新編基礎(chǔ)物理學(xué)（上冊）（第二版）
定 價(jià)：35 元
叢書名：普通高等教育“十一五”國家級(jí)規(guī)劃教材
- 作者：王少杰,顧牡,吳天剛主編
- 出版時(shí)間：2014/7/1
- ISBN：9787030413161
- 出 版 社：科學(xué)出版社
- 中圖法分類：O4
- 頁碼：260
- 紙張：膠版紙
- 版次：2
- 開本：16K
新編基礎(chǔ)物理學(xué)．上冊是普通高等教育“十一五”國家級(jí)規(guī)劃教材，2009 年被教育部列為普通高等教育精品教材．新編基礎(chǔ)物理學(xué)．上冊依照教育部最新頒布的大學(xué)物理課程教學(xué)基本要求編寫，新編基礎(chǔ)物理學(xué)．上冊系統(tǒng)闡述了大學(xué)物理學(xué)的基本概念、基本理論和基本方法，并融入作者多年教學(xué)經(jīng)歷所積累的成功經(jīng)驗(yàn)．編寫理念上，強(qiáng)調(diào)培養(yǎng)學(xué)生物理思想和物理方法；內(nèi)容選取上，根據(jù)“保證寬度、加強(qiáng)近代、聯(lián)系實(shí)際、涉及前沿”的原則，強(qiáng)調(diào)精煉適當(dāng)；編寫風(fēng)格上，力求深入淺出、簡潔流暢．考慮當(dāng)前學(xué)生學(xué)習(xí)和教師教學(xué)特點(diǎn)，新編基礎(chǔ)物理學(xué)．上冊配備了習(xí)題分析與解答，學(xué)習(xí)指導(dǎo)與能力訓(xùn)練以及電子教案等資源，以備選用．新編基礎(chǔ)物理學(xué)．上冊分兩冊，上冊包括力學(xué)篇，機(jī)械振動(dòng)、機(jī)械波篇和熱學(xué)篇；下冊包括電磁學(xué)篇，光學(xué)篇和量子物理基礎(chǔ)篇．值得一提的是，新編基礎(chǔ)物理學(xué)．上冊在有關(guān)章節(jié)中適當(dāng)引入計(jì)算機(jī)數(shù)字技術(shù)應(yīng)用案例，以引導(dǎo)學(xué)生自主式、研究式學(xué)習(xí)，以期激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣；同時(shí)在新編基礎(chǔ)物理學(xué)．上冊的每章均設(shè)置二維碼，讓學(xué)生自主掃描獲得動(dòng)畫、視頻和演示實(shí)驗(yàn)等資料，從而拓展大學(xué)物理的教學(xué)內(nèi)容，培養(yǎng)學(xué)生探索精神和創(chuàng)新意識(shí)．
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第1章 力學(xué)
自然界中一切物質(zhì)都在永不停息地運(yùn)動(dòng)著，這是所有物質(zhì)的一個(gè)共同特征，而運(yùn)動(dòng)的形式多種
多樣，如機(jī)械運(yùn)動(dòng)、分子熱運(yùn)動(dòng)、電磁運(yùn)動(dòng)、原子和原子核運(yùn)動(dòng)以及其他微觀粒子的運(yùn)動(dòng)等，但其 中最簡單、最基本而又最常見的運(yùn)動(dòng)形式是機(jī)械運(yùn)動(dòng)．所謂機(jī)械運(yùn)動(dòng) (mechAnicAl motion) 是指，物 體相對于其他物體的位置 ( 距離和方向 ) 的變化以及物體各部分之間的相對運(yùn)動(dòng) ( 如形變 )．在物理 學(xué)中，專門研究物體的機(jī)械運(yùn)動(dòng)及其規(guī)律的學(xué)科分支就是力學(xué) (mechAnics)．
力學(xué)的歷史悠久，是人類最早建立的學(xué)科之一．英國物理學(xué)家牛頓 (IsAAc Newton，1642~1727) 總結(jié)、分析了亞里士多德、伽利略、開普勒、笛卡兒和惠更斯等的實(shí)驗(yàn)和理論后，于 1687 年發(fā)表 了《自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理》一書，提出了著名的運(yùn)動(dòng)三定律和萬有引力定律，從而奠定了經(jīng)典力學(xué) 的基礎(chǔ)．至此，力學(xué)進(jìn)入了所謂的牛頓力學(xué)時(shí)代，這是力學(xué)發(fā)展史上的一個(gè)重要里程碑．此后，牛 頓建立的力學(xué)體系又經(jīng)過伯努利、拉格朗日和達(dá)朗貝爾等的推廣和完善，形成了系統(tǒng)的理論，取得 了廣泛的應(yīng)用并發(fā)展出了流體力學(xué)、彈性力學(xué)和分析力學(xué)等分支．