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绪论1

0.1 物质世界1

0.1.1 物质 空间和时间1

0.1.2 物质世界的层次1

0.1.3 物质间的相互作用1

0.1.4 物质不灭原理2

0.1.5 宇宙的无限性3

0.2 物理学3

0.2.1 物理学的对象3

0.2.2 物理学的产生和发展3

0.2.3 单位制和量纲4

0.2.4 普朗克单位5

0.2.5 数量级6

0.2.6 物理课的意义6

第一篇 力学9

第1章 质点运动学9

1.1 质点运动的描述9

1.1.1 位置和轨道9

1.1.2 位移和路程9

1.1.3 速度和速率9

1.1.4 加速度10

1.1.5 动势10

【学术研究】空间和时间问题11

1.2 坐标系的运用17

1.2.1 直角坐标系17

1.2.2 平面极坐标系18

1.2.3 自然坐标系21

1.3 相对运动22

1.3.1 绝对运动、相对运动和牵连运动22

1.3.2 相对平动22

1.3.3 相对转动24

习题25

第2章 质点动力学26

2.1 基本定律26

2.1.1 亚里士多德对运动原因的解释26

2.1.2 伽利略的实物实验和思想实验27

2.1.3 牛顿运动定律29

【学术研究】牛顿第二定律和第三定律的导出31

2.2 常见的几种力33

2.2.1 万有引力33

2.2.2 弹性力35

2.2.3 摩擦力36

2.2.4 黏性力38

2.3 基本方法39

2.3.1 分隔物体法39

2.3.2 分组解题法40

2.3.3 解题规范42

2.4 动量定理42

2.4.1 质点的动量定理42

2.4.2 质点组的动量定理43

2.4.3 动量守恒原理44

2.4.4 质心运动定理44

2.5 功和能45

2.5.1 功45

2.5.2 能46

2.5.3 动能46

2.5.4 柯尼西定理47

2.5.5 势能47

2.5.6 动能定理48

2.5.7 功能定理49

2.6 碰撞50

2.6.1 碰撞定律50

2.6.2 弹性碰撞和非弹性碰撞51

2.7 非惯性参考系51

2.7.1 平动加速参考系51

2.7.2 转动参考系52

习题52

第3章 刚体力学54

3.1 刚体运动学54

3.1.1 刚体的一般运动54

3.1.2 定点转动和定轴转动54

3.1.3 平面平行运动55

3.2 动量矩和转动惯量55

3.2.1 动量矩55

3.2.2 刚体的惯量张量57

3.2.3 转动惯量的计算57

3.3 动量矩定理和转动定理60

3.3.1 力矩60

3.3.2 动量矩定理61

3.3.3 转动定理62

3.4 功和能63

3.4.1 力矩的功63

3.4.2 刚体的动能63

3.4.3 刚体的势能64

3.5 陀螺64

3.5.1 陀螺的一般运动64

3.5.2 回转效应64

习题65

第4章 流体力学67

4.1 流体静力学67

4.1.1 流体内的静压强67

4.1.2 重力场中的流体压强67

4.1.3 阿基米德原理68

4.1.4 帕斯卡原理68

4.2 理想流体的运动69

4.2.1 连续性方程69

4.2.2 伯努利方程69

4.2.3 理论的应用70

4.3 实际流体的运动71

4.3.1 牛顿黏性定律71

4.3.2 泊肃叶公式71

4.3.3 斯托克斯公式72

4.3.4 雷诺数73

习题74

第5章 振动与波75

5.1 简谐振动75

5.1.1 振动函数75

5.1.2 简谐振动的运动学特征76

5.1.3 简谐振动的动力学方程77

5.1.4 简谐振动系统的能量78

5.2 摆的运动79

5.2.1 单摆79

5.2.2 复摆79

5.3 阻尼振动和受迫振动79

5.3.1 阻尼振动79

5.3.2 受迫振动80

5.3.3 共振81

5.4 振动的合成83

5.4.1 同方向的两种振动的合成83

5.4.2 相互垂直的两种振动的合成83

5.5 波函数与波动方程84

5.5.1 波函数84

5.5.2 波速85

5.5.3 波动方程86

5.6 波的动力学方程86

