《物理學(xué)概論》高度概括了力學(xué)、熱學(xué)、電磁學(xué)、光學(xué)、相對論和量子物理等領(lǐng)域的基本知識(shí)及其中蘊(yùn)含的科學(xué)思想、科學(xué)方法和科學(xué)精神，重視理論聯(lián)系實(shí)際，注意反映新的科技進(jìn)展以及相關(guān)的社會(huì)問題，介紹物理學(xué)原理在文化、經(jīng)濟(jì)、政治、社會(huì)網(wǎng)絡(luò)和科技等日常生活領(lǐng)域中的前沿應(yīng)用。我們盡力保持本書對每部分內(nèi)容合理的篇幅，同時(shí)覆蓋物理學(xué)概論書籍應(yīng)包含的核心內(nèi)容。要詳盡了解這些概念，需要有充分的討論和思考時(shí)間。
《物理學(xué)概論》的主要對象是非物理專業(yè)的文科類及理工科學(xué)生，通過物理學(xué)的普及教育使學(xué)生獲得邏輯思維能力、解決問題的能力和接受新事物能力等的熏陶。《物理學(xué)概論》還可以是一般讀者了解物理學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)及與現(xiàn)代高新技術(shù)發(fā)展前沿關(guān)系的參考讀物。對于許多非科學(xué)專業(yè)的學(xué)生而言，物理學(xué)課程中關(guān)于數(shù)學(xué)的內(nèi)容越少越好，并不需要學(xué)習(xí)以數(shù)學(xué)運(yùn)算為基礎(chǔ)的解題技巧，而應(yīng)將注意力明確地集中在物理學(xué)的意義上是非常重要的。因此，《物理學(xué)概論》采用概念式的方法而不是數(shù)學(xué)的方法向讀者介紹物理學(xué)，通過具體的圖像來思考物理問題，而不是通過方程式、積分和數(shù)字等數(shù)學(xué)運(yùn)算，就能更好地掌握物理學(xué)的基本思想。
《物理學(xué)概論》以培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)和創(chuàng)新能力為目標(biāo)，以案例貫穿式為主線來介紹物理學(xué)基礎(chǔ)理論知識(shí)，結(jié)合案例講解，注重教材內(nèi)容的科學(xué)性、趣味性、實(shí)用性與科學(xué)價(jià)值觀的有機(jī)結(jié)合，讓學(xué)生在學(xué)習(xí)的過程中結(jié)合科學(xué)史，了解物理學(xué)家們的創(chuàng)造性思維，承前啟后、勇于創(chuàng)新的精神以及對科學(xué)事業(yè)的奉獻(xiàn)精神；結(jié)合理論和高科技應(yīng)用，擴(kuò)大知識(shí)面并開闊眼界。由此來了解物理現(xiàn)象及其變化和發(fā)展的物理概念和規(guī)律，探討物理學(xué)基本規(guī)律與現(xiàn)代科技及社會(huì)發(fā)展之間的關(guān)系，以培養(yǎng)學(xué)生綜合科學(xué)素養(yǎng)。
《物理學(xué)概論》配套慕課在線課程《物理與人類未來》(2017年3月上線中國大學(xué)慕課，2017年10月上線學(xué)堂在線)，引進(jìn)新型技術(shù)參與教材實(shí)現(xiàn)真正的立體化。借助二維碼技術(shù)，通過掃一掃方式，方便學(xué)生手機(jī)學(xué)習(xí)，實(shí)現(xiàn)了教學(xué)中的互聯(lián)網(wǎng) 碎片化概念，每章設(shè)置一個(gè)二維碼，里面有本章重要內(nèi)容的視頻講解。
前 言
