物理学概论

品味创新拥抱自然--审阅《物理学概论》的一些随想(代序)

前 言

第一章 人类社会为什么变化这么快?--物理学改变世界

第一节 物理学在改变着世界

一、物理学加速社会经济的发展

二、物理学改善人们的生活方式

三、物理学改变人们对世界的认识

第二节 什么是物理学?

一、物理学研究的对象和范围

二、时间和空间

三、物质结构及其运动规律

四、物质间的相互作用

第三节 物理学是自然科学的基础

一、物理学在科学技术中的地位

二、物理学是知识经济的基础

三、物理学是科学的世界观和方法论的基础

第四节 物理学的分支学科

思考题与问答题(一)

第二章 对物体运动规律的思考--经典力学的建立

第一节 人类宇宙观的发展

一、古代人类对天体运动的认识

二、从哥白尼到开普勒

三、伽利略与经典力学的诞生

第二节 经典力学对运动的描述：

一、描述质点运动的基本概念和基本物理量

二、运动叠加原理

三、抛体运动

四、曲线运动中的切向加速度和法向加速度

五、圆周运动

第三节 牛顿运动定律

一、牛顿及其成就

二、牛顿运动三定律

三、几种常见的力

四、牛顿的科学思想方法

思考题与问答题(二)

第三章 守恒定律与对称性

第一节 三大守恒定律

一、能量守恒定律--一切自然现象所遵循的规律

二、动量守恒定律人造卫星的发射

三、角动量守恒定律行星运行轨道

第二节 守恒定律与对称性

一、对称性与对称操作

二、物理定律的对称性

三、对称性与守恒定律

四、守恒定律与对称性在物理学中的地位与作用

第三节 对称性破缺

一、对称性的自发破缺

二、弱相互作用宇称不守恒

思考题与问答题(三)

第四章 周期运动的基本形式--机械振动与机械波

第一节 简谐运动及其描述

一、简谐运动的基本特征及其表达式

二、简谐运动的能量

三、描述简谐运动的基本物理量

第二节 阻尼振动受迫振动共振

一、阻尼振动

二、受迫振动 共振

第三节 机械波

一、机械波产生的条件

二、横波与纵波

三、波传播过程中的基本概念和基本物理量

第四节 平面简谐波波的能量

一、平面简谐波的表达式

二、波动表达式的物理意义

三、波在传播过程中质元振动的相位差

四、波的能量 波的强度--能流密度

第五节 波的衍射、反射和折射

一、惠更斯原理

二、波的衍射

三、波的反射

四、波的折射

第六节 波的干涉

一、波的叠加原理

二、波的干涉 相干条件 相干波

三、相干波的干涉加强与减弱

第七节 多普勒效应

一、声源不动、观察者相对于媒质以速度运动

二、观察者不动，声源相对于介质以速度运动

思考题与问答题(四)

第五章 “永动机”带来的启示--热力学熵

第一节 蒸汽机带来的学问--热运动的基本规律

一、热是什么--热运动说和热质说

二、放之四海皆准--能量守恒

三、来自实践--瓦特与蒸汽机

四、第二类永动机之梦的破灭--热力学第二定律

第二节 宏观不可逆性与熵的概念

一、宏观不可逆性

二、熵概念的引入

三、对熵本质的认识

四、熵恒增===能贬值(能“质”的衰退)

第三节 妖精的启示--熵与信息

一、热力学概率与熵

二、麦克斯韦妖

三、熵与信息

第四节 熵概念的拓展

一、不可逆与自组织

二、熵与生命

三、热寂说

四、熵与经济和社会

五、地球系统--Gaia假设与自然观

思考题与问答题(五)

第六章 电磁学理论简介信息传播

第一节 电磁现象的早期研究

一、人类对电和磁的认识

二、创造性的科学思维--引入磁感线与场的概念

三、静电场与稳恒磁场

第二节 电磁感应

一、电磁感应现象的发现

二、亨利和楞次的贡献

三、法拉第电磁感应定律

第三节 电磁波

一、一场伟大的变革

二、麦克斯韦方程组的建立

三、电磁场理论建立过程中的思想方法给人们带来的启示

四、预言电磁波 光的电磁理论

五、赫兹实验

第四节 信息的载体--无线电波

一、无线电波的产生与传播

二、无线电通讯

三、雷达、微波通讯和光纤通讯

思考题与问答题(六)