5.6.1 弹性绳中的横波86

5.6.2 固体内的横波87

5.6.3 固体内的纵波87

5.6.4 液体内的纵波87

5.6.5 气体内的纵波88

5.6.6 重力场中液体的表面波88

5.6.7 真空中的电磁波89

5.7 波的能量89

5.7.1 能量密度89

5.7.2 能流密度90

5.8 声波90

5.8.1 声波的强度级90

5.8.2 声压91

5.9 波的叠加91

5.9.1 叠加原理91

5.9.2 波的干涉91

5.9.3 驻波93

5.9.4 波的衍射93

5.9.5 波的反射和折射93

5.10 多普勒效应与冲击波94

5.10.1 多普勒效应94

5.10.2 冲击波95

习题95

第二篇 热学101

第6章 热力学基础101

6.1 热力学第零定律 温度101

6.1.1 平衡态101

6.1.2 热力学第零定律101

6.1.3 喀拉氏温度定理102

6.1.4 温标和温度计103

6.1.5 物态方程103

6.1.6 过程方程104

6.1.7 物态方程的测定104

6.1.8 稀薄气体和理想气体的物态方程105

6.2 热力学第一定律 内能106

6.2.1 第一类永动机106

6.2.2 热力学第一定律106

6.2.3 热力学第一定律的特例108

6.2.4 用焓描述的热力学第一定律108

6.2.5 热容与比热108

6.2.6 热容量的计算109

6.2.7 理想气体的热容和内能110

6.3 等值过程111

6.3.1 处理等值过程的一般步骤111

6.3.2 理想气体的等值过程112

6.4 循环过程114

6.4.1 正循环和逆循环114

6.4.2 卡诺循环116

6.5 热力学第二定律 熵116

6.5.1 第二类永动机116

6.5.2 热力学第二定律的表述116

6.5.3 卡诺定理117

6.5.4 开尔文温标118

6.5.5 克拉珀龙蒸汽压方程119

6.5.6 克劳修斯等式和不等式120

6.5.7 熵定理121

6.5.8 广义熵121

6.5.9 熵的计算122

【学术研究】熵增加原理问题123

6.6 热力学基本微分方程及其推论131

6.6.1 热力学基本微分方程131

6.6.2 热力学函数132

6.6.3 过程的方向与平衡判据133

6.6.4 麦克斯韦关系式135

6.6.5 特性函数136

6.6.6 热力学函数与物态方程之间的关系式137

6.7 热力学第三定律 绝对熵137

6.7.1 热力学第三定律137

6.7.2 热容的低温极限138

6.7.3 绝对熵138

6.7.4 能斯特定理的导出139

6.7.5 等体压强系数和等压膨胀系数的低温性质139

【学术研究】热力学第三定律问题139

习题142

第7章 统计力学基础144

7.1 分子模型144

7.1.1 分子的点阵模型144

7.1.2 两种自由度144

7.1.3 分子力146

7.1.4 分子的球化模型147

7.2 微观态的描述148

7.2.1 相空间和相格148

7.2.2 微观相貌和分布方式150

7.2.3 等概率原理 热力学概率151

7.2.4 热力学概率级151

7.2.5 系统的内能152

7.3 基本理论153

7.3.1 基本定律153

7.3.2 近平衡条件153

7.3.3 统计力学基本微分方程154

7.3.4 α、β、γ和S的物理意义154

7.3.5 平衡态的微分方程155

7.3.6 分布函数156

7.3.7 统计平均值157

7.4 经典统计分布157

7.4.1 麦克斯韦-玻尔兹曼分布律157

7.4.2 简并态的分布律158

7.5 量子统计简介159

7.5.1 量子统计的问世159

7.5.2 费米-狄拉克分布159

7.5.3 玻色-爱因斯坦分布160

7.5.4 量子统计的经典近似161

7.6 理想气体161

7.6.1 玻尔兹曼公式的用法161

7.6.2 麦克斯韦速度分布律161

7.6.3 麦克斯韦速率分布律162

7.6.4 几种特殊的速率163

7.6.5 物态方程164

7.6.6 道尔顿分压定律165

