué)物理課程的教材。與教材配套的多媒體課件和教材中思考題與工程(科學(xué))問題解析的參考資料,便于教師教學(xué),利于學(xué)生開展學(xué)習(xí)和討論。
第一篇 物質(zhì)的運動
第一部分 物體的機械運動
第一章 質(zhì)點運動
1.1 物理基準(zhǔn)
1.1.1 長度、時間和質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)
1.1.2 參考系
1.2 質(zhì)點運動的描述
1.3 相對運動
1.4 牛頓運動定律
1.4.1 力
1.4.2 牛頓運動定律
1.4.3 牛頓定律的應(yīng)用
1.5 動量
1.5.1 動量與沖量
1.5.2 動量定理與動量守恒定律
1.5.3 火箭的發(fā)射
1.6 能量
1.6.1 功
1.6.2 功與能量
1.6.3 機械能守恒
1.6.4 普遍的能量守恒與轉(zhuǎn)化定律
1.6.5 賽車勝負的關(guān)鍵
科學(xué)問題解析萬有引力定律及其應(yīng)用
習(xí)題
第二章 剛體轉(zhuǎn)動
2.1 轉(zhuǎn)動的描述
2.2 力矩與轉(zhuǎn)動定律
2.3 角動量與角動量守恒定律
2.4 剛體繞定軸轉(zhuǎn)動的動能定理
2.5 工程中的剛體轉(zhuǎn)動
工程問題解析汽車制動器
習(xí)題
第三章 狹義相對論
3.1 牛頓的絕對時空觀
3.2 狹義相對論的基本原理
3.3 相對論性的時空觀
3.4 核能及其工程應(yīng)用
科學(xué)問題解析核武器
習(xí)題
第二部分 氣體分子的熱運動
第四章 氣體動理論
4.1 理想氣體的微觀模型與統(tǒng)計理論
4.2 壓強、溫度與內(nèi)能公式
4.2.1 壓強公式
4.2.2 溫度公式
4.2.3 內(nèi)能公式
4.3 氣體分子的速率分布統(tǒng)計規(guī)律
4.3.1 分子的速率分布
4.3.2 分子的特征速率
4.3.3 太陽風(fēng)的成分
科學(xué)問題解析礁湖星云的壓強
習(xí)題
第五章 熱力學(xué)基礎(chǔ)
5.1 理想氣體狀態(tài)與狀態(tài)的改變
5.2 熱力學(xué)第一定律
5.2.1 熱力學(xué)第一定律
5.2.2 熱力學(xué)第一定律在典型過程中的應(yīng)用
5.2.3 人體新陳代謝的能量轉(zhuǎn)化
5.3 循環(huán)過程在工程中的應(yīng)用
5.4 熱力學(xué)第二定律
5.5 熵與無序
5.5.1 熵與熵增加原理
5.5.2 無序度
工程問題解析陶瓷內(nèi)燃機
習(xí)題
第三部分 微觀粒子的概率運動
第六章 量子物理
6.1 量子與量子化規(guī)律
6.1.1 量子與量子化
6.1.2 黑體輻射與能量子假說
6.1.3 光電效應(yīng)與光量子學(xué)說
6.1.4 量子化規(guī)律的應(yīng)用
6.2 物質(zhì)的波粒二象性
6.2.1 光的粒子性
6.2.2 物質(zhì)波——德布羅意波
6.3 粒子運動的不確定性
6.4 粒子運動的薛定諤方程
6.5 掃描隧穿顯微鏡
6.6 量子信息技術(shù)
工程問題解析太陽能電池
習(xí)題
第二篇 場
第七章 靜電場
7.1 靜電場的描述
7.1.1 電荷與電場
7.1.2 電場強度
7.1.3 電場線
7.2 靜電場的高斯定理
7.2.1 電場強度通量
7.2.2 真空中的高斯定理
7.2.3 高斯定理在計算電場強度分布中的應(yīng)用
7.3 靜電場的環(huán)路定理
7.3.1 電場力的功
7.3.2 真空中的環(huán)路定理
7.4 電勢
7.4.1 電勢能與電勢
7.4.2 等勢面
7.4.3 電勢梯度
7.5 電場與物質(zhì)的作用
7.5.1 靜電場中的導(dǎo)體
7.5.2 靜電場中的電介質(zhì)
7.5.3 電容器及其應(yīng)用
7.6 靜電場的能量
7.7 靜電場的應(yīng)用
工程問題解析等離子顯示器
習(xí)題
第八章 恒定磁場
8.1 磁場的描述
8.2 畢奧一薩伐爾定律
8.3 磁場的高斯定理
8.4 磁場的安培環(huán)路定理
8.5 磁場對運動電荷的作用
8.5.1 帶電粒子在電場和磁場中的運動
8.5.2 霍耳效應(yīng)及應(yīng)用
8.5.3 磁場對電流的作用
8.6 磁場與物質(zhì)的作用
8.6.1 磁介質(zhì)的磁化
8.6.2 鐵磁質(zhì)及應(yīng)用
8.6.3 磁懸浮列車
工程問題解析巨磁阻效應(yīng)及其應(yīng)用
習(xí)題
第九章 電與磁的聯(lián)系
9.1 電磁感應(yīng)
9.1.1 電磁感應(yīng)現(xiàn)象
9.1.2 楞次定律
9.1.3 法拉第電磁感應(yīng)定律
9.1.4 發(fā)電機
9.1.5 自感和互感
9.2 感生電場
9.3 位移電流
9.4 電磁場
9.5 電磁場在工程中的應(yīng)用
工程問題解析金屬探測器
習(xí)題
第三篇 波動
第十章 機械波
10.1.機械振動
10.1.1 簡諧運動的描述
10.1.2 受迫振動和共振
10.1.3 簡諧運動的合成
10.1.4 機械波的形成
10.2 機械波的描述
10.2.1 機械波的分類與特征物理量
10.2.2 平面簡諧波的波函數(shù)
10.2.3 地震產(chǎn)生的波動
10.3 機械波的傳播規(guī)律
10.3.1 衍射現(xiàn)象與惠更斯原理
10.3.2 干涉現(xiàn)象與波的疊加
10.3.3 駐波現(xiàn)象及應(yīng)用
10.4 聲波
10.4.1 聲波的特征與種類
10.4.2 多普勒效應(yīng)
10.4.3 多普勒雷達與多普勒彩超
工程問題解析聲吶技術(shù)
習(xí)題
第十一章 光波
11.1 光的本質(zhì)
11.2 光的相干特性
11.2.1 干涉與光程
11.2.2 楊氏雙縫干涉
11.2.3 薄膜干涉
11.2.4 邁克耳孫干涉儀
11.2.5 干涉現(xiàn)象在工程精密測量中的應(yīng)用
11.3 光的衍射特性
11.3.1 惠更斯一菲涅耳原理
11.3.2 單縫衍射
11.3.3 圓孔衍射
11.3.4 光柵衍射
11.3.5 衍射現(xiàn)象與DNA的研究
11.4 光的偏振特性
11.4.1 偏振光的描述
11.4.2 布儒斯特定律
11.4.3 雙折射現(xiàn)象
11.4.4 三維電影
工程問題解析全息技術(shù)
習(xí)題
第十二章 電磁波
12.1 電磁波的形成與特性
12.2 電磁波的能量與電磁輻射
12.3 電磁波譜
12.4 工程中的電磁波
科學(xué)問題解析宇宙起源探秘
習(xí)題
習(xí)題答案