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第一章 人类社会为什么变化这么快？——物理学改变世界 1

第一节 物理学在改变着世界 1

一、物理学加速社会经济的发展 2

二、物理学改善人们的生活方式 2

三、物理学改变人们对世界的认识 3

第二节 什么是物理学？ 4

一、物理学研究的对象和范围 4

二、时间和空间 5

三、物质结构及其运动规律 6

四、物质间的相互作用 8

第三节 物理学是自然科学的基础 9

一、物理学在科学技术中的地位 9

二、物理学是知识经济的基础 14

三、物理学是科学的世界观和方法论的基础 15

第四节 物理学的分支学科 16

思考题与问答题（一） 19

第二章 对物体运动规律的思考——经典力学的建立 20

第一节 人类宇宙观的发展 20

一、古代人类对天体运动的认识 20

二、从哥白尼到开普勒 21

三、伽利略与经典力学的诞生 24

第二节 经典力学对运动的描述 29

一、描述质点运动的基本概念和基本物理量 30

二、运动叠加原理 34

三、抛体运动 34

四、曲线运动中的切向加速度和法向加速度 35

五、圆周运动 35

第三节 牛顿运动定律 36

一、牛顿及其成就 36

二、牛顿运动三定律 37

三、几种常见的力 40

四、牛顿的科学思想方法 43

思考题与问答题（二） 45

第三章 守恒定律与对称性 47

第一节 三大守恒定律 47

一、能量守恒定律——一切自然现象所遵循的规律 47

二、动量守恒定律 人造卫星的发射 55

三、角动量守恒定律 行星运行轨道 59

第二节 守恒定律与对称性 64

一、对称性与对称操作 65

二、物理定律的对称性 68

三、对称性与守恒定律 69

四、守恒定律与对称性在物理学中的地位与作用 71

第三节 对称性破缺 72

一、对称性的自发破缺 72

二、弱相互作用宇称不守恒 73

思考题与问答题（三） 75

第四章 周期运动的基本形式——机械振动与机械波 76

第一节 简谐运动及其描述 76

一、简谐运动的基本特征及其表达式 77

二、简谐运动的能量 79

三、描述简谐运动的基本物理量 80

第二节 阻尼振动 受迫振动 共振 81

一、阻尼振动 81

二、受迫振动 共振 82

第三节 机械波 83

一、机械波产生的条件 83

二、横波与纵波 85

三、波传播过程中的基本概念和基本物理量 85

第四节 平面简谐波 波的能量 86

一、平面简谐波的表达式 86

二、波动表达式的物理意义 88

三、波在传播过程中质元振动的相位差 89

四、波的能量 波的强度——能流密度 90

第五节 波的衍射、反射和折射 91

一、惠更斯原理 91

二、波的衍射 91

三、波的反射 92

四、波的折射 93

第六节 波的干涉 94

一、波的叠加原理 94

二、波的干涉 相干条件 相干波 95

三、相干波的干涉加强与减弱 95

第七节 多普勒效应 96

一、声源不动、观察者相对于媒质以速度v0运动 97

二、观察者不动，声源相对于介质以速度v8运动 97

思考题与问答题（四） 98

第五章 “永动机”带来的启示——热力学 熵 99

第一节 蒸汽机带来的学问——热运动的基本规律 99

一、热是什么——热运动说和热质说 99

二、放之四海皆准——能量守恒 104

三、来自实践——瓦特与蒸汽机 107

四、第二类永动机之梦的破灭——热力学第二定律 109

第二节 宏观不可逆性与熵的概念 113

一、宏观不可逆性 113

二、熵概念的引入 115

三、对熵本质的认识 118

四、熵恒增＝能贬值（能“质”的衰退） 118

第三节 妖精的启示——熵与信息 120

一、热力学概率与熵 120

二、麦克斯韦妖 123

三、熵与信息 124

第四节 熵概念的拓展 126

一、不可逆与自组织 126

二、熵与生命 127

三、热寂说 129

四、熵与经济和社会 131

五、地球系统——Gaia假设与自然观 133

思考题与问答题（五） 135

第六章 电磁学理论简介 信息传播 137