7.6.7 分子按势能的分布律165

7.6.8 能量均分原理166

7.6.9 系统的内能166

7.7 真实气体167

7.7.1 克劳修斯方程167

7.7.2 赫恩方程168

7.7.3 范德瓦耳斯方程168

7.7.4 狄特里奇方程169

【学术研究】对范德瓦耳斯方程的修正170

7.8 碰撞频率与自由路程172

7.8.1 碰撞频率172

7.8.2 自由路程173

7.8.3 分子按自由路程的分布173

7.9 输运问题174

7.9.1 输运现象的宏观规律174

7.9.2 输运现象的微观图像174

【学术研究】评输运系数的理论公式176

7.10 配分函数的应用177

7.10.1 配分函数的对数177

7.10.2 内能的计算177

7.10.3 广义力的计算177

7.10.4 物态方程的推求177

7.10.5 混乱度（熵）的计算177

7.10.6 热力学微分方程的导出178

习题178

第三篇 电学183

第8章 基本理论183

8.1 电荷与电流183

8.1.1 电荷183

8.1.2 电流184

8.1.3 电荷守恒原理185

8.1.4 电荷-电流连续性方程185

8.1.5 基尔霍夫第一定律186

8.2 静电力和静电场186

8.2.1 库仑定律和叠加原理187

8.2.2 电场强度188

8.2.3 静电环路定理188

8.2.4 静电标量势189

8.2.5 基尔霍夫第二定律189

8.2.6 电场的高斯定理190

8.2.7 泊松方程和拉普拉斯方程191

8.2.8 例题192

8.3 总电流和磁场195

8.3.1 磁荷假说195

8.3.2 位移电流的导出196

8.3.3 磁场的导出198

8.3.4 毕奥-萨伐尔定律的导出198

8.3.5 磁矩200

8.3.6 磁场的通量定理202

8.3.7 安培环路定理203

8.3.8 磁路定理205

8.4 电磁力与电磁感应206

8.4.1 安培定律的导出206

8.4.2 洛伦兹电磁力的导出208

8.4.3 法拉第电磁感应定律和楞次定律的导出210

8.5 电磁场方程组214

8.5.1 麦克斯韦方程组214

8.5.2 电磁势 洛伦兹条件215

8.5.3 洛伦兹方程216

8.5.4 解的唯一性定理218

习题219

第9章 导体和介质220

9.1 导体 电阻220

9.1.1 自由电荷和束缚电荷220

9.1.2 静电场中的导体220

9.1.3 微分欧姆定律221

9.1.4 欧姆定律222

9.1.5 电阻率的测量和电阻的计算223

9.2 电介质 电容225

9.2.1 介质的极化225

9.2.2 极化强度的通量定理225

9.2.3 电位移及其高斯定理226

9.2.4 电场的边界条件227

9.2.5 电容的计算228

9.3 磁介质 电感230

9.3.1 介质的磁化230

9.3.2 磁化强度的环路定理231

9.3.3 磁场强度的环路定理231

9.3.4 磁场的边界条件233

9.3.5 电感的计算233

习题235

第10章 电路基础237

10.1 电路的基本元件237

10.1.1 阻抗类元件 特性方程237

10.1.2 电压源和电流源 电源的等效变换239

10.2 电路的基本定律241

10.2.1 基尔霍夫定律及其实用形式241

10.2.2 电路的独立方程244

10.3 电路的计算246

10.3.1 支路电流法246

10.3.2 环路电流法249

10.3.3 节点电压法250

10.3.4 叠加法252

10.3.5 互易法253

10.3.6 补偿法254

10.3.7 星形接法和三角形接法的等效变换法254

10.3.8 等效电源法255

10.4 正弦交流电路256

10.4.1 正弦信号及其复数表示法256

10.4.2 阻抗和导纳 广义欧姆定律257

10.4.3 谐振电路260

10.4.4 电功率261

10.4.5 品质因素——Q值263

10.5 变压器耦合电路264

10.5.1 变压器及其特性方程264

10.5.2 变压系数和耦合系数265

10.5.3 变压器耦合电路266