物理學(xué)作為自然科學(xué)的一門重要基礎(chǔ)學(xué)科，歷來是人類物質(zhì)文明發(fā)展的基礎(chǔ)和動(dòng)力。作為人類追求真理、探索未知世界奧秘的有力工具，物理學(xué)又是一種哲學(xué)觀和方法論。由于物理學(xué)研究內(nèi)容和方法的特殊性，使物理學(xué)教育成為培養(yǎng)大學(xué)生科學(xué)文化素質(zhì)最為有效的手段。面對當(dāng)代如此龐大的科學(xué)文化系統(tǒng)，任何人也不可能向古代圣賢那樣做一個(gè)百科全書式的學(xué)者，去通識(shí)每一片知識(shí)綠葉。盡管如此，我們?nèi)匀豢梢詮南到y(tǒng)和整體的角度出發(fā)，領(lǐng)悟物理學(xué)與其他各個(gè)學(xué)科之間的關(guān)聯(lián)，側(cè)重各門交叉學(xué)科之間的基本規(guī)律和基本思想，為成長為一個(gè)新時(shí)代高素質(zhì)人才培養(yǎng)基本科學(xué)素養(yǎng)。
本書高度概括了力學(xué)、熱學(xué)、電磁學(xué)、光學(xué)、相對論和量子物理等領(lǐng)域的基本知識(shí)及其中蘊(yùn)含的科學(xué)思想、科學(xué)方法和科學(xué)精神，重視理論聯(lián)系實(shí)際，注意反映新的科技進(jìn)展以及相關(guān)的社會(huì)問題，介紹物理學(xué)原理在文化、經(jīng)濟(jì)、政治、社會(huì)網(wǎng)絡(luò)和科技等日常生活領(lǐng)域中的最新前沿應(yīng)用。我們盡力保持本書對每部分內(nèi)容合理的篇幅，同時(shí)覆蓋物理學(xué)概論書籍應(yīng)包含的核心內(nèi)容。要詳盡了解這些概念，需要有充分的討論和思考時(shí)間。
本書的主要對象是非物理專業(yè)的文科類及理工科學(xué)生，通過物理學(xué)的普及教育使學(xué)生獲得邏輯思維能力、解決問題的能力和接受新事物能力等的熏陶。本書還可以是一般讀者了解物理學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)及與現(xiàn)代高新技術(shù)發(fā)展前沿關(guān)系的參考讀物。對于許多非科學(xué)專業(yè)的學(xué)生而言，物理學(xué)課程中關(guān)于數(shù)學(xué)的內(nèi)容越少越好，并不需要學(xué)習(xí)以數(shù)學(xué)運(yùn)算為基礎(chǔ)的解題技巧，而應(yīng)將注意力明確地集中在物理學(xué)的意義上是非常重要的。因此，本書采用概念式的方法而不是數(shù)學(xué)的方法向讀者介紹物理學(xué)，通過具體的圖像來思考物理問題，而不是通過方程式、積分和數(shù)字等數(shù)學(xué)運(yùn)算，就能更好地掌握物理學(xué)的基本思想。
本書以培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)和創(chuàng)新能力為目標(biāo)，以案例貫穿式為主線來介紹物理學(xué)基礎(chǔ)理論知識(shí)，結(jié)合案例講解，注重教材內(nèi)容的科學(xué)性、趣味性、實(shí)用性與科學(xué)價(jià)值觀的有機(jī)結(jié)合，讓學(xué)生在學(xué)習(xí)的過程中結(jié)合科學(xué)史，了解物理學(xué)家們的創(chuàng)造性思維，承前啟后、勇于創(chuàng)新的精神以及對科學(xué)事業(yè)的奉獻(xiàn)精神；結(jié)合理論和高科技應(yīng)用，擴(kuò)大知識(shí)面并開闊眼界。由此來了解物理現(xiàn)象及其變化和發(fā)展的物理概念和規(guī)律，探討物理學(xué)基本規(guī)律與現(xiàn)代科技及社會(huì)發(fā)展之間的關(guān)系，以培養(yǎng)學(xué)生綜合科學(xué)素養(yǎng)。
