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绪论 1

0-1 物理学研究的对象 1

一、什么是物理学 1

二、物理学的划分 2

0-2 物理量的测量和单位制 3

0-3 物理世界的层次和数量级 3

第一篇 力学与相对论 7

第1章 质点运动学 7

1-1 质点运动的描述 7

一、质点坐标系和参考系 7

二、质点运动的矢量描述 8

三、常用的几种坐标 11

四、运动学的基本问题 14

五、运动的合成和分解 15

1-2 相对运动 17

一、相互作平动的两个参考系 17

二、相互作转动的两个参考系 18

习题 19

第2章 质点动力学 23

2-1 牛顿运动定律 24

一、牛顿定律的表述、相互关系及适用范围 24

二、研究物理量的基本方法 24

2-2 牛顿定律的应用 27

一、惯性质量、动量与惯性力 27

二、伽利略变换和伽利略相对性原理 30

三、力对时间的积累——力的冲量和动量定理 30

四、力对空间的积累——力的功和动能定理 32

五、保守力与势能关系、机械能守恒定律及势能曲线 35

2-3 对称性和守恒律的应用 38

一、碰撞问题 38

二、各种碰撞举例 40

三、哈密顿原理、对称性和稳定性 42

2-4 综合训练 45

习题 47

第3章 刚体力学 53

3-1 刚体模型 53

一、刚体的受力特征 53

二、刚体的运动特征 54

三、刚体的质心 54

四、刚体绕定轴转动 55

五、转动惯量及计算 56

3-2 角运动与线运动的对称性 58

一、刚体的功和能 58

二、角动量守恒 60

三、刚体的平面平行运动 61

四、回转仪 62

习题 65

第4章 振动和波 67

4-1 简谐振动 67

一、简谐振动的定义 68

二、简谐振动的描述方法 68

三、简谐振动的合成 69

4-2 自由振动、阻尼振动和强迫振动 71

一、振动方程的求解 71

二、研究实例 73

4-3 机械波的基本概念、简谐波 75

一、沿直线传播的简谐波 76

二、平面和球面简谐波 76

4-4 简谐波的波动方程 77

一、运动学方法 77

二、动力学方法 77

三、冲击波 78

4-5 叠加原理和驻波 80

一、叠加原理 80

二、驻波 81

习题 84

第5章 相对论 89

5-1 狭义相对论的基本假设 90

一、相对性原理 90

二、光速不变原理 91

5-2 时空观与时空几何 92

一、牛顿的时空观 92

二、狭义相对论的时空观 93

三、世界图和世界线 95

5-3 相对论效应 96

一、闵可夫斯基时空中的校准双曲线 97

二、同时性的相对性 98

三、时间延缓与长度收缩 98

四、速度变换 100

五、双生子佯谬 100

5-4 洛伦兹不变性与相对论力学 102

一、光速的作用 102

二、相对论力学 103

三、相对论的应用 105

四、洛伦兹变换下的不变性 105

5-5 广义相对论 106

一、黎曼几何 106

二、等效原理和广义相对性原理 107

三、弯曲时空中的瞬时惯性系 108

习题 108

第二篇 电磁学与量子论 113

第6章 静电场 113

6-1 矢量场 113

一、流量、通量与总场线根数 114

二、环量 114

6-2 高斯定理 115

一、电荷 115

二、库仑定律 116

三、叠加原理 117

四、电场强度及其叠加 117

五、电位移、E通量和高斯定理 119

6-3 电势 123

一、电场力的功和电势 123

二、电场强度与电势的关系 125

三、泊松方程和拉普拉斯方程 125

四、电场线和等势线 125

6-4 导体与电介质 127

一、静电场中的导体 127

二、电场中的电介质 129

三、电容和电容器 133

四、电场的能量 134

习题 136

第7章 电流与磁场 143

7-1 电流 143

一、电流与电流强度 143

二、电流密度 144

三、电流连续性方程 144

四、欧姆定律 145

五、电流的功、焦耳定律 146

7-2 电流的磁场 147

一、电流元和电流的磁矩 148

二、毕奥-萨伐尔定律 148

三、磁感应强度B 149

7-3 磁场及磁场力的计算 151

一、无限长载流直导线的磁场 151

二、环形电流中心轴线上的磁场 151

三、均匀磁场中载流导线所受的力 152

四、磁场对运动电荷的作用力 152

7-4 磁场强度、安培环路定律 154

一、安培环路定律 155

二、安培环路定律的应用 155

7-5 磁介质、介质中的磁场 156

一、磁介质 156

二、磁化强度矢量 158

三、磁感应强度、磁场强度、磁化强度之间的关系 158

四、铁磁质 159

习题 163

第8章 麦克斯韦方程组与电磁场 167

8-1 电磁感应 167

一、电磁感应定律 167

二、动生电动势和感生电动势 169

三、自感与互感 172

四、磁场的能量 173

8-2 麦克斯韦方程组 176

一、两个假设：涡旋电场和位移电流 176