10.6 电机和三相电267

10.6.1 发电机267

10.6.2 三相电的接法268

10.6.3 线电压和线电流269

10.6.4 电动机270

10.6.5 如何用异步电动机来发电271

习题273

第11章 电磁波与电荷的辐射275

11.1 电磁波275

11.1.1 介质中的电磁波275

11.1.2 导体中的电磁波276

11.1.3 色散和吸收277

11.1.4 波导管里的电磁波278

11.2 电磁场的动量和能量279

11.2.1 处理动量和能量问题的思路279

11.2.2 电磁场受到的两种力279

11.2.3 电磁场的动量和应力281

11.2.4 电磁场的能量和能流282

11.3 电荷的自能和辐射283

11.3.1 电荷的自能283

11.3.2 电荷的辐射场283

11.3.3 辐射阻尼286

第四篇 光学293

第12章 波动光学293

12.1 惠更斯-菲涅耳原理293

12.1.1 亥姆霍兹方程293

12.1.2 惠更斯-菲涅耳原理294

12.1.3 对惠更斯-菲涅耳原理的定性解释294

12.1.4 对惠更斯-菲涅耳原理的严格证明295

12.2 界面定理297

12.2.1 反射定律和折射定律297

12.2.2 菲涅耳反射折射公式298

12.2.3 对菲涅耳反射折射公式的修正299

12.2.4 全反射定理301

12.2.5 布儒斯特定律302

12.2.6 对布儒斯特定律的修正302

12.2.7 相位定理 半波损失303

12.2.8 可逆性定理303

12.3 光的衍射303

12.3.1 平面屏幕衍射的一般表述304

12.3.2 菲涅耳衍射304

12.3.3 夫琅禾费衍射305

12.3.4 单缝衍射306

12.3.5 光栅衍射307

12.3.6 圆孔衍射308

12.3.7 光的直线传播定律309

12.4 光的干涉311

12.4.1 干涉的概念311

12.4.2 干涉与衍射之间的关系312

12.4.3 干涉条件313

12.4.4 双缝干涉315

12.4.5 等厚干涉315

12.4.6 等倾干涉316

12.4.7 增透射膜和增反射膜317

12.4.8 多层介质膜318

12.4.9 晶体对X射线的衍射（干涉）319

12.4.10 干涉仪319

12.5 光的偏振320

12.5.1 双折射320

12.5.2 二向色性322

12.5.3 椭圆偏振光322

12.5.4 旋光效应323

12.5.5 光弹性效应323

12.5.6 电光效应324

12.5.7 磁光效应325

习题325

第13章 成像与信息处理326

13.1 费马原理及其推论326

13.1.1 费马原理326

13.1.2 费马原理的推论326

13.2 单球面成像328

13.2.1 近轴球面折射公式328

13.2.2 近轴球面反射公式329

13.2.3 焦距与光焦度330

13.2.4 高斯公式和牛顿公式330

13.2.5 放大率331

13.2.6 单球面的拉氏不变式331

13.3 共轴球面系统332

13.3.1 共轴球面系统的拉氏不变式332

13.3.2 共轴球面系统的放大率333

13.3.3 共轴球面系统的基点333

13.3.4 共轴球面系统成像公式的导出335

13.3.5 基点位置的推算336

13.4 透镜及其组件336

13.4.1 薄透镜336

13.4.2 厚透镜337

13.4.3 透镜组338

13.4.4 几何作图法339

13.5 信息处理大意340

13.5.1 阿贝成像原理340

13.5.2 信息处理大意340

习题341

第14章 辐射与光度342

14.1 辐射计量学的术语342

14.1.1 辐射通量342

14.1.2 辐出度和单色辐出度342

14.1.3 辐射强度和辐射亮度343

14.1.4 辐照度343

14.1.5 吸收率和吸收本领343

14.2 辐射定律343

14.2.1 黑体和灰体343

14.2.2 基尔霍夫辐射定律344

14.2.3 黑体辐射三定律344

14.3 光度学345

