我于2021年11月5日,在搜狐視頻App張朝陽(yáng)賬號(hào)直播開(kāi)講基礎(chǔ)物理,基本上每周五、周日中午12點(diǎn)開(kāi)始,每次時(shí)長(zhǎng)1.5小時(shí),目前已經(jīng)講了150余期。每期直播課都在張朝陽(yáng)賬號(hào)下的物理課欄目中有全程回放,并由葛伯宣剪輯成10分鐘左右的短視頻,發(fā)布在搜狐視頻App張朝陽(yáng)的物理課賬號(hào)下。后續(xù),又由李松、涂凱勛、王朕鐸、陳廣尚等整理成文章,發(fā)布于搜狐新聞App搜狐科技賬號(hào)下。本書覆蓋了視頻課67~127期的內(nèi)容,是相關(guān)文章的集合。
對(duì)于有物理基礎(chǔ)的同學(xué),我建議采用研究式學(xué)習(xí)碎片化學(xué)習(xí)的方法。如果把物理學(xué)知識(shí)與技能比作一個(gè)二維平面古城,你當(dāng)初沿著本科、研究生物理的教科書路徑,按部就班地走過(guò)了這座古城的主要街道;從《張朝陽(yáng)的物理課》開(kāi)始,你將從不同城門進(jìn)入這座古城,走的是不同的路徑,或者直達(dá)某個(gè)景點(diǎn)游玩,看到的是不同的風(fēng)景,在隨意的走走逛逛中,你將對(duì)這座古城非常熟悉,如同自己的家園。
研究式學(xué)習(xí),不是被動(dòng)地、單一地按順序接收傳統(tǒng)教科書中的內(nèi)容,而是在好奇心的驅(qū)使下,想要深入了解某個(gè)問(wèn)題是怎么回事,即自己向自己提出一個(gè)問(wèn)題,大概地翻翻書,或在互聯(lián)網(wǎng)上搜索一下,粗略地看后,自己拿起筆進(jìn)行推導(dǎo)、計(jì)算。我以這樣的方法進(jìn)行備課、講課,因此本書中包含了不少傳統(tǒng)教科書中沒(méi)有的問(wèn)題及對(duì)問(wèn)題的不同處理方法。
例如,在狹義相對(duì)論部分,時(shí)間空間獨(dú)立與無(wú)限速度的等效性問(wèn)題;在天體物理部分,對(duì)拉格朗日L4點(diǎn)的計(jì)算問(wèn)題,以及對(duì)月球退行速率的計(jì)算問(wèn)題;在電動(dòng)力學(xué)部分,對(duì)運(yùn)動(dòng)點(diǎn)電荷的電磁勢(shì)的計(jì)算問(wèn)題;在流體力學(xué)部分,N-S方程流管速度場(chǎng)分布的含時(shí)解問(wèn)題,等等。
以這樣的方法,本書的內(nèi)容覆蓋了牛頓力學(xué)、天體物理、電動(dòng)力學(xué)、流體力學(xué)、熱傳導(dǎo)等多個(gè)領(lǐng)域的多個(gè)有趣的問(wèn)題。單從問(wèn)題的標(biāo)題看,本書貌似一本科普讀物,但因?yàn)閷?duì)每一個(gè)問(wèn)題都進(jìn)行了從基本原理出發(fā)的詳細(xì)計(jì)算、推導(dǎo),所以實(shí)則這是一本有難度、需要一些數(shù)學(xué)功底的讀物。同樣地,你也可以碎片化地閱讀本書,挑你感興趣的章節(jié),拿出筆和紙,邊讀邊推導(dǎo)。
《張朝陽(yáng)的物理課》的直播課及視頻回放,如同思維的宇宙飛船,還在繼續(xù)探索著基礎(chǔ)物理的深空,現(xiàn)已成書第一卷與第二卷。感謝課上網(wǎng)友的熱情燒腦與迎接挑戰(zhàn)(受虐),這兩本書可以方便地讓你復(fù)習(xí)前127期課程。第三卷也將在不久的將來(lái)面世,學(xué)習(xí)物理,開(kāi)啟了解天地奧妙的旅程,如旅行者號(hào)(Voyager)一樣繼續(xù)駛向無(wú)盡的遠(yuǎn)方。
張朝陽(yáng)
2023年6月27日
第一部分 牛頓力學(xué)與天體物理
面積分可以轉(zhuǎn)化成體積分?
矢量分析及其在引力場(chǎng)中的應(yīng)用·3
如何求引力場(chǎng)和引力勢(shì)?
高斯定理和泊松方程的應(yīng)用·12
旅行者號(hào)如何擺脫太陽(yáng)的引力束縛?
物體在引力場(chǎng)中的軌道與引力彈弓效應(yīng)·19
韋伯望遠(yuǎn)鏡為什么在那么遠(yuǎn)?
日地系統(tǒng)的拉格朗日點(diǎn)·27
地月公轉(zhuǎn)會(huì)導(dǎo)致怎樣的慣性勢(shì)?
引力勢(shì)的勒讓德展開(kāi)及平動(dòng)參考系·38
黑洞的意大利面效應(yīng)指的是什么?
詳細(xì)計(jì)算潮汐力導(dǎo)致的海平面高度·46
為什么月球正不斷遠(yuǎn)離我們?
潮汐鎖定效應(yīng)及月球退行速率·58
如果月球離地球很近會(huì)被地球撕碎?
