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第一篇 力学 1

第一章 质点力学 3

1-1 质点运动的描述 3

一、参考系与坐标系 3

二、描述质点运动的四个物理量 4

三、运动的叠加原理 6

1-2 运动方程与轨道 7

一、运动方程 7

二、一维运动 7

三、二维运动及轨道方程 9

1-3 牛顿运动定律 11

一、牛顿三大运动定律 11

二、力及物体的受力分析 12

三、牛顿定律应用举例 14

1-4 惯性系与非惯性系 惯性力 18

一、惯性系与非惯性系 18

二、惯性力 18

三、惯性离心力 20

四、科里奥利力 21

1-5 动量定理和动量守恒定律 22

一、力的冲量及动量定理 22

二、动量守恒定律 23

三、穆斯堡尔效应 火箭飞行原理 25

1-6 功、动能定理 26

一、恒力及变力的功 26

二、动能和动能定理 28

1-7 保守力 势能 30

一、保守力做功的特点 30

二、势能及其计算 31

三、势能曲线 33

1-8 功能原理 能量守恒定律 34

一、机械能及功能原理 34

二、机械能守恒定律 35

三、内能 总能量守恒 36

四、能量与生物学 37

1-9 碰撞 38

一、碰撞的特点及分类 38

二、弹性碰撞 38

三、非弹性碰撞 40

思考题与习题 41

第二章 相对运动 45

2-1 伽里略变换 经典力学时空观 45

一、伽里略变换与速度合成定理 45

二、伽里略相对性原理 46

三、经典力学的时空观 47

2-2 爱因斯坦假说 48

一、迈克尔逊—莫雷实验 48

二、爱因斯坦假说 49

2-3 狭义相对论的时空观 50

一、同时的相对性 50

二、运动时钟变慢（时间膨胀） 51

三、长度收缩 53

2-4 罗仑兹变换 54

一、罗仑兹变换取代伽里略变换 54

二、时序的相对性 56

三、相对论速度变换公式 57

2-5 相对论动力学 质能公式 59

一、相对论质量、动量和运动定律 59

二、相对论能量及质能公式 60

三、动量和能量的相对论关系 62

思考题与习题 64

第三章 转动 66

3-1 转动运动学 66

一、刚体绕定轴转动的角量描述 66

二、线量与角量的关系 68

3-2 角动量 转动定律 68

一、角动量 68

二、力矩 70

三、刚体绕定轴的转动定律 71

3-3 转动惯量 72

一、刚体的转动惯量及其计算 72

二、平行轴定理 74

三、转动定律应用举例 77

3-4 角动量定理 角动量守恒定律 78

一、力矩的冲量及角动量定理 78

二、刚体的角动量守恒定律 79

三、力学系统的角动量守恒定律 80

3-5 刚体的进动 82

3-6 力矩的功 刚体的转动动能 83

一、力矩的功 83

二、刚体绕定轴转动的动能定理 84

三、含转动刚体力学系统的机械能守恒定律 85

3-7 刚体的一般运动 86

一、质心 质心运动定理 86

二、刚体的平面运动 89

三、刚体一般运动的描述 自由度 90

思考题与习题 91

第四章 振动 95

4-1 简谐振动 95

一、简谐振动的特征 95

二、简谐振动方程 97

三、简谐振动的速度和加速度 99

四、简谐振动的能量 100

4-2 简谐振动问题的一般解法 101

一、简谐振动周期的求法 101

二、由初始条件求振动方程 103

三、由振动方程求某些运动状态 104

4-3 微振动 105

4-4 振动的叠加 108

一、简谐振动的矢量图表示法 108

二、同方向简谐振动的叠加 拍 110

三、相互重直谐振动的叠加 112

4-5 振动的分解 频谱分析 115

4-6 阻尼振动 受迫振动 共振 117

一、阻尼振动 117

二、受迫振动 118

三、共振 119

思考题与习题 121

第五章 波动 125

5-1 波动的基本概念 125

一、机械波的产生和传播 125

二、波速、波长、频率 126

三、惠更斯原理及惠更斯作图法 128

5-2 波的表达式——波函数 130

一、一维平面简谐波的波函数 130

二、波函数的物理意义 131

三、在三维空间传播的平面波和球面波 133

5-3 波动方程 133

5-4 波的能量 135

一、波的能量 能量密度 135

