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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B149

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

附录二 矢量基础359

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