大学物理学（第3版江苏省精品教材）

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绪论 1． 物理学研究的内容 物理学是人类社会实践的产物，它主要研究物质最普遍、最基本的运动形式及其相互转化规律。这些基本运动括机械运动、分子热运动、电磁运动、原子和原子核及其他微观粒子的运动等，它们普遍存在于物质的其他高级的、复杂运动形态之中。了解物质运动最基本形态的规律，是深刻认识复杂运动的起点和基础。 2． 物理学与其他学科 物理学是一切自然科学的基础或支柱。至今为止，人类认识自然的历史已有的五次大的理论综合，无一不是以物理学基本理论取得重大进展为标志的。牛顿力学体系的建立(17世纪)标志着第一次大综合。能量转化和守恒定律的建立(19世纪)将机械运动、热运动、电磁运动、化学运动等统一起来为第二次大综合，其中热力学理论取得重大进展起了关键性的作用。麦克斯韦电磁场理论的建立(19世纪)，揭示了光、电、磁现象的统一性，实现了第三次大综合。爱因斯坦分别于1905年和1915年创立了狭义相对论和广义相对论，揭示了空间、时间、物质和运动之间本质上的统一性实现了第四次大综合。普朗克量子论的提出和薛定谔、海森伯、狄拉克等人量子力学的建立，成功地揭示了微观物理世界的基本规律，实现了第五次大综合。继电磁相互作用和弱相互作用的统一后，建立电磁相互作用、弱相互作用、强相互作用和引力相互作用的大统一理论，乃是目前物理学探讨的最前沿问题。 物理学的基本概念、基本规律和基本研究方法(如分析归纳法、综合演绎法、统计模型法)已经被广泛地应用于所有自然科学的各个学科之中，推动了各学科领域和技术部门的飞速发展。物理学与其他自然科学相结合形成了众多交叉学科，如粒子物理学、量子化学、量子电子学、生物物理学、遗传工程学、大气物理学、海洋物理学、地球物理学、空间物理学、宇宙物理学等，这些推动了整个自然科学更加迅速地发展。 3． 物理学与新技术 科学是认识自然，是解决理论问题，而技术则是改造自然，是解决实际问题。人类千百年的实践证明，很多关键性新技术的应用都是建立在物理学创新成果上的。第一次技术革命开始于18世纪60年代，主要标志是蒸汽机的广泛应用，这是经典力学和热力学发展的结果。第二次技术革命发生在19世纪70年代，主要标志是电力的广泛应用和无线电通信的实现，这是麦克斯韦电磁场理论的建立带来的辉煌成果。20世纪以来，由于相对论和量子力学的建立，人们对原子、原子核结构的认识日益深入。在此基础上，人们实现了原子核能和人工放射性同位素的利用，促成了半导体、核磁共振、激光、超导、红外遥感、信息技术等新兴技术的发明。新兴工业犹如雨后春笋，人类进入了原子能、电子计算机、自动化、半导体、激光、基因工程空间科学等高新技术的时代。 4． 物理学与人才培养 我国高等学校肩负着培养各类高级工程专门人才的重任，要使我们培养的工程技术人员在飞速发展的科学技术面前能有所创新、有所前进，对人类做出较大的贡献，就必须加强基础理论特别是物理学的学习。通过学习能对物质最普遍、最基本的运动形式和规律有比较全面系统的认识，掌握物理学中的基本概念和基本原理以及研究问题的方法，同时能在科学实验能力、计算能力以及创新思维、探索精神和求实精神等方面受到严格的训练，培养分析问题和解决问题的能力，提高科学素质，努力实现知识、能力、素质的协调发展。 1901—2018诺贝尔物理学奖 内容与获奖者一览表 第 一 篇 力学 第1章 质点运动学 物体之间或同一物体各部分之间相对位置的变化称为机械运动。机械运动是自然界中最简单、最普遍的运动形式。