14.3.1 光通量和面发光度345

14.3.2 光源的发光强度和亮度345

14.3.3 照度345

14.3.4 光见度函数345

14.3.5 发光效率345

【学术研究】光见度函数的导出346

第五篇 相对论349

第15章 狭义相对论349

15.1 狭义相对论的实验基础349

15.1.1 布莱德雷实验350

15.1.2 菲佐实验350

15.1.3 迈克耳孙-莫雷实验350

15.2 狭义相对论的基本假设351

15.2.1 相对性原理351

15.2.2 光速不变原理351

【学术研究】光速不变原理的来源问题352

15.3 因果律与洛伦兹变换355

15.3.1 因果律355

15.3.2 洛伦兹变换356

15.3.3 速度的变换359

15.3.4 对实验的解释359

15.3.5 因果律对速度的限制360

15.4 长度和时间的相对性360

15.4.1 运动尺的收缩360

15.4.2 运动钟的变慢361

15.5 相对论性质点力学361

15.5.1 重要的提示361

15.5.2 质点运动学的四维表述362

15.5.3 质点动力学的四维表述363

15.6 相对论性电动力学364

15.6.1 四维空间的偏导数算符364

15.6.2 连续性方程的四维表述364

15.6.3 洛伦兹条件的四维表述365

15.6.4 洛伦兹方程的四维表述365

15.6.5 电磁场张量365

15.6.6 麦克斯韦方程组的四维表述365

15.6.7 洛伦兹电磁力密度的四维表述366

15.6.8 对电学新理论体系的补充说明366

【学术研究】引力-电磁统一场论367

第16章 广义相对论新论374

16.1 广义相对论的基本假设374

16.1.1 等效原理374

16.1.2 广义相对性原理375

16.2 引力效应因子378

16.2.1 本地量和视在量的概念378

16.2.2 视在量与本地量之间的关系378

16.2.3 引力效应因子的导出379

16.3 引力场中的四维线元380

16.3.1 球对称引力场中的四维线元380

16.3.2 四维线元的一般表述380

16.4 行星近日点的进动382

16.4.1 质点的运动方程382

16.4.2 行星近日点的进动382

16.5 光谱线的红移384

16.5.1 红移的定义384

16.5.2 多普勒红移384

16.5.3 引力红移385

16.6 光线在引力场中的偏转385

16.6.1 引力场的折射率385

16.6.2 光线在引力场中的曲率386

16.6.3 光线掠过星球表面时的偏转角386

16.7 黑洞与视在超光速效应387

16.7.1 黑洞387

16.7.2 视在超光速效应387

第17章 宇宙学388

17.1 光度佯谬和引力佯谬388

17.1.1 光度佯谬388

17.1.2 引力佯谬389

17.2 宇宙模型389

17.2.1 有限无界宇宙389

17.2.2 膨胀宇宙391

17.2.3 大爆炸宇宙391

17.2.4 宇宙背景辐射393

【学术研究】岛-洞宇宙模型孕育过程的回顾394

第六篇 量子物理411

第18章 早期的量子论411

18.1 黑体辐射与能量子411

18.1.1 红外乌云与紫外灾难411

18.1.2 普朗克内插公式411

18.1.3 普朗克的能量子假设412

18.2 普朗克公式和黑体辐射定律的导出412

18.2.1 普朗克辐射公式的导出412

18.2.2 黑体辐射定律的导出414

18.3 光电效应与光量子414

18.3.1 光电效应414

18.3.2 爱因斯坦的光量子415

18.3.3 康普顿-吴有训效应416

18.4 原子光谱与玻尔原子论417

18.4.1 原子光谱417

18.4.2 玻尔原子论418

第19章 量子力学基础421

19.1 量子力学的基本假设421

19.1.1 波粒二象性421

19.1.2 不确定度关系422

19.2 波函数与力学量424

19.2.1 波函数及其统计性424

19.2.2 力学量的平均值425

19.2.3 力学量的算符426

19.2.4 动量算符的导出427