二、麦克斯韦方程组 178

8-3 电磁波与电磁辐射 180

一、自由电磁波 180

二、电偶极子的辐射 180

三、电磁场的能量 181

四、电磁场的动量 182

习题 184

第9章 光的波动性 189

9-1光波的叠加 189

一、惠更斯-菲涅耳原理 189

二、光程差法 190

三、半波带法 191

四、矢量法 192

五、积分法 194

9-2 光的偏振 197

一、偏振光与自然光 197

二、椭圆偏振光与旋光性 199

9-3 应用举例 201

一、光弹效应 201

二、电光效应 201

三、磁致旋光 203

习题 204

第10章 波函数与薛定谔方程 209

10-1 场与粒子的二象性 210

一、单光子干涉 210

二、光电效应 211

三、电子衍射 212

四、薛定谔猫 215

10-2 能量的定态和二能级原子模型 218

一、原子光谱及夫兰克-赫兹实验 218

二、原子定态与二能级模型 220

10-3 量子论的基本假设 223

一、波函数 223

二、薛定谔方程 227

三、力学量算符 228

四、全同粒子的不可区分原理 230

10-4 定态薛定谔方程 232

一、一维无限深势阱 232

二、一维方势阱 233

习题 234

第11章 原子与激光 237

11-1 氢原子的能级和能量本征函数 237

一、能量的本征方程、本征值和本征态 237

二、对应原理、态叠加原理及稳定性 241

11-2 简并性破除与量子激光 243

一、简并对称性的破除 243

二、量子激光 245

11-3 原子囚禁 247

习题 249

第12章 量子效应与物质结构 251

12-1 固体的能带 251

一、能隙与布里渊区 251

二、金属、半导体和绝缘体的能带结构 252

12-2 量子隧道效应 253

一、单电子隧道效应 254

二、双电子隧道效应 254

三、二极管隧道效应 255

12-3 量子干涉效应 257

一、COW相移 257

二、A-B效应 257

12-4 量子非定域性 259

12-5 物质结构、幻数及手征性 261

一、物质结构与幻数 261

二、物质结构的手征性 266

习题 268

第三篇 热物理学与非线性现象 273

第13章 宏观热物理学 273

13-1 温度与热力学第一定律 273

一、平衡态与热力学过程 273

二、热力学第零定律 274

三、热力学第一定律 275

13-2 热力学第二定律和熵增加原理 280

一、卡诺循环 280

二、热力学第二定律 281

三、熵增加原理 285

四、热力学第三定律 288

习题 289

第14章 微观热物理学 293

14-1 玻耳兹曼方程与等概率原理 293

一、相空间、宏观态和微观态 293

二、玻耳兹曼方程 295

14-2 麦克斯韦-玻耳兹曼分布函数 298

一、麦-玻分布 298

二、统计平均值 300

三、宏观量与微观量的统计平均值 302

14-3 各种统计分布 305

一、概率分布和统计平均法 305

二、各种统计分布 306

14-4 信息熵 308

一、信息与信息量 308

二、信息熵 309

三、信息熵与热熵 309

四、信息熵与统计熵 310

14-5 偏离平衡态 311

一、输运过程 311

二、开放系统与自组织现象 312

三、相变及其分类 313

14-6 临界现象 315

一、气液相变的临界现象 315

二、气液相变以外的连续相变现象 317

习题 319

第15章 非线性现象——混沌与分形 322

15-1 洛伦茨的不可预见性 322

一、不可预见性 322

二、周期三意味着混沌 323

三、洛伦茨吸引子 324

15-2 菲根鲍姆常数 324

一、周期倍增与分叉现象 324

二、菲根鲍姆常数 326

15-3 单摆与倒摆（相空间微扰法） 328

一、单摆——从规则走向混沌 328

二、倒摆——从单稳态到双稳态的相变 329

15-4 布鲁塞尔振子 333

一、模型的建立 333

二、不动点及扰动的引入 334

三、稳定性讨论 334

15-5 李雅普诺夫指数 335

15-6 混沌同步控制 336

一、混沌同步控制 336

二、应用举例 338

15-7 分形物理 339

一、海岸线长度的测量 339

二、扩展对称性 340

三、伊辛模型和渗流模型 341

15-8 科学的世界观 342

一、来自宇宙学的启示 342

二、微观世界的法则 344

三、单摆的三相共存 344

习题 344

附录一 C语言的操作、计算、作图与模拟 348

一、Turbo C平台操作要领 348

二、基础物理的计算程序结构简介 350

三、方程的建立与迭代形式 351

四、三维表现方法 354

五、库函数表说明 355

附录二 矢量基础 359

一、矢量与矢量空间 359

二、矢量空间例 360

三、矢量积与混合积 361

四、矢量场 362

附录三 java模型学件的说明 364

附录四 常用物理常数及单位 401

参考文献 403