物理学中把研究机械运动的规律及其应用的学科称为力学。把物体看成质点来处理的力学称为质点力学，它包括质点运动学和质点动力学。质点运动学主要是描述质点的运动状态，而不涉及引起运动和改变运动状态的原因； 质点动力学则研究在力的作用下质点的运动状态是如何变化的。本章介绍质点运动学。主要内容为描述质点运动状态的物理量位矢、位移、速度、加速度等的定义，在直角坐标系的表示； 平面曲线运动中的切向加速度和法向加速度； 圆周运动的角量表示； 同时围绕运动学的核心——运动方程，研究如何用微积分知识解决运动学问题。 1.1位矢位移速度和加速度的定义 1．1．1参照系坐标系质点 宇宙中的物体总是处于永恒的运动之中。为了描述一个物体的运动，总要选取其他物体作为参照，被选取的参照物体称为参照系。例如研究地球绕太阳公转，常选太阳为参照系； 研究人造地球卫星的运动，常选地球为参照系。选取的参照系不同，对物体运动情况的描述也就不同，这说明运动的描述具有相对性。 为了把运动物体相对于参照系的位置定量表示出来，需要在参照系上建立适当的坐标系。常用的坐标系有直角坐标系、自然坐标系、极坐标系、柱坐标系和球坐标系等。 众所周知，任何物体都有一定的形状、大小、质量和内部结构，即使是很小的分子、原子以及微观粒子也不例外。为了简化问题，假想研究对象是只有质量而无形状和大小的理想物体，称为质点。提出质点模型的意义在于： (1) 如果一个物体在运动中既不转动也不变形，只有平动，则物体上各点的运动必然相同，此时整个物体的运动情况可用物体上任一点的运动来代表。因此，当一个物体只发生平动时，可将物体当作质点。 图11地球绕太阳公转 (2) 物体线度和它活动范围相比小得很多，它的转动和变形在研究的问题中可以忽略，也能将它视为质点。需要注意的是，能否将一个物体视为质点，并不是根据它的绝对大小，而是要具体问题具体分析。例如地球的半径RE≈6．4×106m，地球到太阳的距离d≈1．5×1011m，研究地球绕太阳公转时就可将地球视为质点(图11)。但是在研究地球自转时，如果仍然把地球看作一个质点，就将无法解决实际问题。 (3) 就物体的一般运动而言，虽然各部分的运动可能不同，但如果设想将物体分割成许多足够微小的部分，总能使每一部分内部各点的运动情况基本相同，从而可将它视为质点处理，通过分析这许多质点的运动就能弄清整个物体的运动情况，所以分析质点的运动是研究实际物体复杂运动的基础。 1．1．2位矢位移 为了描述质点P的运动，在参照系中任选一固定点O，从点O向点P作有向线段r，称r为质点的位置矢量，简称位矢也叫矢径(图12)。位矢r从点O指向点P，它既指明了质点P相对于固定点O的空间方位，也指明了质点P到固定点O的空间距离。 质点P沿曲线L运动过程中，位置要发生变化，位矢r是时间t的单值连续函数，即 r=r(t)(11) 上式称为质点运动方程的矢量表示。位矢r的端点即运动质点在空间经过的路径，如图12中的曲线L，称为质点的运动轨迹。 设质点沿图13所示的曲线L运动，质点在t和t+Δt时刻分别通过点A和点B，位矢分别为rA和rB。在此过程中，质点位矢的变化可用从点A到点P的有向线段Δr即位矢的增量来表示，称Δr为质点由A到B的位移矢量，简称位移。 位移的方向表明点B相对于点A的空间方位，其大小|Δr|表明点B到点A的直线距离。从图13中可看出 Δr=rB-rA(12) 即质点从点A运动到点B的位移Δr等于末、始位矢rB与rA的差。 大学物理教材，适合一般普通院校理工科专业使用。本书为新形态教材，书中附有100多个二维码，链接了微课的100多个视频资源和少量科学家的文字介绍。