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出版者:Wiley

作者:John D. Cutnell

出品人:

页数:728

译者:

出版时间:2005-3-18

价格:1272.00

装帧:Hardcover

isbn号码:9780471713982

丛书系列:

图书标签:

• 物理学
• 大学物理
• 物理
• 教科书
• 科学
• 教育
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• 基础物理
• 物理学入门
• 经典物理学

探索宇宙的基石：经典力学、电磁学与热力学 《物理学原理概览》 本书旨在为读者构建一个坚实而全面的物理学基础，深入浅出地剖析构成我们宇宙运行的几大核心分支：经典力学、电磁学、热力学与统计物理学，并适度引入现代物理学的关键概念。我们摒弃了对特定教科书内容的重复引用，而是聚焦于物理学思想的演进、核心原理的建立及其在宏观和微观世界中的应用。 第一部分：运动的规律与力的本质——经典力学 经典力学是理解宏观物体运动的基础。本书将从伽利略和牛顿的工作开始，系统阐述运动学的基本概念——位移、速度和加速度，为后续的动力学分析打下基础。 1.1 运动学的几何学 我们将详细探讨一维、二维和三维空间中的直线运动与曲线运动。二维平面内的抛体运动将作为分析力的独立作用的经典案例进行详尽解析，包括其轨迹方程、最大射程和最高点。对于涉及圆周运动的情况，向心加速度和角速度的概念将得到深入阐释，区别于匀速圆周运动和非匀速圆周运动中切向加速度的存在。 1.2 牛顿定律的威力 本书的核心将围绕牛顿三大运动定律展开。第一定律（惯性定律）将引导我们理解参考系的意义，特别是惯性参考系与非惯性参考系之间的区别，以及在旋转参考系中引入惯性力（如科里奥利力和离心力）的必要性。第二定律 ($mathbf{F} = mmathbf{a}$) 是连接力、质量和加速度的桥梁，我们将通过分析各种实际的力——重力、弹力（胡克定律）、摩擦力（静摩擦与动摩擦）、张力等，来求解复杂的受力平衡和动力学问题。第三定律（作用与反作用）的重要性将体现在系统分析中，强调力的相互性。 1.3 功、能与守恒 能量的概念是物理学中最深刻、最普适的概念之一。我们将定义功和功率，并阐述动能与保守力做功之间的关系。势能的概念——包括重力势能和弹性势能——将被引入，用于构建系统的总机械能。机械能守恒定律将在无耗散力作用的理想系统中得到充分应用。随后，我们将扩展到非保守力（如摩擦力）对系统能量的影响，引入“功能定理”，并探讨能量在转化为热能或其他形式能时的耗散过程。 1.4 动量与角动量 动量及其守恒定律是处理碰撞和爆炸问题的强大工具。本书将细致区分弹性碰撞、非弹性碰撞和完全非弹性碰撞，并展示动量守恒在确定碰撞后物体速度中的关键作用。在三维空间中，我们将引入转动动力学的概念：力矩（扭矩）、转动惯量（及其对转动轴的依赖性）和角动量。角动量守恒定律将在分析陀螺仪、花样滑冰运动员收紧手臂等现象时得到展示。 1.5 振动与波动 作为经典物理学的延伸，简谐振动（SHM）的数学描述——微分方程的解——将是重点。我们将分析弹簧振子和单摆（小角度近似下）的运动特性，包括周期、频率和相位。随后，我们将从机械波的传播角度出发，探讨横波和纵波的特性，如波速、波长、频率和波函数（正弦波的解析描述），并简要提及波的叠加原理（干涉）和多普勒效应。 第二部分：电荷的相互作用与场的统一——电磁学 电磁学是描述电荷和电流如何产生力场、以及场如何相互作用的学科。 2.1 静电学的基础 本书从库仑定律开始，确立了电荷之间的基本相互作用力。随后，我们将引入电场概念，将力场转化为与源电荷分离的场量。电场的计算将从点电荷的叠加扩展到连续电荷分布（如电荷线、电荷面）。高斯定律作为电场计算的强大工具，将与微分形式的电场方程紧密联系，展示电场线的汇聚与发散特性。 2.2 电势与电路基础 电势能和电势的概念将被定义为标量场，用于简化力的计算，并揭示电场是保守场的事实。我们将探讨等势面的几何意义。在导体与绝缘体中，电荷的重新分布（极化和静电平衡）将被分析。随后，电流、电阻（欧姆定律）和电容的概念将构成直流电路分析的基础。我们将应用基尔霍夫定律（节点定律和回路定律）来求解复杂的电阻网络。 2.3 磁场与电磁场的起源 磁场的引入始于毕奥-萨伐尔定律和安培环路定律，用于计算稳恒电流产生的磁场。磁场对运动电荷和载流导线的作用力（洛伦兹力）将成为分析电荷动力学的基础。我们将分析带电粒子在均匀电场和磁场中的偏转轨迹（如质谱仪的原理）。 2.4 电磁感应与麦克斯韦方程组 法拉第电磁感应定律将揭示变化的磁场如何产生电场（感应电动势）。楞次定律则确立了感应电流的方向。自感和互感将引入电感元件的概念。最后，本书将汇集库仑定律、高斯磁定律、法拉第定律和安培-麦克斯韦定律，形成完整的麦克斯韦方程组。该方程组的意义在于揭示了光本身即是一种电磁波，从而统一了电、磁与光现象。 第三部分：热运动与统计规律——热力学与统计物理学 热力学描述了宏观系统中的能量转化和平衡状态。 3.1 温度与热量 我们将从温度的测量和热平衡的概念开始，阐述热力学第零定律。热量的概念将被定义，并与功联系起来，形成热力学第一定律（能量守恒在热过程中的表达）。比热容和潜热的计算将用于解决涉及相变的能量问题。 3.2 气体动力学模型 理想气体的微观模型将被详细推导，从分子的随机热运动解释宏观的理想气体状态方程（$PV=nRT$）。气体分子的平均动能与温度的直接关系将被量化。分子速度的统计分布（如麦克斯韦速率分布）将提供对系统内部能量更深入的理解。 3.3 熵与不可逆性——热力学第二定律 热力学第二定律将通过克劳修斯和开尔文表述进行阐述。熵（$S$）作为系统无序度的量度，将从宏观热力学和微观统计力学的角度进行定义和计算。我们将探讨熵增原理——孤立系统总是倾向于最大熵状态，解释了自然过程的单向性（不可逆性），并分析热机和制冷机的效率极限（卡诺循环）。热力学第三定律（绝对零度不可达到）也将被提及。 结语：物理学的统一视野 通过对这些核心领域的系统学习，读者将掌握描述自然界从宏观到微观（经典范畴内）运动规律和能量转换的基本工具和思维方式。本书旨在培养读者运用数学语言精确表达物理概念、并利用守恒定律解决复杂问题的能力。

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