《大學(xué)物理學(xué)(下冊 第3版 C6版)/“十二五”普通高等教育本科國家級規(guī)劃教材·2009年度普通高等教育規(guī)劃教材》講述物理學(xué)基礎(chǔ)理論的電磁學(xué)和量子物理部分。電磁學(xué)部分按傳統(tǒng)方法講述電磁學(xué)的基本理論,包括靜止和運動電荷的電場,運動電荷和電流的磁場,介質(zhì)中的電場和磁場,電磁感應(yīng),電磁波等。量子物理部分包括微觀粒子的二象性、薛定諤方程(定態(tài))、原子中的電子能態(tài)。書中特別注意從微觀上闡明物理現(xiàn)象及規(guī)律的本質(zhì)。內(nèi)容的選擇上除了包括經(jīng)典基本內(nèi)容外,還注意適時插入現(xiàn)代物理概念與物理思想。此外,安排了許多現(xiàn)代的聯(lián)系實際的例題和習(xí)題,書末還列出了歷年諾貝爾物理學(xué)獎獲得者名錄及其創(chuàng)新課題。
這部《大學(xué)物理學(xué)》(第三版)C6版分上下兩冊。上冊含力學(xué)篇、光學(xué)篇和熱學(xué)篇3篇,下冊包括電磁學(xué)篇和量子物理篇2篇。
本書內(nèi)容完全涵蓋了2006年我國教育部發(fā)布的“非物理類理工學(xué)科大學(xué)物理課程基本要求”,標(biāo)“”的章節(jié)和例題非基本要求,可供選用。書中各篇對物理學(xué)的基本概念與規(guī)律進(jìn)行了正確明晰的講解。講解基本上都是以最基本的規(guī)律和概念為基礎(chǔ),推演出相應(yīng)的概念與規(guī)律。筆者認(rèn)為,在教學(xué)上應(yīng)用這種演繹邏輯更便于學(xué)生從整體上理解和掌握物理課程的內(nèi)容。
力學(xué)篇是以牛頓定律為基礎(chǔ)展開的。除了直接應(yīng)用牛頓定律對問題進(jìn)行動力學(xué)分析外,還引入了動量、角動量、能量等概念,并著重講解相應(yīng)的守恒定律及其應(yīng)用。除慣性系外,還介紹了利用非慣性系解題的基本思路,剛體的轉(zhuǎn)動、振動、波動這三章內(nèi)容都是上述基本概念和定律對于特殊系統(tǒng)的應(yīng)用。狹義相對論的講解以兩條基本假設(shè)為基礎(chǔ),從同時性的相對性這一“關(guān)鍵的和革命的”(楊振寧語)概念出發(fā),逐漸展開得出各個重要結(jié)論。這種講解可以比較自然地使學(xué)生從物理上而不只是從數(shù)學(xué)上弄懂狹義相對論的基本結(jié)論。
光學(xué)篇以電磁波和振動的疊加的概念為基礎(chǔ),講述了光電干涉和衍射的規(guī)律。第11章光的偏振講述了光的橫波特征。
熱學(xué)篇的講述是以微觀的分子運動的無規(guī)則性這一基本概念為基礎(chǔ)的。除了闡明經(jīng)典力學(xué)對分子運動的應(yīng)用外,特別引入并加強(qiáng)了統(tǒng)計概念和統(tǒng)計規(guī)律,包括麥克斯韋速率分布律的講解。對熱力學(xué)第一定律也闡述了其微觀意義。對熱力學(xué)第二定律是從宏觀熱力學(xué)過程的方向性講起,說明方向性的微觀根源,并利用熱力學(xué)概率定義了玻耳茲曼熵并說明了熵增加原理,然后再進(jìn)一步導(dǎo)出克勞修斯熵及其計算方法。這種講法最能揭示熵概念的微觀本質(zhì),也便于理解熵概念的推廣應(yīng)用。
電磁學(xué)篇按照傳統(tǒng)講法,講述電磁學(xué)的基本理論,包括靜止和運動電荷的電場,運動電荷和電流的磁場,介質(zhì)中的電場和磁場,電磁感應(yīng),電磁波等。以便相互比較。
量子物理篇是從波粒二象性出發(fā),以定態(tài)薛定諤方程為基礎(chǔ)講解的;進(jìn)而介紹了原子中電子的運動規(guī)律。
本書各章均配有思考題和習(xí)題,以幫助學(xué)生理解和掌握已學(xué)的物理概念和定律或擴(kuò)充一些新的知識。這些題目有易有難,絕大多數(shù)是實際現(xiàn)象的分析和計算。題目的數(shù)量適當(dāng),不以多取勝。也希望學(xué)生做題時不要貪多,而要求精,要真正把做過的每一道題從概念原理上搞清楚,并且用盡可能簡潔明確的語言、公式、圖像表示出來,需知,對一個科技工作者來說,正確地書面表達(dá)自己的思維過程與成果也是一項重要的基本功。
