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绪论1

一、物理学及其划分1

二、物理课程的教学改革：现代化与创新教育2

三、关于本课程的几点建议2

四、矢量基础3

五、DTP创新研究平台5

第一篇　力学与相对论17

第1章　质点运动学17

1-1 质点运动的描述17

一、质点、坐标系和参考系17

二、质点运动的矢量描述18

三、常用的几种坐标20

四、运动学的基本问题24

五、运动的合成与分解25

1-2　相对运动29

一、相互作平动的两个参考系29

二、相互作转动的两个参考系29

习题31

第2章　质点动力学34

2-1　牛顿三定律34

一、牛顿定律的表述、相互关系及适用范围34

二、研究物理量的基本方法35

2-2　牛顿定律的应用38

一、惯性质量、动量与惯性力38

二、伽利略变换和伽利略相对性原理41

三、力对时间的积累——力的冲量和动量定理42

四、力对空间的积累——力的功和动能定理44

五、保守力与势能关系、机械能守恒定律及势能曲线47

2-3 对称性和守恒律的应用49

一、哈密顿原理、对称性和稳定性49

二、关于势模型问题的研究51

三、碰撞问题的研究56

习题62

第3章 刚体力学68

3-1 刚体模型68

一、刚体的受力特征68

二、刚体的运动特征69

三、刚体的质心69

四、刚体绕定轴转动70

五、转动惯量及计算71

3-2 角运动与线运动的对称性73

一、刚体的功和能73

二、角动量守恒75

三、刚体的平面平行运动76

四、回转仪78

习题82

第4章　振动和波84

4-1 简谐振动85

一、简谐振动的定义85

二、简谐振动的描述方法85

三、简谐振动的合成87

4-2 自由振动、阻尼振动和强迫振动90

一、振动方程的求解90

二、研究实例92

4-3　机械波的基本概念、简谐波95

一、沿直线传播的简谐波96

二、平面和球面简谐波97

4-4 简谐波的波动方程98

一、运动学方法98

二、动力学方法98

4-5 叠加原理和驻波100

一、叠加原理100

二、驻波101

三、多普勒效应、声障与冲击波104

四、一般情况下二维波的叠加方法105

习题105

第5章　相对论110

5-1 狭义相对论的基本假设111

一、相对性原理111

二、光速不变原理112

5-2 时空观与时空几何113

一、牛顿的时空观113

二、狭义相对论的时空观114

三、世界图和世界线116

5-3 相对论效应118

一、闵可夫斯基时空中的校准双曲线119

二、同时性的相对性119

三、时间延缓与长度收缩120

四、速度变换122

五、双生子佯谬123

5-4 洛伦兹不变性与相对论力学125

一、光速的作用125

二、相对论力学125

三、相对论的应用128

四、洛伦兹变换下的不变性128

5-5 广义相对论129

一、黎曼几何129

二、等效原理和广义相对性原理130

三、弯曲时空中的瞬时惯性系130

习题131

第二篇 电磁学与量子论137

第6章　静电场137

6-1 矢量场137

一、流量、通量与总场线根数138

二、环量138

6-2 高斯定理139

一、电荷与电结构139

二、库仑定律140

三、叠加原理141

四、电场强度及其叠加141

五、电位移、电通量和高斯定理143

6-3 电势147

一、电场力的功和势147

二、电场强度与电势的关系149

三、泊松方程和拉普拉斯方程150

四、用DTP平台研究电场线和等势线的作图150

6-4 导体与电介质153

一、静电场中的导体153

二、电场中的电介质155

三、电容和电容器159

四、电场的能量161

习题163

第7章　电流与磁场168

7-1 电流168

一、电流与电流强度168

二、电流密度169

三、电流连续性方程169

四、欧姆定律170

五、电流的功、焦耳定律171

7-2 电流的磁场172

一、电流元和电流的磁矩173

二、毕奥-萨伐尔定律173

三、磁感应强度174

7-3　磁场及磁场力的计算177

一、无限长载流直导线的磁场177

二、环形电流中心轴线上的磁场177

三、均匀磁场中载流导线所受的力178

四、磁场对运动电荷的作用力178

五、螺线管的磁场与数字计算方法181

7-4　磁场强度、安培环路定律183

一、安培环路定律183

二、安培环路定律的应用184

7-5　磁介质、介质中的磁场185

一、磁介质185

二、磁化强度矢量186

三、磁感应强度、磁场强度和磁化强度之间的关系式186

四、铁磁质187

习题192