第一节 电磁现象的早期研究 137

一、人类对电和磁的认识 137

二、创造性的科学思维——引入磁感线与场的概念 145

三、静电场与稳恒磁场 147

第二节 电磁感应 155

一、电磁感应现象的发现 156

二、亨利和楞次的贡献 158

三、法拉第电磁感应定律 159

第三节 电磁波 164

一、一场伟大的变革 164

二、麦克斯韦方程组的建立 165

三、电磁场理论建立过程中的思想方法给人们带来的启示 167

四、预言电磁波 光的电磁理论 169

五、赫兹实验 170

第四节 信息的载体——无线电波 172

一、无线电波的产生与传播 172

二、无线电通讯 175

三、雷达、微波通讯和光纤通讯 176

思考题与问答题（六） 178

第七章 是波还是粒子？——光本性的研究 179

第一节 几何光学简介 179

一、光的直进定律 180

二、光的反射折射定律 全反射 180

三、透镜 183

四、光的色散和吸收现象 185

第二节 光的波动理论的崛起 186

一、光的干涉 186

二、光的衍射 188

三、光的偏振 193

第三节 光的波粒二象性 194

一、光电效应 光的波动说遇到的困难 194

二、黑体辐射“能量子”概念的提出 195

三、爱因斯坦的“光量子”假设 光电效应方程 198

四、康普顿效应 199

五、光的波粒二象性 200

思考题与问答题（七） 201

第八章 时间与空间交融——相对论简介 203

第一节 狭义相对论基础 203

一、伽利略变换 绝对时空观 203

二、狭义相对论原理 洛仑兹变换 205

三、狭义相对论力学的一些重要的结论 206

四、改变世界的方程——质能关系 209

五、核能 210

第二节 广义相对论简介 212

一、广义相对论产生的背景 212

二、光线在空中拐弯了 213

三、弯曲的时空 214

四、引力红移 引力时间延缓 215

五、水星轨道近日点的进动 217

六、引力波 218

七、相对论遇到的挑战 220

思考题与问答题（八） 220

第九章 微观世界探秘——物质结构 222

第一节 开启微观世界研究的门户——奇葩怒放的三大发现 222

一、X射线的发现 222

二、放射性的发现 224

三、电子的发现 226

四、卢瑟福的“原子核式结构” 228

第二节 原子核的奥秘 229

一、中子的发现 229

二、一种新的相互作用力——核力 230

三、核子结构 231

四、神秘的反物质 232

第三节 探索微观世界奥秘的近代技术 234

一、电子显微镜 234

二、扫描隧道显微镜 234

第四节 神奇的同步辐射 237

一、同步辐射 237

二、我国的同步辐射事业 238

思考题与问答题（九） 239

第十章 量子风云录——量子物理基础 240

第一节 玻尔的贡献 240

一、玻尔模型的建立 241

二、玻尔模型的贡献与困难 245

三、哥本哈根精神 246

第二节 德布罗意波 247

一、“狮身人面像”——实物粒粒子的波粒二象性 247

二、物质走向微小时行踪的诡秘——不确定关系 249

三、物质波的提出 250

第三节 描写物质波的波动方程及波函数的统计解释 251

一、波函数及其统计意义 252

二、薛定谔方程 253

思考题与问答题（十） 254

第十一章 物理学家的思维方法 255

第一节 问题——物理学发现之源 255

一、从科学实践与科学理论的矛盾中产生问题 255

二、从科学理论内部的矛盾中产生问题 256

第二节 极端思维——物理学家的重要创新思维 256

第三节 类比思维——物理学家创新的钥匙 257

一、类比是提出假设的重要途径 257

二、类比推理能有效激发科学家的想象 258

三、类比可导致技术上的发明创造 259

思考题与问答题（十一） 261

结束语 物理学的认识论和方法论 262

一、物理学的认识论 262

二、物理学的方法论 264

三、科学是柄双刃剑 266

专题选读Ⅰ 宇宙的起源和演化 267

专题选读Ⅱ 激光 289

专题选读Ⅲ 超导技术及其应用 297