本書在保留經(jīng)典物理精髓的基礎(chǔ)上,特別注意加強(qiáng)了現(xiàn)代物理前沿知識和思想的介紹。本書內(nèi)容取材在注重科學(xué)性和系統(tǒng)性的同時,還注重密切聯(lián)系實際,選用了大量現(xiàn)代科技與我國古代文明的資料,力求達(dá)到經(jīng)典與現(xiàn)代,理論與實際的完美結(jié)合。
物理教學(xué)除了“授業(yè)”外,還有“育人”的任務(wù)。為此本書介紹了十幾位科學(xué)大師的事跡,簡要說明了他們的思想境界、治學(xué)態(tài)度、開創(chuàng)精神和學(xué)術(shù)成就,以之作為學(xué)生為人處事的借鑒。在此我還要介紹一下我和帕塞爾教授的一段交往。帕塞爾教授是哈佛大學(xué)教授,1952年因?qū)舜殴舱裱芯康某晒麡s獲諾貝爾物理學(xué)獎。我于1977年看到他編寫的《電磁學(xué)》,深深地為他的新講法所折服。用他的書講述兩遍后,于1987年冒然寫信向他請教,沒想到很快就收到他的回信(見附圖)和贈送給我的教材(第二版)及習(xí)題解答。他這種熱心幫助一個素不相識的外國教授的行為使我非常感動。
帕塞爾《電磁學(xué)》(第二版)封面
本書作者與帕塞爾教授合影(1993年)
帕塞爾回信復(fù)印件
他在信中寫道“本書170—171頁關(guān)于L. Page的注解改正了第一版的一個令人遺憾的疏忽。1963年我寫該書時不知道Page那篇出色的文章,我并不認(rèn)為我的講法是原創(chuàng)的——遠(yuǎn)不是這樣——但當(dāng)時我沒有時間查找早先的作者追溯該講法的歷史,F(xiàn)在既然你也喜歡這種講法,我希望你和我一道在適當(dāng)時機(jī)宣揚Page的1912年的文章。”一位物理學(xué)大師對自己的成就持如此虛心、謙遜、實事求是的態(tài)度使我震撼。另外他對自己書中的疏漏(實際上有些是印刷錯誤)認(rèn)真修改,這種嚴(yán)肅認(rèn)真的態(tài)度和科學(xué)精神也深深地教育了我。帕塞爾這封信所顯示的作為一個科學(xué)家的優(yōu)秀品德,對我以后的為人處事治學(xué)等方面都產(chǎn)生了很大影響,始終視之為楷模追隨仿效,而且對我教的每一屆學(xué)生都要展示帕塞爾的這一封信對他們進(jìn)行教育,收到了很好的效果。
本書的撰寫和修訂得到了清華大學(xué)物理系老師的熱情幫助(包括經(jīng)驗與批評),也采納了其他兄弟院校的教師和同學(xué)的建議和意見。此外也從國內(nèi)外的著名物理教材中吸取了很多新的知識、好的講法和有價值的素材。這些教材主要有:新概念物理教程(趙凱華等),F(xiàn)eyman Lectures on Physics,Berkeley Physics Course(Purcell E M, Reif F, et al.),The Manchester Physics Series(Mandl F, et al.),Physics(Chanian H C.),F(xiàn)undamentals of Physics(Resnick R),Physics(Alonso M et al.)等。
對于所有給予本書幫助的老師和學(xué)生以及上述著名教材的作者,本人在此謹(jǐn)致以誠摯的謝意。清華大學(xué)出版社諸位編輯對第三版雜亂的原稿進(jìn)行了認(rèn)真的審閱和編輯,特在此一并致謝。
張三慧
2008年1月于清華園
第4篇 電磁學(xué)
第15章 靜電場
15.1電荷
15.2庫侖定律與疊加原理
15.3電場和電場強(qiáng)度
15.4靜止的點電荷的電場及其疊加
15.5電場線和電通量
15.6高斯定律
15.7利用高斯定律求靜電場的分布
提要
思考題
習(xí)題
第16章 電勢
16.1靜電場的保守性
16.2電勢差和電勢
16.3電勢疊加原理
16.4電勢梯度
16.5電荷在外電場中的靜電勢能
16.6靜電場的能量
提要
思考題
習(xí)題
第17章 靜電場中的導(dǎo)體
17.1導(dǎo)體的靜電平衡條件
17.2靜電平衡的導(dǎo)體上的電荷分布
17.3有導(dǎo)體存在時靜電場的分析與計算
17.4靜電屏蔽
提要
思考題
習(xí)題
今日物理趣聞E大氣電學(xué)
E.1晴天大氣電場大氣電場
E.2雷暴雷暴的電荷和電場
E.3閃電
第18章 靜電場中的電介質(zhì)
18.1電介質(zhì)對電場的影響