二、能流 能流密度 136

三、波的吸收 137

5-5 波的叠加 137

一、波的叠加原理 138

二、波的干涉 138

三、驻波 140

5-6 声波 142

一、声音的感觉及声强级 142

二、超声波 143

三、次声波（亚声波） 143

5-7 多普勒效应 冲击波 144

一、声波及光波的多普勒效应 144

二、多普勒效应的应用 145

三、冲击波 切伦科夫辐射 146

思考题与习题 146

第六章 流动 149

6-1 流体的属性 149

一、连续介质的概念 149

二、流体的基本属性 149

三、理想流体 150

6-2 流体静力学 150

一、应力 静止流体内一点的压力 150

二、重力场中静止流体内压力的分布 152

三、流体静力学应用举例 152

6-3 流体运动学 153

一、研究流体运动的两种方法 153

二、流体运动的描述 定常流动 154

三、定常流动的连续性方程 154

6-4 伯努利方程及其应用 155

一、伯努利方程 155

二、托里折里定理 文托里流量计 156

三、障碍物前受阻挡的流体 皮托管 157

四、运动流体的吸力 158

6-5 粘滞流体的流动 158

一、粘滞定律 159

二、层流 泊肃叶公式 159

三、湍流 雷诺数及动力学相似 160

6-6 物体在粘滞流体中运动所受的阻力 160

一、粘滞阻力 斯托克斯定律 161

二、压差阻力与流线型 161

思考题与习题 162

第二篇 热学 165

第七章 热力学基础 167

7-1 平衡态 热力学第零定律 167

一、平衡态及状态参量 167

二、温度和温标 168

三、热力学第零定律 169

四、态函数——内能 169

7-2 理想气体及其状态方程 169

一、气体的三个基本实验定律 169

二、理想气体状态方程 170

三、理想气体状态方程应用举例 172

7-3 热量和功 热力学第一定律 173

一、热力学过程 准静态过程 173

二、热量和功 174

三、热力学第一定律及其实质 176

7-4 热力学第一定律对理想气体准静态过程的应用 177

一、等容过程 177

二、等压过程 177

三、等温过程 178

四、绝热过程 179

7-5 循环过程 卡诺循环 183

一、正循环 热机及其效率 183

二、逆循环 致冷机及致冷系数 185

三、卡诺循环 186

7-6 热力学第二定律 187

一、热力学第二定律的两种表述 187

二、热力学第二定律与过程的不可逆性 188

三、卡诺定理 热力学温标 189

7-7 熵 熵增加原理 191

一、熵的引入 191

二、熵增加原理 192

三、熵的意义 195

思考题与习题 195

第八章 分子运动论 198

8-1 气体分子运动论及统计规律的基本概念 198

一、气体分子热运动的特征 198

二、统计规律的基本概念 198

三、理想气体的分子模型及统计假设 200

8-2 理想气体压力公式 温度的微观解释 201

一、理想气体压力公式 201

二、用分子运动论推导压力公式 202

三、温度的微观解释 204

8-3 能量均分定理 205

一、能量按自由度均分定理 205

二、理想气体的内能 206

三、摩尔热容 207

8-4 麦克斯韦速度分布律 209

一、气体分子速度的实验测定 209

二、麦克斯韦速率分布律 210

三、用速率分布函数求统计平均值 三种速率 212

8-5 玻尔兹曼分布律 214

一、麦克斯韦速度分布律 214

二、玻尔兹曼分布律 214

三、重力场中粒子按高度的分布 215

8-6 热力学第二定律的统计解释 215

一、最大几率分布 215

二、混乱度和熵 216

三、热力学第二定律的统计解释 217

8-7 气体的输运过程 217

一、分子的碰撞频率和平均自由程 218

二、气体的扩散 219

三、气体的内摩擦（粘性） 221

四、气体的热传导 222

8-8 非平衡态热力学简介 224

8-9 真实气体 225

一、真实气体的等温线 226

二、范德瓦尔斯方程 227

三、节流过程 真实气体的内能 230

思考题与习题 231

第三篇 电磁学 235

第九章 静电场 237

9-1 电荷和电荷守恒定律 237

一、电荷 237

二、物质的电结构 237

三、电荷守恒定律 237

