Physics for Scientists and Engineers, Volume 2 (AISE, Chapters 23-46) pdf epub mobi txt 电子书 下载 2026

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出版者:Brooks/Cole

作者:John Jewett; Raymond Serway

出品人:

页数:0

译者:

出版时间:2007-07-09

价格:0

装帧:Paperback

isbn号码:9780495112396

丛书系列:

图书标签:

• 物理学
• 科学
• 工程
• 大学教材
• 物理学与工程师
• AISE
• 第2卷
• 章节23-46
• 高等教育
• 理工科

深入探索经典物理学的广阔天地：《电磁学与光学基础：经典理论的精要与应用》 本书导读： 本册著作，《电磁学与光学基础：经典理论的精要与应用》，旨在为物理科学、工程技术及相关交叉学科的学生与研究人员提供一套系统、深入且富有洞察力的经典电磁学与光学理论基础。本书严格聚焦于麦克斯韦方程组的完整推导、应用及其在宏观与微观现象中的体现，并辅以对光现象的几何与波动理论的详尽阐述。我们深知，电磁现象是现代物理学的两大支柱之一，理解其精髓对于把握现代科技的脉络至关重要。因此，本书的编排力求逻辑严密，推导清晰，并结合丰富的实例，帮助读者建立起坚实的理论框架。 --- 第一部分：静电学的精细构建与应用 (Volume I: Electrostatics - Foundations) 本书的开篇将带领读者重温并深化对静电场理论的理解。我们不会停留在简单的库仑定律层面，而是着眼于如何利用矢量分析工具，特别是散度和旋度，来构建完整的静电学框架。 1. 电场与电位： 我们从电荷的连续分布模型开始，详细阐述了电场强度 $mathbf{E}$ 的定义及其与电荷密度的关系。重点解析了高斯定律在积分和微分形式下的完整表述，并演示了它在处理高度对称性问题（如无限长线、平板、球壳）时的强大威力。随之，引入电势 $phi$，推导 $mathbf{E} = - abla phi$ 的物理意义，并探讨等势面的特性。 2. 导体与介质中的静电平衡： 深入分析导体在静电场中的行为，证明导体内部电场为零，净电荷分布于表面，以及电场线垂直于导体表面的原因。本书将详尽讨论电介质（绝缘体）的极化现象，引入电位移矢量 $mathbf{D}$，并详细解释介质的宏观响应函数——电容率 $varepsilon$。 3. 泊松与拉普拉斯方程的精妙解法： 这是静电学理论的数学核心。本书将系统介绍如何利用边界条件求解泊松方程 ($ abla^2 phi = - ho/varepsilon_0$) 和拉普拉斯方程 ($ abla^2 phi = 0$)。我们将详细探讨分离变量法、镜像法（特别是在平面和球坐标系中的应用）等经典解析技巧，并简要介绍格林函数在求解特定边界值问题中的优势。 4. 静电场的能量与束缚电荷： 最后，我们将探讨静电场的能量密度 $u = frac{1}{2}varepsilon_0 E^2$，并计算储存在电容器或任意电场分布中的总能量。