計(jì)算洛希極限·65
地球?yàn)槭裁词莻(gè)扁球體?
計(jì)算地球自轉(zhuǎn)導(dǎo)致的地球變形·72
第二部分 洛倫茲變換
數(shù)學(xué)上怎么表示旋轉(zhuǎn)變換?
轉(zhuǎn)動(dòng)的矩陣表示及度規(guī)的概念·79
狹義相對(duì)論的時(shí)空變換是怎樣的?
閔氏度規(guī)及時(shí)空變換矩陣·87
怎么從時(shí)空變換矩陣得到洛倫茲變換?
洛倫茲變換及四維矢量·95
第三部分 電動(dòng)力學(xué)
電磁學(xué)的公理是什么?
麥克斯韋方程組及其物理意義·106
穩(wěn)恒電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)怎么求?
安培環(huán)路定理和畢奧-薩伐爾定律·114
無(wú)窮大電流板產(chǎn)生的磁場(chǎng)是怎樣的?
繼續(xù)求解電流的磁場(chǎng)·122
電阻的微觀起源是怎樣的?
認(rèn)識(shí)平板電容器和電阻·130
極光為什么會(huì)出現(xiàn)在地球兩極?
洛倫茲力及其應(yīng)用·139
發(fā)電機(jī)的物理原理是什么?
法拉弟電磁感應(yīng)定律與安培-麥克斯韋定律·147
電磁波為什么是橫波?
電磁波動(dòng)方程及其平面波解·155
可以給磁場(chǎng)定義一個(gè)矢量勢(shì)場(chǎng)?
穩(wěn)恒電磁場(chǎng)的標(biāo)量勢(shì)與矢量勢(shì)·162
一般情況下的磁矢勢(shì)是怎樣的?
電磁勢(shì)的推遲勢(shì)解·169勻速運(yùn)動(dòng)點(diǎn)電荷的電磁勢(shì)是怎樣的?
直接積分求解電磁勢(shì)·181
洛倫茲力來(lái)源于電場(chǎng)力的洛倫茲變換?
勻速運(yùn)動(dòng)點(diǎn)電荷的電磁場(chǎng)及其應(yīng)用·191
振動(dòng)點(diǎn)電荷會(huì)怎樣輻射電磁波?
用遠(yuǎn)場(chǎng)低速近似求振動(dòng)點(diǎn)電荷的電磁勢(shì)·200
瑞利散射功率為什么與頻率的四次方成正比?
電磁場(chǎng)的能流密度與振動(dòng)點(diǎn)電荷的輻射功率·208
為什么電磁勢(shì)構(gòu)成四維矢量?
電磁勢(shì)構(gòu)成四維矢量的一般性證明·214
折射率的微觀起源是怎樣的?
光在介質(zhì)中的速度與光的折射·221
磁荷不存在,那磁矩是什么?
磁矩及其在外磁場(chǎng)中所受的力矩·232
磁場(chǎng)對(duì)磁矩的力矩會(huì)產(chǎn)生什么效應(yīng)?
順磁、抗磁原理及磁矩在磁場(chǎng)中的力與勢(shì)能·239
順磁磁化強(qiáng)度怎么求?
外磁場(chǎng)下的自旋能級(jí)與順磁磁化強(qiáng)度·247
磁場(chǎng)會(huì)對(duì)原子能級(jí)產(chǎn)生怎樣的影響?
半經(jīng)典的抗磁性、鈉雙線結(jié)構(gòu)與正常塞曼效應(yīng)·254
量子力學(xué)中的抗磁性是怎樣的?
帶電粒子在磁場(chǎng)中的哈密頓量·263
第四部分 流體力學(xué)
如何計(jì)算水中物體的浮力?
介紹流體力學(xué)基本概念·273
香蕉球的物理原理是什么?
證明浮力定律與伯努利原理·281
怎么推導(dǎo)納維爾-斯托克斯方程?
黏性與應(yīng)力張量·290
如何推導(dǎo)泊肅葉定律?
求解圓柱管中穩(wěn)恒層流的納維爾-斯托克斯方程·303
三角管中黏性不可壓縮流體的流量與什么有關(guān)?
利用邊界條件猜出納維爾-斯托克斯方程的解·310
橢圓管中黏性不可壓縮流體的流量與什么有關(guān)?
對(duì)比不同截面形狀的管的流量公式·317
黏性流體流速如何隨時(shí)間演化(上)?
求解圓柱管中非穩(wěn)恒納維爾-斯托克斯方程·324
黏性流體流速如何隨時(shí)間演化(下)?
貝塞爾函數(shù)的性質(zhì)與傅里葉-貝塞爾級(jí)數(shù)·334
第五部分熱傳導(dǎo)
怎么定量分析熱量的傳導(dǎo)?
傅里葉定律和熱傳導(dǎo)方程·345
兩端接觸冰水的細(xì)桿的溫度如何變化?
一維熱傳導(dǎo)方程的求解·353
絕熱細(xì)桿的溫度如何變化?
熵增原理與半無(wú)限長(zhǎng)情況的求解·362
水流中的球體溫度怎么隨時(shí)間演化?
更一般的邊界條件與三維熱傳導(dǎo)方程·370
水流中的柱體溫度怎么隨時(shí)間演化?
柱坐標(biāo)系下的熱傳導(dǎo)方程與傅里葉-貝塞爾級(jí)數(shù)·384
如何定量描述氣體向金屬內(nèi)部的擴(kuò)散?
菲克定律與擴(kuò)散方程·394