第七章 是波还是粒子?--光本性的研究

第一节 几何光学简介

一、光的直进定律

二、光的反射折射定律全反射

三、透 镜

四、光的色散和吸收现象

第二节 光的波动理论的崛起

一、光的干涉

二、光的衍射

三、光的偏振

第三节 光的波粒二象性

一、光电效应 光的波动说遇到的困难

二、黑体辐射“能量子”概念的提出

三、爱因斯坦的“光量子”假设 光电效应方程

四、康普顿效应

五、光的波粒二象性

思考题与问答题(七)

第八章 时间与空间交融--相对论简介

第一节 狭义相对论基础

一、伽利略变换 绝对时空观

二、狭义相对论原理 洛仑兹变换

三、狭义相对论力学的一些重要的结论

四、改变世界的方程--质能关系

五、核 能

第二节 广义相对论简介

一、广义相对论产生的背景

二、光线在空中拐弯了

三、弯曲的时空

四、引力红移 引力时间延缓

五、水星轨道近日点的进动

六、引力波

七、相对论遇到的挑战

思考题与问答题(八)

第九章 微观世界探秘--物质结构

第一节 开启微观世界研究的门户--奇葩怒放的三大发现

一、X射线的发现

二、放射性的发现

三、电子的发现

四、卢瑟福的“原子核式结构”

第二节 原子核的奥秘

一、中子的发现

二、一种新的相互作用力--核力

三、核子结构

四、神秘的反物质

第三节 探索微观世界奥秘的近代技术

一、电子显微镜

二、扫描隧道显微镜

第四节 神奇的同步辐射

一、同步辐射

二、我国的同步辐射事业

思考题与问答题(九)

第十章 量子风云录--量子物理基础

第一节 玻尔的贡献

一、玻尔模型的建立

二、玻尔模型的贡献与困难

三、哥本哈根精神

第二节 德布罗意波

一、“狮身人面像”--实物粒粒子的波粒二象性

二、物质走向微小时行踪的诡秘--不确定关系

三、物质波的提出

第三节 描写物质波的波动方程及波函数的统计解释

一、波函数及其统计意义

二、薛定谔方程

思考题与问答题(十)

第十一章 物理学家的思维方法

第一节 问题--物理学发现之源

一、从科学实践与科学理论的矛盾中产生问题

二、从科学理论内部的矛盾中产生问题

第二节 极端思维--物理学家的重要创新思维

第三节 类比思维--物理学家创新的钥匙

一、类比是提出假设的重要途径

二、类比推理能有效激发科学家的想象

三、类比可导致技术上的发明创造

思考题与问答题(十一)

结束语 物理学的认识论和方法论

一、物理学的认识论

二、物理学的方法论

三、科学是柄双刃剑

专题选读I 宇宙的起源和演化

专题选读Ⅱ 激光

专题选读Ⅲ 超导技术及其应用

《面向21世纪普通高等教育文科物理规划教材：物理学概论》深入浅出地讲解大学物理学知识，内容涉及从经典物理学到近代物理学的主要成就和进展，覆盖20世纪以来近代物理学在探索自然奥秘的微观、宏观、宇观这三个领域中的物理学基本问题及其发展前景，同时，充分衔接现代各种高新技术发展的近代物理学基础，力求系统、完整、准确地阐述物理学的基本知识、基本概念、基本规律和基本方法，并注入科技发展的新观点和方法。《面向21世纪普通高等教育文科物理规划教材：物理学概论》突出科学思想和文化内涵，将科学教育与人文教育的交融和结合贯串始终，在具体内容和形式上，不追求公式的推导和定理的证明，尽量避免烦琐的数学语言，使学生既能掌握物理学的基础知识，又能了解物理学科的前沿课题和研究动向，扩大学生的知识面、开阔眼界，提高学生的科学素养。
《面向21世纪普通高等教育文科物理规划教材：物理学概论》适合普通高等院校文科各专业选作30～48学时物理学课程的教材或参考读物。