同时，对束缚电荷（表面束缚电荷 $sigma_b$ 和体束缚电荷 $ ho_b$）的物理起源及其在场计算中的作用进行深入剖析。 --- 第二部分：稳恒电流与磁场的起源 (Volume II: Magnetostatics and Steady Currents) 本部分转向了电荷的运动——稳恒电流所产生的磁场。重点在于毕奥-萨伐尔定律的积分形式与安培环路定律的综合应用。 1. 电流的描述与欧姆定律： 首先定义了稳恒电流的特性，导体的微观模型，并引入电流密度 $mathbf{J}$ 与电场 $mathbf{E}$ 之间的关系——欧姆定律的微观形式 $mathbf{J} = sigma mathbf{E}$。 2. 毕奥-萨伐尔定律与安培定律： 详细推导了毕奥-萨伐尔定律，用于计算由有限长度的电流元产生的磁感应强度 $mathbf{B}$。随后，深入探讨安培环路定律 $(oint mathbf{B} cdot dmathbf{l} = mu_0 I_{ ext{enc}})$ 的应用范围与局限性，重点演示其在环形、直线和螺线管等对称结构中的高效性。 3. 磁介质中的磁场： 借鉴静电学中处理介质的方法，引入磁场强度 $mathbf{H}$。详细分析磁化强度 $mathbf{M}$，并探讨磁介质（顺磁性、抗磁性、铁磁性）对外部磁场的响应，特别是磁化矢量 $mathbf{M}$ 与磁感应强度 $mathbf{B}$ 的本构关系 $mathbf{B} = mu mathbf{H}$。 4. 磁场的能量与磁偶极矩： 阐述稳恒磁场的能量密度 $u = frac{1}{2mu_0} B^2$，并计算由电流环路储存的磁能。随后，系统介绍磁偶极子的定义、磁矩 $mathbf{m}$ 的计算，及其在外部磁场中所受的力矩和势能。 --- 第三部分：电磁感应与统一的场论 (Volume III: Electromagnetic Induction and Maxwell's Equations) 本部分是全书的理论高潮，它将静电学和稳恒磁场理论统一起来，引入了电磁感应定律，并最终导出完整的麦克斯韦方程组。 1. 法拉第电磁感应定律： 详细解释了变化的磁通量如何产生感应电动势，并从积分形式过渡到微分形式 $ abla imes mathbf{E} = -frac{partial mathbf{B}}{partial t}$。本书将通过变压器、感应电机等经典应用来巩固对该定律的理解。 2. 位移电流与麦克斯韦方程组的完备化： 阐述安培定律在处理非稳恒电流时产生的矛盾（如电容器充电过程），并由此引出麦克斯韦对位移电流 $mathbf{J}_D = varepsilon_0 frac{partial mathbf{E}}{partial t}$ 的修正。本书将以清晰的结构总结出描述所有经典电磁现象的四个偏微分方程组——麦克斯韦方程组（包括介质中的形式）。 3. 磁矢量势与标量势的统一： 重新引入电磁势的概念，证明通过磁矢量势 $mathbf{A}$ ($mathbf{B} = abla imes mathbf{A}$) 和电势 $phi$ 可以自然地满足麦克斯韦方程组中的两个无旋度方程。重点介绍洛伦兹规范和库仑规范的选择对势函数形式的影响。 4. 动生场与互感： 深入分析电感现象，区分自感与互感，并推导电感元件的能量储存形式。 --- 第四部分：电磁波的产生、传播与辐射 (Volume IV: Electromagnetic Waves and Radiation) 基于麦克斯韦方程组，本部分将探究自由空间（真空）和介质中电磁波的产生、特性及其传播规律。 1. 电磁波方程的导出与性质： 从零散的麦克斯韦方程组中，通过巧妙的矢量恒等式推导出齐次和非齐次的波动方程，即 $Box^2 mathbf{E} = mu_0 varepsilon_0 frac{partial^2 mathbf{E}}{partial t^2}$。详细分析平面电磁波的性质：电场、磁场和传播方向相互垂直，且波速 $v = c = 1/sqrt{mu_0 varepsilon_0}$ 的决定性。 2. 坡印廷矢量与能量流： 引入坡印廷矢量 $mathbf{S} = frac{1}{mu_0}(mathbf{E} imes mathbf{B})$，精确描述电磁场的能量流密度和方向。探讨电磁波的平均能流（平均强度或辐照度）。 3. 电磁波在介质中的传播： 分析电磁波在理想电介质（无损耗）中的传播特性，引入折射率 $n$、相速度、群速度的概念。随后，探讨电磁波在导体中的传播，引入趋肤深度 ($delta$) 和传播常数，理解为什么电磁波不能穿透良导体。 4. 波的反射与折射： 聚焦于电磁波在理想电介质界面上的行为。详细推导并应用菲涅耳方程，计算电磁波的反射系数和透射系数，区分垂直偏振（s-波）和平行偏振（p-波）的特性，并深入讨论布儒斯特角现象。 5. 辐射场概述： 本章将对电磁辐射进行定性介绍，包括偶极子辐射的基本概念，为更高级的辐射理论（如林纳德-维歇尔势）打下坚实的基础，但限于本书范围，对高级辐射的深入数学处理将作为引子点到为止。 --- 第五部分：电磁学的数学工具与高级主题选讲 (Volume V: Mathematical Frameworks and Advanced Topics in Classical Electrodynamics) 为了确保读者掌握解决复杂问题的能力，本书的最后一部分将集中于必要的数学方法和电磁学中的一些关键概念的深化。 1. 矢量分析的再回顾： 系统回顾笛卡尔、柱面和球坐标系下的梯度、散度、旋度和拉普拉斯算子。强调这些工具在处理三维场分布时的不可或缺性。 2. 场论的守恒定律： 从麦克斯韦方程组出发，推导出电荷守恒定律（连续性方程）的微分形式。同时，推导坡印廷定理，它揭示了电磁场能量的守恒。 3. 边界条件的应用与综合： 总结在电场、磁场、位移矢量和磁场强度在两种不同介质交界面上的六组边界条件，并通过实例展示如何使用这些条件来确定场在复杂结构中的行为。 4. 特殊场结构： 简要探讨电磁学中一些特殊的、但重要的场结构，例如静电场中的电偶极辐射场（远场近似的初步概念），以及横磁（TM）和横电（TE）波在简单波导结构中的初步模式分析，作为向微波工程的过渡。 结语： 本书内容覆盖了经典电磁理论的核心，从静止的电荷到运动的波，构建了一个自洽且极其成功的物理学理论体系。本书的每一个章节都致力于培养读者将抽象的数学语言转化为具体的物理图像的能力，为后续学习更前沿的物理学分支（如量子场论或等离子体物理）奠定不可动摇的基石。