9-2 库仑定律和叠加原理 237

一、库仑定律 237

二、叠加原理 239

9-3 静电场和电场强度 240

一、静电场 240

二、电场强度 240

9-4 高斯定理 245

一、电力线 245

二、电通量 247

三、高斯定理 247

四、应用高斯定理求场强 249

9-5 环流定理和电位（势） 253

一、静电场力作功与路径无关 253

二、环流定理 254

三、电位（电势） 254

9-6 场强和电位的关系 259

一、等位面（等势面） 259

二、场强是电位梯度的负值 260

9-7 带电粒子在电场中的运动 262

一、带电粒子在电场中的加速和偏转 262

二、电偶极子在电场中所受的作用 263

9-8 静电场中的导体 264

一、静电平衡 264

二、导体空腔 267

三、导体的电容和电容器 270

9-9 静电场中的电介质 273

一、介质的极化 273

二、电介质中的电场 276

三、介质中的高斯定理和电位移？ 277

四、有介质存在时的静电场方程 280

9-10 电场的能量 280

一、点电荷系统的相互作用能（电位能） 280

二、任意带电系统的（总）静电能 281

三、电场的能量 282

9-11 静电现象的应用 静电复印 284

思考题与习题 284

第十章 稳恒电流 291

10-1 稳恒电流和稳恒电场 291

一、电流 291

二、电流强度 291

三、电流密度矢量 291

四、连续性方程 292

五、稳恒电流 292

10-2 欧姆定律和焦耳-楞次定律 293

一、欧姆定律 293

二、欧姆定律的微分形式 294

三、电场力的功和功率 295

四、焦耳-楞次定律 295

五、电阻率和超导现象 296

10-3 电源和电动势 297

一、电源和非静电力 297

二、电动势 298

10-4 闭合电路的欧姆定律 299

一、闭合电路的欧姆定律 299

二、负载获得最大功率的条件 300

10-5 一段含源电路的欧姆定律 301

10-6 基尔霍夫定律 303

10-7 电学测量及其仪表 305

一、电学测量方法的基本原理 305

二、电位差计 306

三、直流电桥 307

思考题与习题 309

第十一章 稳恒磁场 312

11-1 磁场和磁感应强度 312

一、磁场 312

二、安培假设 312

三、磁感应强度 313

11-2 毕奥—沙伐尔—拉普拉斯定律 313

一、毕奥-沙伐尔-拉普拉斯定律 314

二、毕-沙-拉定律应用举例 315

三、运动电荷的磁场 319

11-3 磁场的高斯定理 320

一、磁感应线（？线） 320

二、磁感应通量 321

三、磁场的高斯定理 321

11-4 安培环路定理 322

11-5 罗仑兹力 磁场对运动电荷的作用 326

一、罗仑兹力 326

二、带电粒子在匀强磁场中的运动 326

三、霍尔效应 328

四、磁流体发电 电磁泵 329

11-6 安培力 磁场对载流导线的作用力 329

一、安培力 329

二、磁场对载流线圈的作用 331

三、磁力的功 332

11-7 磁场中的介质 333

一、介质的磁化 334

二、介质中的磁场 磁场强度 337

三、铁磁质 339

四、磁路定理 343

11-8 稳恒电场和稳恒磁场的比较 345

思考题与习题 346

第十二章 电磁感应 350

12-1 电磁感应的基本规律 350

一、电磁感应现象 350

二、楞次定律 351

三、法拉第电磁感应定律 351

12-2 动生电动势和感生电动势 352

一、动生电动势 353

二、感生电动势 354

三、涡电流 357

四、关于电场的定理 358

12-3 自感和互感 358

一、自感 358

二、互感 359

12-4 磁场的能量 361

12-5 暂态过程 363

一、LR电路的暂态过程 363

二、RC电路的暂态过程 364

思考题与习题 365

第十三章 交流电路 368

13-1 交流电 368

一、简谐交流电 369

二、似稳条件 370

13-2 交流电路中的元件 370

一、阻抗和位相差 370

二、纯电阻 370

三、纯电容 371

四、纯电感 371

13-3 交流电路的矢量图解法 372

一、串联电路 373

二、并联电路 375