隨著科技的發(fā)展，到了 20 世紀(jì)初， 相繼建立了研究物體在高速運(yùn)動(dòng)時(shí)規(guī)律的相對論力學(xué)和研究微觀客體運(yùn)動(dòng)規(guī)律的量子力學(xué)，使牛頓 力學(xué)得以進(jìn)一步擴(kuò)展和修正．近代物理學(xué)的研究揭示了經(jīng)典力學(xué)只適用于宏觀低速的情況，盡管如 此，經(jīng)典力學(xué)仍然能在相當(dāng)廣闊的尺度和速率范圍內(nèi)使用．在自然科學(xué)和工程技術(shù)領(lǐng)域，牛頓力學(xué) 仍然能夠較精確地解決許多理論和實(shí)際問題．
力學(xué)的研究內(nèi)容是力與物體運(yùn)動(dòng)的關(guān)系．通常我們把力學(xué)分成運(yùn)動(dòng)學(xué) (kinemAtics)、動(dòng)力學(xué)
(dynAmics) 和狹義相對論 (speciAl relAtivity) 三部分．運(yùn)動(dòng)學(xué)研究的是物體在運(yùn)動(dòng)過程中位置和時(shí)間 的關(guān)系，不追究運(yùn)動(dòng)發(fā)生的原因；而動(dòng)力學(xué)研究的是物體的運(yùn)動(dòng)與物體間相互作用的內(nèi)在聯(lián)系和規(guī) 律；狹義相對論主要介紹相對論時(shí)空觀、運(yùn)動(dòng)學(xué)基本問題和狹義相對論質(zhì)點(diǎn)動(dòng)力學(xué)的初步知識(shí)，從 而使讀者盡早感受到經(jīng)典物理和近代物理的適當(dāng)融合，以拓展視野．
力學(xué)是物理學(xué)的起點(diǎn)，也是整個(gè)物理學(xué)的“基石”，因此，掌握力學(xué)對學(xué)好物理學(xué)的其他部分 是極其重要的．
第1 章 質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)學(xué)
點(diǎn)運(yùn)動(dòng)學(xué)的任務(wù)是研究和描述做機(jī)械運(yùn)動(dòng)的物體在空
間的位置隨時(shí)間變化的關(guān)系，并不追究運(yùn)動(dòng)發(fā)生的原 因 . 本章在引入?yún)⒖枷�、坐�?biāo)系、質(zhì)點(diǎn)等概念的基礎(chǔ)上，定 義描述質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)的物理量，如位置矢量、位移、速度和加速 度等，進(jìn)而討論這些量隨時(shí)間的變化以及相互關(guān)系，然后討 論曲線運(yùn)動(dòng)中的切向加速度和法向加速度，最后將介紹相對 運(yùn)動(dòng) .
1.1 參考系 時(shí)間和空間的測量
1.1.1 參考系 坐標(biāo)系
自然界中所有的物體都在不停地運(yùn)動(dòng)著，絕對靜止的物體是沒有的， 這就是運(yùn)動(dòng)的絕對性．同時(shí)，運(yùn)動(dòng)還具有相對性．描述一個(gè)物體的運(yùn)動(dòng) 時(shí)，首先要選定某一物體作為參考物體，選定的參考物體不同，運(yùn)動(dòng)的描 述也就可能不同，這種被選作參考的物體稱為參考物．與參考物固連的空 間稱為參考空間．而參考空間和與之固連的時(shí)間組合稱為參考系 (reference system)．但習(xí)慣上，常把參考物簡稱為參考系，并不特別指出與之相連的 參考空間和鐘．參考系選定后，為了定量地描述物體相對于參考系的位置， 還必須在參考系上建立適當(dāng)?shù)淖鴺?biāo)系 (coordinAte system)．因此，坐標(biāo)系 是參考系的數(shù)學(xué)表示．盡管坐標(biāo)系的選取是完全任意的，然而一旦選定坐 標(biāo)系，物體運(yùn)動(dòng)的描述便隨之確定．常用的坐標(biāo)系有直角坐標(biāo)系 ( 又稱笛 卡兒坐標(biāo)系 )、平面極坐標(biāo)系、球坐標(biāo)系和柱坐標(biāo)系等．今后若不特別指 明，我們均采用直角坐標(biāo)系．需要說明的是，物體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)與選擇的參 考系密切相關(guān) ( 運(yùn)動(dòng)是相對的 )，而與選取何種類型的坐標(biāo)系無關(guān)．同時(shí) 必須注意，求解運(yùn)動(dòng)學(xué)問題時(shí)，需將各類物理量變換到同一參考系中分析 求解．