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读完这卷，我最大的感受是那种对知识体系的完整性和连贯性的极致追求。很多同类的教材，在处理从静电场到磁场，再到电磁感应和麦克斯韦方程组的过渡时，总感觉像是在拼凑不同的知识点，衔接处显得有些生硬。但这本《物理学》，它的逻辑脉络简直是行云流水。它仿佛预设了读者下一步会产生的疑问，并提前在下一节中巧妙地解答了。举个例子，在电磁感应定律的深入探讨部分，作者并没有满足于法拉第定律本身的表述，而是立刻将其融入到RLC电路的瞬态响应分析中，让读者清晰地看到变化的磁场是如何驱动电流和电压的动态变化的。这种“一环扣一环”的教学设计，使得我很少需要频繁地翻回前几章去复习基础概念。而且，书中对实验和思维实验的运用也达到了一个新的高度。那些经典的“思想实验”，比如洛伦兹变换的推导，它不是直接给你结论，而是步步为营，让你仿佛亲身经历了爱因斯坦当初的思考过程。这不仅锻炼了我们的计算能力，更重要的是培养了一种严谨的物理直觉，让你在面对新的问题时，知道该从哪个角度切入。

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这本书，说实话，刚翻开的时候我还有点犯嘀咕。毕竟是经典教材的续集，总担心是不是换了作者就没了灵魂，或者为了凑页数塞进来一堆不着边际的玩意儿。但深入阅读后，我得说，这套书的编排确实有其独到之处。它没有那种让人昏昏欲睡的堆砌公式的毛病，反倒是用一种更贴近实际问题的视角来引入那些复杂的电磁学概念。比如，它在讲解电磁波的传播特性时，会先用一个真实的通信场景作为引子，让你立刻感受到这门学问的实用价值，而不是直接抛出一个麦克斯韦方程组让你去啃。这种“先知其用，后求其理”的叙事方式，对于我这种更偏向应用而非纯理论研究的理工科学生来说，简直是醍醐灌顶。特别是对那些抽象的矢量分析和场论部分，作者们似乎费尽心思找到了最不费力的方式去可视化这些概念。我记得有一章关于导体的分析，通过一系列精巧的类比，把原本令人头疼的边界条件讲得明明白白。它不是那种只会照本宣科的教科书，它更像是一个经验丰富的老教授，坐在你旁边，耐心地为你剖析每一个细节，偶尔还会用一句幽默的话语帮你放松一下紧绷的神经。总而言之，它成功地架起了一座桥梁，连接了枯燥的数学形式和我们日常可见的物理现象。

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这本书最让我印象深刻的一点，在于它对现代物理前沿的微妙暗示。虽然它主要覆盖的是经典电磁学范畴，但在涉及光的本质、狭义相对论的初步引入（例如时间膨胀和长度收缩与电磁学的一致性）时，作者的处理方式非常高明。他们没有将相对论作为一个独立的、突兀的新章节抛出来，而是像一个引人入胜的故事线索，自然而然地从麦克斯韦方程组的自洽性中“涌现”出来。这使得读者在学完经典理论的巅峰后，能立刻意识到这个体系的局限性，并看到了通往更深层次物理学（量子力学和狭义相对论）的门径。这种“登山者登顶后，发现前方还有更高的山峰等待探索”的感觉，极大地激发了我继续深造的欲望。它成功地完成了教材的最高使命：教会你知识，更重要的是，点燃你对未知世界探索的激情，让你明白物理学是一门永无止境的探险。这本书不是终点，而是一个强大而坚实的起点。

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这本书的习题设计，绝对是教科书界的一股清流。太多教材的习题无非是代入公式然后算数，做完后除了对数字的敏感度提高，对物理概念的理解并没有太大提升。但这里的题库，简直是一部微缩版的“应用物理百科全书”。难度梯度设置得非常科学，从最基础的巩固性练习，到需要综合运用多个章节知识的挑战题，分布得井井有条。我尤其欣赏那些开放性的、需要定性分析的题目。它们不会给你一个明确的数字答案，而是要求你构建一个物理模型，并阐述你的推理过程。这对于我理解现实世界的复杂性至关重要。例如，书中涉及到波导管和辐射问题时，习题会引导你去思考不同几何形状对信号衰减的影响，而不是简单地计算一个特定频率下的波长。这迫使我们的大脑从一个纯粹的解题机器，转变成一个真正的物理问题解决者。我常常觉得，做完这套书后面的习题，我的物理“肌肉”得到了充分的锻炼，那些曾经看似高不可攀的概念，现在都变得可以被我掌控和应用了。

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从排版和视觉呈现上来说，这本书也体现了出版方的专业和用心。在这个充斥着快速消费内容的时代，一本厚重的物理教材能做到如此精良的制作水准，确实难能可贵。纸张的质感很好，长时间阅读眼睛不会感到特别疲劳，这对于需要长时间盯着公式和图表看的我们来说，简直是福音。更重要的是，插图和示意图的设计，简直是艺术品级别的。那些电场线、磁力线、 Poynting 矢量场的分布图，都用清晰的色彩和精妙的透视效果，将原本平面的二维图表，转化成了具有空间感的立体图像。这极大地帮助我构建了那些看不见摸不着的场的“三维心像”。如果说文字是骨架，那么这些高质量的插图就是赋予这门学科血肉的关键。我甚至会偶尔翻到一些特别漂亮的图，对着它们思考一会儿，从中体会到一种结构之美。这种对阅读体验的重视，无疑降低了学习曲线的陡峭程度，让求知本身也变成了一种享受，而不是单纯的煎熬。

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