13-4 交流电路的复数解法 375

一、交流电的复数表示 375

二、阻抗的复数表示 375

三、串联和并联电路的复数解法 375

四、交流电路的基尔霍夫方程组 377

13-5 交流电的功率 377

一、瞬时功率和平均功率 378

二、有功功率和无功功率 379

三、视在功率（额定容量） 379

四、功率因数的提高 380

13-6 交流电路的频率响应 382

一、串联谐振 382

二、并联谐振 383

思考题与习题 384

第十四章 电磁场 387

14-1 麦克斯威电磁理论 387

一、电磁场规律的小结 387

二、位移电流 388

三、麦克斯威方程组 391

14-2 电磁波 392

一、电磁场的波动性 392

二、电磁波的性质 394

三、电磁波的能量和能流 394

四、电磁波的产生 395

五、光的电磁理论和电磁波谱 397

14-3 电磁场的统一性和相对性 397

思考题与习题 399

第十五章 光波 401

15-1 光的本性 401

15-2 光波的基本性质 401

一、光矢量和光强 401

二、惠更斯-费涅尔-基尔霍夫原理 402

三、光波和波列 403

15-3 光的干涉 403

一、相干叠加和光程差 403

二、双缝干涉 406

三、薄膜干涉 409

四、迈克尔逊干涉仪 413

15-4 光的衍射 414

一、单缝方和费衍射 415

二、衍射光栅 418

三、圆孔衍射和光学仪器的分辨本领 423

四、X射线的衍射 425

五、全息照相 427

15-5 光的偏振 428

一、自然光和偏振光 429

二、偏振片和马吕斯定律 429

三、反射光和折射光的偏振 430

四、双折射现象 431

五、偏振光的干涉 434

六、旋光现象及其应用 435

七、偏振光的应用 436

思考题与习题 437

第四篇 量子物理学 441

第十六章 量子现象 443

16-1 热辐射和普朗克假设 443

一、基尔霍夫定律 443

二、黑体的经典辐射定律 444

三、普朗克公式和普朗克假设 446

16-2 光的波-粒二象性 448

一、光电效应和爱恩斯坦光量子 448

二、康普顿-吴有训效应 450

三、光的波-粒二象性 451

16-3 原子有核结构和原子光谱 452

一、原子的质量和大小 452

二、原子的有核结构 452

三、原子光谱的实验规律 453

四、经典物理学的困难 456

16-4 玻尔的氢原子理论 456

一、玻尔的基本假设 456

二、氢原子的定态轨道和定态能级 457

三、氢原子结构与原子光谱规律的解释 459

四、原子能级的实验证明——夫兰克-赫兹（Franck-Hertg）实验 460

思考题与习题 462

第十七章 量子理论 464

17-1 物质的波动-粒子二象性 464

一、德·布罗意假设 464

二、德·布罗意假设的实验证实 465

17-2 波函数 466

一、波函数的统计解释 466

二、波函数的叠加原理 467

17-3 测不准关系 468

17-4 薛定格方程 472

思考题与习题 477

第十八章 量子世界 479

18-1 单电子原子 479

一、氢原子的薛定格方程 479

二、能量的量子化 480

三、轨道角动量的量子化和空间量子化 481

四、电子的几率密度 482

五、电子自旋 485

18-2 多电子原子 486

一、独立粒子近似 487

二、泡里不相容原理 487

三、原子的壳层结构与元素周期表 489

四、X光的发射和吸收 490

五、激光 496

18-3 凝聚态物理 498

一、固体的基本性质 498

二、固体的能带结构 500

三、半导体的特性和应用 502

四、金属的自由电子理论 505

五、超导性 507

六、超流性 508

18-4 原子核物理 508

一、原子核的基本性质 508

二、核力和核结构模型 510

三、原子核的衰变 512

四、原子核反应和核能的利用 515

思考题与习题 518

附录Ⅰ 国际单位制 520

表1．国际单位制的基本单位 520

表2．国际单位制的辅助单位 521

表3．国际单位制的词头 521

表4．绝对单位制和国际单位制的某些物理量 522

附录Ⅱ 常用的基本物理常数及数据 523

附录Ⅲ 矢量微分与积分 524