*18.2電介質(zhì)的極化
18.3D的高斯定律
18.4電容器和它的電容
18.5電容器的能量
提要
思考題
習(xí)題
第19章 磁場和它的源
19.1磁力與電荷的運動
19.2磁場與磁感應(yīng)強(qiáng)度
19.3畢奧薩伐爾定律
19.4安培環(huán)路定理
19.5利用安培環(huán)路定理求磁場的分布
19.6與變化電場相聯(lián)系的磁場
提要
思考題
習(xí)題
科學(xué)家介紹麥克斯韋
第20章 磁力
20.1帶電粒子在磁場中的運動
20.2霍爾效應(yīng)
20.3載流導(dǎo)線在磁場中受的磁力
20.4載流線圈在均勻磁場中受的磁力矩
20.5平行載流導(dǎo)線間的相互作用力
提要
思考題
習(xí)題
今日物理趣聞F等離子體
F.1物質(zhì)的第四態(tài)
F.2等離子體等離子體內(nèi)的磁場磁場
F.3磁場磁場對等離子體等離子體的作用
F.4熱核反應(yīng)熱核反應(yīng)
F.5等離子體等離子體的約束
F.6冷聚變cold fusion冷聚變
第21章 磁場中的磁介質(zhì)
21.1磁介質(zhì)對磁場的影響
*21.2原子的磁矩
21.3磁介質(zhì)的磁化
21.4H的環(huán)路定理
*21.5鐵磁質(zhì)
提要
思考題
習(xí)題
第22章 電磁感應(yīng)
22.1電流和電流密度
22.2電動勢
22.3法拉第電磁感應(yīng)定律
22.4動生電動勢
22.5感生電動勢和感生電場
22.6互感
22.7自感
22.8磁場的能量
22.9麥克斯韋方程組
提要
思考題
習(xí)題
科學(xué)家介紹法拉第
今日物理趣聞G超導(dǎo)電性
G.1超導(dǎo)現(xiàn)象
G.2臨界磁場磁場
G.3超導(dǎo)體超導(dǎo)體導(dǎo)體中的電場和磁場磁場
G.4第二類type Ⅱ第二類超導(dǎo)體超導(dǎo)體導(dǎo)體
G.5BCS理論BCS theoryBCS理論
G.6約瑟夫森效應(yīng)Josephson effect約瑟夫森效應(yīng)
G.7超導(dǎo)在技術(shù)中的應(yīng)用
G.8高溫超導(dǎo)high temperature superconductivity高溫超導(dǎo)
第5篇 量子物理
第23章 波粒二象性
23.1黑體輻射黑體輻射blackbody radiation
23.2光電效應(yīng)
23.3光的二象性光的二象性duality of light光子光子photon
23.4康普頓散射康普頓散射Compton scattering
23.5粒子的波動性粒子的波動性wave nature of particle
23.6概率波概率波probabilty wave與概率幅概率幅probabilty amplitude
23.7不確定關(guān)系不確定關(guān)系uncertainty relation
提要
思考題
習(xí)題
科學(xué)家介紹德布羅意
第24章 薛定諤方程薛定諤方程Schrodinger equation
24.1薛定諤得出的波動方程
24.2無限深方勢阱勢阱potential well中的粒子粒子particle
24.3勢壘穿透勢壘穿透barrier penitration
24.4諧振子諧振子harmonic oscillator
提要
思考題
習(xí)題
科學(xué)家介紹薛定諤2
第25章 原子中的電子
25.1氫原子
25.2電子電子electron的自旋自旋spin與自旋軌道耦合自旋軌道耦合spinorbit coupling
25.3微觀粒子的不可分辨性不可分辨性indistinguishability和泡利不相容原理泡利不相容原理Pauli exclusion principle
25.4各種原子核外電子電子electron的組態(tài)
25.5X射線射線ray
25.6激光
提要
思考題
習(xí)題
科學(xué)家介紹玻爾
今日物理趣聞H激光激光laser [light]應(yīng)用二例
H.1多光子吸收
H.2激光激光laser [light]冷卻與捕陷原子激光致冷和捕陷原子laser cooling and atom trapping
今日物理趣聞I新奇的納米科技
1.1什么是納米科技
1.2納米材料
1.3納米器件286元素周期表288數(shù)值表
習(xí)題答案
諾貝爾物理學(xué)獎獲得者名錄