本書配套慕課在線課程《物理與人類未來》(2017年3月上線中國大學(xué)慕課，2017年10月上線學(xué)堂在線)，引進(jìn)新型技術(shù)參與教材實(shí)現(xiàn)真正的立體化。借助二維碼技術(shù)，通過掃一掃方式，方便學(xué)生手機(jī)學(xué)習(xí)，實(shí)現(xiàn)了教學(xué)中的互聯(lián)網(wǎng) 碎片化概念，每章設(shè)置一個(gè)二維碼，里面有本章重要內(nèi)容的視頻講解。本書曾以講義的形式于2016年至2017年在東北大學(xué)的全校素質(zhì)選修課試用，許多老師和同學(xué)提出了寶貴的意見和建議。在此向他們一并表示衷心的感謝！出版過程中得到了東北大學(xué)教務(wù)處和清華大學(xué)出版社的大力協(xié)助和支持，在此致謝！
由于本書涉及面廣，作者水平有限，書中難免存在這樣或那樣的錯(cuò)誤或缺點(diǎn)，懇請廣大讀者批評指正。
編 者
目 錄
第一章 導(dǎo)論 1
第一節(jié) 什么是科學(xué) 2
一、科學(xué)及科學(xué)方法 2
二、科學(xué)與偽科學(xué)、文化、藝術(shù)
及宗教 5
第二節(jié) 什么是物理學(xué) 7
一、物理學(xué)的概念 7
二、物理學(xué)的分支 8
第三節(jié) 物理學(xué)中的科學(xué)思想及人文精神 9
一、物理學(xué)中的科學(xué)思想 9
二、物理學(xué)中的人文精神 11
第四節(jié) 物理學(xué)決定人類的未來 12
一、什么是人類 12
二、科技文明中人類的未來 13
復(fù)習(xí)思考題 15
第二章 如何描述運(yùn)動(dòng) 17
第一節(jié) 亞里士多德論運(yùn)動(dòng) 18
一、對運(yùn)動(dòng)常識(shí)性的看法 18
二、亞里士多德物理學(xué)的局限性 19
第二節(jié) 慣性定律 20
一、中世紀(jì)的認(rèn)識(shí) 20
二、笛卡兒的認(rèn)識(shí) 20
三、慣性定律的概述 21
第三節(jié) 描述運(yùn)動(dòng)的物理量 22
一、位置 22
二、速度 25
三、加速度 28
第四節(jié) 落體運(yùn)動(dòng)和拋體運(yùn)動(dòng) 30
一、落體運(yùn)動(dòng) 30
二、拋體運(yùn)動(dòng) 33
復(fù)習(xí)思考題 35
第三章 如何解釋運(yùn)動(dòng) 37
第一節(jié) 力使物體產(chǎn)生加速度 38
一、什么是力 38
二、常見的力 39
三、力產(chǎn)生加速度 47
第二節(jié) 牛頓第二定律 49
一、合力的作用 49
二、牛頓第二定律概述 51
第三節(jié) 牛頓第三定律 51
一、作用力與反作用力 51
二、牛頓第三定律概述 52
第四節(jié) 牛頓定律的應(yīng)用 54
一、在現(xiàn)代科技中的應(yīng)用 54
二、牛頓定律中的人文思想 57
復(fù)習(xí)思考題 59
第四章 牛頓世界觀 61
第一節(jié) 牛頓統(tǒng)一論 62
一、蘋果和月亮的思考 62
二、牛頓統(tǒng)一論概述 64
第二節(jié) 引力：宇宙的起源 65
一、引力：太陽系演化的驅(qū)動(dòng)力 65
二、引力：質(zhì)量更大的恒星死亡的
誘因 67
第三節(jié) 牛頓的機(jī)械宇宙觀 69
一、牛頓世界觀 69
二、機(jī)械世界觀 69
第四節(jié) 牛頓物理學(xué)的局限性 70
一、適用范圍的局限性 70
二、時(shí)空觀的局限性 71
復(fù)習(xí)思考題 75
第五章 動(dòng)量和能量 76
第一節(jié) 動(dòng)量和角動(dòng)量 77
一、動(dòng)量和動(dòng)量守恒 77
二、角動(dòng)量和角動(dòng)量守恒 81
第二節(jié) 功 84
一、做功 85
二、功率 86
第三節(jié) 能量 86
一、能量概述 86
二、能量守恒 89
第四節(jié) 未來的能量選擇 91
一、能量效率 91
二、能量的來源 92
三、未來的能量選擇概述 93
復(fù)習(xí)思考題 97
第六章 熱現(xiàn)象及熱力學(xué)基本定律 99
第一節(jié) 溫度和熱量 100
一、溫度 100
二、熱量 103
三、熱傳遞 105