通常按慣例約定：若不明確指出選用什么物體為參考系，就是選取 地面為參考系．
1.1.2 時(shí)間的測量
描寫物體的運(yùn)動(dòng)，要用到時(shí)間 (time) 和空間 (spAce) 這兩個(gè)概念．雖 然在生活中我們對時(shí)間和空間已經(jīng)比較熟悉，但是要問你什么是時(shí)間、 什么是空間，卻又不容易找到恰當(dāng)?shù)拇鸢福^時(shí)間，是用以表述事件 之間的先后順序性和持續(xù)性 ；空間是用以表述事物相互之間的位置和廣 延性．盡管對時(shí)間和空間沒有滿意的“嚴(yán)格”的理論定義，但這并不影 響二者在物理學(xué)中的使用．因?yàn)�，物理學(xué)是一門基于實(shí)驗(yàn)的科學(xué)，首要 應(yīng)考慮的問題不是它們的定義，而是了解它們是怎樣度量的．
一切周期運(yùn)動(dòng)都可以用來度量時(shí)間．太陽的升起和降落表示天 ( 日 )， 四季的循環(huán)表示年，月亮的盈虧是農(nóng)歷的月，這些均已為我們所熟悉，因 而年、月、日一直是世界各民族計(jì)量時(shí)間的單位和標(biāo)準(zhǔn)．為了更精細(xì)地量 度時(shí)間，我國古代將 1 日分為 12 個(gè)時(shí)辰，1 個(gè)時(shí)辰又分為 4 刻；近代將 1 日分為 24 個(gè)小時(shí)，1 小時(shí)分為 60 分鐘，1 分鐘分為 60 秒．
目前，國際通用的時(shí)間單位是秒 (s)．1967 年 10 月在第十三屆國際度
量衡會(huì)議上決定采用原子的躍遷輻射作為計(jì)時(shí)標(biāo)準(zhǔn)，規(guī)定 1 秒為位于海平
面上的 133Cs 原子的基態(tài)的兩個(gè)超精細(xì)能級(jí)在零磁場中躍遷輻射的周期 T 的
9 192 631 770 倍．此時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)稱為原子時(shí)． 在 自 然 界 中， 任 何 現(xiàn) 象 都 有 一 個(gè) 時(shí) 間 尺 度． 如 宇 宙 的 年 齡 大 約
是 6×1017 s，即 200 億年；地球自轉(zhuǎn)一周約為 8.64×104 s；μ 子的壽命是
2×10-6 s；一個(gè)分子里的一個(gè)原子完成一次典型的振動(dòng)需要 10-14 ～ 10-13 s. 目前，物理學(xué)中涉及的最長的時(shí)間是 1038 s，它是質(zhì)子壽命的下限；涉及 的最小的時(shí)間是 10-43 s，稱為普朗克時(shí)間．普朗克時(shí)間被認(rèn)為是最小的 時(shí)間，比普朗克時(shí)間還要小的范圍內(nèi)，時(shí)間的概念可能就不再適用了．
在物體的運(yùn)動(dòng)描述中，通常我們把某一瞬時(shí)稱為時(shí)刻，用 t 表示．選 定的計(jì)時(shí)起點(diǎn)為 t = 0 時(shí)刻，同時(shí)把兩個(gè)時(shí)刻間的一段時(shí)間 Δt = t2-t1 稱 為時(shí)間間隔，簡稱為時(shí)間．顯然，時(shí)刻與物體的某一空間位置相對應(yīng)， 時(shí)間與物體運(yùn)動(dòng)的空間位移相對應(yīng)．
1.1.3 長度的測量
長度 (length) 是空間的一個(gè)基本性質(zhì)．對于長度的測量，在古代常常 以人體的某部分作為單位和標(biāo)準(zhǔn)，這顯然不能取作統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)．以客觀存 在的不變事物作為長度的標(biāo)準(zhǔn)是一種必然的趨勢．目前國際通用的長度單 位是米 (m)．1960 年以前，用鉑銥米尺作為標(biāo)準(zhǔn)尺，規(guī)定米的大�。�1960 年以后，改用光的波長作為標(biāo)準(zhǔn)．在第十一屆國際計(jì)量大會(huì)上規(guī)定 1 米等
于 86Kr 原子 2p
和 5d5
能級(jí)之間躍遷時(shí)所對應(yīng)的輻射在真空中的波長的
1 650 763.73 倍．1983 年，第十七屆國際計(jì)量大會(huì)上又通過了米的新定義：
米是光在真空中經(jīng)歷 1/299 792 458 s 的時(shí)間間隔內(nèi)所傳播的路程長度． 按這種新的定義，光速是一個(gè)固定的常數(shù)，從而將長度標(biāo)準(zhǔn)和時(shí)間標(biāo)準(zhǔn) 統(tǒng)一了起來，并使長度計(jì)量的精度提高到與時(shí)間計(jì)量相同的精度．