第8章　麦克斯韦方程与电磁场196

8-1 电磁感应196

一、电磁感应定律196

二、动生电动势和感生电动势198

三、自感与互感202

四、磁场的能量204

8-2 麦克斯韦方程组206

一、两个假设：涡旋电场和位移电流206

二、麦克斯韦方程组208

8-3 电磁波与电磁辐射210

一、自由电磁波210

二、电偶极子的辐射210

三、电磁场的能量211

四、电磁场的动量212

五、矩形空腔波导中的电磁驻波214

习题215

第9章　光的波动性218

9-1 光波的叠加218

一、菲涅耳-惠更斯原理218

二、光程差法219

三、半波带法221

四、矢量法222

五、积分法224

9-2　光的偏振227

一、偏振光与自然光227

二、椭圆偏振光与旋光性229

9-3　应用举例231

一、光弹效应231

二、电光效应231

三、磁致旋光233

习题234

第10章　波函数与薛定谔方程239

10-1 场与粒子的波粒二象性240

一、单光子干涉240

二、光电效应241

三、电子衍射242

四、薛定谔猫246

10-2　能量的定态和二能级原子模型249

一、原子光谱及弗兰克-赫兹实验249

二、原子定态与二能级模型250

10-3　量子论的基本假设254

一、波函数254

二、薛定谔方程257

三、力学量算符258

四、全同粒子的不可区分原理261

10-4　定态薛定谔方程263

一、一维无限深势阱263

二、一维方势阱265

习题267

第11章　原子与激光270

11-1 氢原子的能级和能量本征函数270

一、能量的本征方程、本征值和本征态270

二、对应原理、态叠加原理及稳定性274

三、氢原子波函数的数字化描述276

11-2 简并性破除与量子激光277

一、简并对称性的破除277

二、量子激光280

11-3　原子囚禁282

习题283

第12章　量子效应与物质结构286

12-1 固体的能带286

一、能隙与布里渊区286

二、金属、半导体和绝缘体的能带结构288

12-2　量子隧道效应288

一、单电子隧道效应289

二、双电子隧道效应290

三、二极管隧道效应290

12-3　量子干涉效应292

一、COW相移293

二、A-B效应293

12-4　量子的非定域性294

12-5　物质结构、幻数及手征性296

一、物质结构与幻数296

二、物质结构的手征性302

习题304

第三篇 热物理学与非线性现象309

第13章　宏观热物理学309

13-1 温度与热力学第一定律309

一、平衡态与热力学过程309

二、热力学第零定律310

三、热力学第一定律311

13-2 热力学第二定律和熵增加原理317

一、卡诺循环317

二、热力学第二定律318

三、熵增加原理322

四、热力学第三定律326

习题326

第14章　微观热物理学330

14-1 玻耳兹曼方程与等概率原理330

一、相空间、宏观态和微观态330

二、玻耳兹曼方程332

14-2　麦克斯韦-玻耳兹曼分布函数335

一、麦克斯韦-玻耳兹曼分布335

二、统计平均值337

三、宏观量与微观量的统计平均值340

14-3　各种统计分布343

一、概率分布和统计平均法343

二、各种统计分布344

14-4　信息熵346

一、信息与信息量347

二、信息熵347

三、信息熵与热熵348

四、信息熵与统计熵348

14-5 偏离平衡态349

一、输运过程350

二、开放系统与自组织现象351

三、相变及其分类352

14-6　临界现象354

一、气液相变的临界现象354

二、气液相变以外的连续相变现象356

习题358

第15章 非线性现象——混沌与分形361

15-1 洛伦茨的不可预见性361

一、不可预见性361

二、周期三意味着混沌362

三、洛伦茨吸引子363

15-2　菲根鲍姆常数363

一、周期倍增与分叉现象363

二、菲根鲍姆常数364

15-3　单摆与倒摆365

一、单摆——从规则走向混沌365

二、倒摆——从单稳态到双稳态的相变367

15-4　布鲁塞尔振子373

一、模型的建立373

二、不动点及扰动的引入374

三、稳定性讨论374

15-5 李雅普诺夫指数375

15-6　混沌同步控制376

一、混沌同步控制376

二、应用举例378

15-7 分形物理379

一、海岸线长度的测量379

二、扩展对称性380

三、伊辛模型和渗流模型380

15-8　科学的世界观382

一、来自宇宙学的启示382

二、微观世界的法则384

三、单摆的三相共存384

习题385