第二節(jié) 熱力學(xué)第一定律 108
一、內(nèi)能 108
二、熱力學(xué)第一定律概述 109
第三節(jié) 熱力學(xué)第二定律 113
一、熱機(jī) 113
二、熱力學(xué)第二定律概述 117
第四節(jié) 熵 120
一、熵的物理定義 120
二、熵的人文啟示 124
復(fù)習(xí)思考題 125
第七章 光和電磁學(xué) 127
第一節(jié) 波 128
一、波的產(chǎn)生 128
二、波的特征量 129
三、多普勒效應(yīng) 130
第二節(jié) 光 132
一、光的波動(dòng)性 132
二、光的偏振 134
三、光的本性 135
第三節(jié) 電學(xué) 138
一、電荷 138
二、電流 140
三、電場 142
第四節(jié) 磁學(xué) 143
一、磁場 143
二、電磁感應(yīng) 144
三、麥克斯韋的電磁場理論 145
四、電磁波譜 147
第五節(jié) 原子和原子核 149
一、原子模型 149
二、原子核與放射性 151
復(fù)習(xí)思考題 154
第八章 相對論和現(xiàn)代時(shí)空觀 156
第一節(jié) 狹義相對論 157
一、運(yùn)動(dòng)的相對性 157
二、狹義相對論的基本假設(shè) 159
三、狹義相對論的時(shí)空觀 160
四、質(zhì)能等價(jià) 165
第二節(jié) 廣義相對論 166
一、等效原理 167
二、引力和時(shí)空 169
三、相對論與政治及藝術(shù) 174
第三節(jié) 窺視宇宙 178
一、宇宙的起源 178
二、宇宙暴脹 180
三、暗物質(zhì) 180
四、暗能量 181
第四節(jié) 探尋地外生命 182
一、地球上生命出現(xiàn)的條件 182
二、其他行星出現(xiàn)生命的可能性 183
復(fù)習(xí)思考題 185
第九章 量子觀念 187
第一節(jié) 早期量子論 188
一、普朗克能量子假設(shè) 188
二、光的量子化 191
三、光的波粒二象性 193
第二節(jié) 物質(zhì)的量子奧秘 194
一、德布羅意波：實(shí)物的波動(dòng)性 194
二、物質(zhì)波的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證 196
三、物質(zhì)波的統(tǒng)計(jì)解釋 196
第三節(jié) 量子力學(xué) 198
一、量子力學(xué)概述 198
二、不確定關(guān)系 203
三、量子非局域性 205
四、量子世界觀 207
第四節(jié) 量子場 209
一、量子場論 209
二、量子電動(dòng)力學(xué) 210
三、反物質(zhì) 212
復(fù)習(xí)思考題 214
第十章 物理與人類未來 216
第一節(jié) 計(jì)算機(jī)的未來 217
一、摩爾定律的結(jié)束 217
二、虛擬現(xiàn)實(shí) 217
三、心力控制計(jì)算機(jī) 219
第二節(jié) 人工智能的未來 221
一、無處不在的機(jī)器人 221
二、人工智能與工業(yè)4.0 223
三、人工智能的未來概述 224
第三節(jié) 大數(shù)據(jù)與社會(huì)的未來 228
一、大數(shù)據(jù)規(guī)劃城市 228
二、大數(shù)據(jù)幫助公共健康 229
三、大數(shù)據(jù)與私人數(shù)據(jù)安全 230
第四節(jié) 地球的未來 231
一、核武器 231
二、時(shí)空旅行 233
三、地球的危險(xiǎn) 235
第五節(jié) 人類的未來 236
一、醫(yī)學(xué)的未來 236
二、財(cái)富的未來 238
三、人類的未來概述 239
復(fù)習(xí)思考題 242
參考文獻(xiàn) 244
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