目前，物理學(xué)中涉及的最大長度是 1028 m，它是宇宙曲率半徑的下限； 已達(dá)到的最小長度為 10-20 m，它是弱電統(tǒng)一的特征尺度．普朗克長度約 為 10-35 m，被認(rèn)為是最小的長度，意思是說，在比普朗克長度更小的范 圍內(nèi)，長度的概念可能就不再適用了．
1.2 質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)的矢量描述
1.2.1 質(zhì)點(diǎn)
牛頓力學(xué)中的運(yùn)動(dòng)學(xué)，就是研究如何描述物體位置隨時(shí)間的變化， 我 們 首 先 討 論 一 種 被 稱 為 質(zhì) 點(diǎn) (mAss point，pArticle) 的 物 體， 即 具 有 質(zhì)量而大小為幾何點(diǎn)的物體．我們知道，任何實(shí)際物體都有一定的大 小、 形 狀和內(nèi)部結(jié)構(gòu)，沒有任何一個(gè)真實(shí)物體與質(zhì)點(diǎn)等價(jià)．但是，當(dāng)
我們僅考察物體的整體運(yùn)動(dòng)，物體本身的大小比所考察運(yùn)動(dòng)的線度又
小得多時(shí)，就可以不計(jì)物體各部分運(yùn)動(dòng)情況的差別而將它抽象為一個(gè) 質(zhì)點(diǎn)．
質(zhì)點(diǎn)是一種理想的力學(xué)模型，它突出了物體具有質(zhì)量和占有空間位置 這兩個(gè)主要因素，而忽略了形狀、大小及內(nèi)部運(yùn)動(dòng)等次要因素．在物理上， 這種突出研究對象的主要特征而忽略其次要特征的理想模型是常用的，如 剛體、點(diǎn)電荷、理想氣體、理想流體等．
1.2.2 位矢 運(yùn)動(dòng)方程和軌跡方程
圖 1 1 位置矢量
設(shè)質(zhì)點(diǎn)做曲線運(yùn)動(dòng)，在坐標(biāo)系建立以后，物體的運(yùn)動(dòng)情況便可以進(jìn)
行定量描述．如圖 1-1 所示，設(shè)某時(shí)刻質(zhì)點(diǎn)在 P 點(diǎn)，在中學(xué)里我們已經(jīng) 學(xué)過 P 點(diǎn)的位置可以用直角坐標(biāo) (x，y，z) 來確定，現(xiàn)在我們將學(xué)習(xí)確定 質(zhì)點(diǎn)位置的另一種方法——位置矢量法．定義 P 點(diǎn)的位置矢量 (position
vector) r 的大小為有向線段 OP 的長度，而方向是從原點(diǎn) O 指向 P，位置 矢量又簡稱為位矢或徑矢 (rAdius vector)．用這樣一個(gè)矢量 r 就完全確定 了該時(shí)刻質(zhì)點(diǎn)的位置．于是位置矢量 r 的矢端在直角坐標(biāo)系三個(gè)坐標(biāo)軸 上的坐標(biāo)就是 xP，yP，zP，于是 r 可以寫為
r = x i + y j + z k (1-1)
P P P
式中，i，j，k 分別為 x，y，z 軸上的單位矢量．
當(dāng)質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)，它相對于坐標(biāo)原點(diǎn) O 的位矢 r 是隨時(shí)間變化的，因此，
r 是時(shí)間 t 的函數(shù)，即
r = r(t) = x(t)i + y(t)j + z(t)k (1-2)
或
x = x (t)
*y = y (t)
z = z (t)
這就是質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)學(xué)方程 (kinemAticAl equAtion)；而 x(t)，y(t) 和 z(t)
則是運(yùn)動(dòng)方程的分量式，從中消去參數(shù) t 便可得到質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)的軌跡方程或
軌道方程．若軌跡為直線，則稱質(zhì)點(diǎn)做直線運(yùn)動(dòng)，若軌跡為曲線則稱質(zhì) 點(diǎn)做曲線運(yùn)動(dòng)．
位矢的大小、方向分別為
r = r = x2 + y2 + z2
(1-3)
cosα =
x ， cosβ =
y ， cosγ = z
(1-4)
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