19.2.5 角动量算符的导出428

19.2.6 能量算符的导出428

19.3 不确定度关系式的导出429

19.3.1 不确定度关系式的一般形式429

19.3.2 波包的“不确定度关系式”430

【学术研究】评不确定度原理431

19.4 薛定谔方程435

19.4.1 本征态和本征值435

19.4.2 薛定谔方程436

19.5 粒子在一维势场中的运动436

19.5.1 处理一维问题的一般步骤436

19.5.2 势垒 隧道效应437

19.5.3 谐振子 分子振动能谱438

19.6 粒子在球对称势场中的运动440

19.6.1 处理球对称问题的一般步骤440

19.6.2 氢原子和类氢离子441

19.6.3 轨道角动量和磁矩443

19.6.4 简并态445

19.6.5 泡利不相容原理445

19.6.6 电子自旋446

19.6.7 碱金属原子446

19.7 微扰法447

19.7.1 微扰法的基本思想447

19.7.2 含时微扰448

19.7.3 跃迁概率449

19.7.4 跃迁选择律450

19.7.5 定态微扰450

【学术研究】量子力学的导出452

第20章 原子与固体469

20.1 原子物理469

20.1.1 角动量的合成469

20.1.2 电子组态和原子态的描述470

20.1.3 原子的壳层结构472

20.1.4 基态的识别476

20.1.5 元素的周期律478

20.1.6 光学光谱与标识谱484

20.1.7 光谱线的分裂484

20.2 固体物理简介485

20.2.1 能带和禁带485

20.2.2 绝缘体、半导体和导体486

20.2.3 半导体的导电类型487

20.2.4 pn结487

20.2.5 超导体488

第21章 激光490

21.1 激光的产生490

21.1.1 自发发射和受激发射490

21.1.2 激发态的寿命490

21.1.3 粒子数反转490

21.1.4 三能级系统和四能级系统491

21.1.5 光学谐振腔492

21.2 激光器492

21.2.1 气体激光器492

21.2.2 固体激光器495

21.2.3 其他激光器495

21.3 激光的用途496

21.3.1 激光的特点496

21.3.2 激光的应用496

第22章 原子核与粒子498

22.1 原子核物理简介498

22.1.1 原子核的成分498

22.1.2 核力与结合能499

22.1.3 核磁共振500

22.1.4 穆斯堡尔效应501

22.1.5 放射性衰变502

22.1.6 裂变反应503

22.1.7 聚变反应504

22.2 粒子物理简介504

22.2.1 粒子及其分类504

22.2.2 同位旋、超荷和奇异数506

22.2.3 守恒定律507

22.2.4 对称性508

22.2.5 狄拉克方程 反粒子508

22.2.6 守恒律和对称性的局限性510

22.2.7 强子结构 夸克510

【学术研究】评狄拉克的负能态电子海511

附录513

Ⅰ 拉格朗日乘子513

Ⅰ.1 全微分条件513

Ⅰ.2 拉格朗日乘子513

Ⅱ 概率论514

Ⅱ.1 排列与组合514

Ⅱ.2 高斯函数515

Ⅱ.3 概率积分515

Ⅱ.4 伽马函数516

Ⅱ.5 斯特林公式516

Ⅲ 矢量分析517

Ⅲ.1 标量场和矢量场517

Ⅲ.2 标量场的等值面和梯度517

Ⅲ.3 矢量场的通量和散度518

Ⅲ.4 高斯定理519

Ⅲ.5 矢量场的环量和旋度519

Ⅲ.6 斯托克斯定理520

Ⅲ.7 无旋场和无散场521

Ⅲ.8 格林定理521

Ⅳ 狄拉克函数522

Ⅴ 傅里叶分析523

Ⅴ.1 傅里叶级数523

Ⅴ.2 傅里叶积分524

Ⅴ.3 傅里叶频谱的性质526

Ⅴ.4 卷积定理527

Ⅴ.5 傅里叶-贝塞尔变换527

Ⅴ.6 光学中常见的特殊函数529

Ⅵ 本征函数与母函数531

Ⅵ.1 本征值和本征函数531

Ⅵ.2 母函数531

Ⅶ 量子力学中常见的特殊函数532

Ⅶ.1 厄米多项式532

Ⅶ.2 拉盖尔多项式533

Ⅶ.3 勒让德函数534

习题解答536