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第1篇　时空观与粒子力学1

第1章　运动、时间与空间的相对性2

1.1　运动的相对性2

1.1.1 物体的运动和运动的物体2

1.1.2 描述运动的基本物理量5

1.1.3 经典时空观与伽利略变换6

1.2　时间的相对性8

1.2.1 经典的绝对时间概念8

1.2.2 爱因斯坦的假设9

1.2.3 时间的膨胀效应11

1.3　长度的相对性14

1.3.1 长度的洛伦兹收缩效应14

1.3.2 科学幻想曲——星外旅行16

1.4　洛伦兹变换　相对论运动学18

1.3.1 洛伦兹坐标变换18

1.3.2　相对论运动学22

第2章　运动变化和相互作用24

2.1　质点运动学24

2.1.1 质点运动的矢量描述24

2.1.2　速度和加速度的相对性28

2.1.3　研究与探索：广义坐标的运用29

2.2　几种基本的运动学问题32

2.2.1 由加速度到速度与坐标32

2.2.2 匀加速运动33

2.2.3 圆周运动37

2.2.4　在给定轨道上的运动39

2.3　牛顿运动定律41

2.3.1 惯性定律41

2.3.2 牛顿第二定律44

2.3.3 牛顿第三定律——作用与反作用原理46

2.3.4 几种常见的力46

2.4　质心的运动和外力50

2.4.1 质心运动定理50

2.4.2 质心运动守恒定律54

第3章 时空对称性与守恒定律57

3.1　对称性原理与守恒定律57

3.1.1 对称性57

3.1.2 守恒定律60

3.2　空间平移对称性和动量守恒定律62

3.2.1 空间均匀性和动量守恒62

3.2.2 时空对称性破缺与动量定理64

3.2.3 研究与探索：用广义坐标和Dirac符号表述的动量原理66

3.3　质心坐标系与二体系统70

3.3.1 质心坐标系70

3.3.2 二体系统相对于质心的运动70

3.3.3 火箭的运动72

3.4　时间平移对称性与能量守恒定律75

3.4.1 时间均匀性与能量守恒定律75

3.4.2 动能定理77

3.4.3 保守力与势能78

3.4.4 机械能守恒定律及其应用83

3.5　科尼希定理　二体碰撞87

3.5.1　科尼希定理87

3.5.2 二体碰撞89

3.5.3 二体碰撞应用技术92

3.5.4 理论预言与抓住机遇：中子的发现93

3.6　相对论中的守恒定律96

3.6.1 动量守恒与质速关系96

3.6.2 相对论的能量与能量守恒定律97

3.6.3 相对论动量-能量四维矢量及其长度的不变性100

3.6.4 科学猜想：从零质量与负能量猜想负质量102

3.7　空间各向同性与角动量守恒104

3.7.1 描述转动的物理量104

3.7.2 角动量定理106

3.7.3 角动量守恒定律107

3.8　刚体定轴转动111

3.8.1 刚体的转动111

3.8.2 刚体的角动量、转动动能和转动惯量113

3.8.3 刚体定轴转动动力学方法116

3.9　研究与探索：广义动量原理与广义动量-能量原理121

3.9.1 刚体的平面平行运动121

3.9.2 广义坐标表述的广义动量原理123

3.9.3 广义坐标表述的广义动量-能量原理125

第4章　分子热运动的统计描述128

4.1　气体状态的描述128

4.1.1 气体的平衡态128

4.1.2 气体状态方程131

4.2　气体分子热运动的速率和能量分布134

4.2.1 麦克斯韦速率分布律134

4.2.2 玻耳兹曼分布138

4.2.3 麦克斯韦-玻耳兹曼能量分布140

4.3　气体温度和压强的统计意义141

4.3.1 温度的微观实质141

4.3.2　理想气体压强公式143

4.4　能量按自由度均分定理144

4.4.1 能量均分定理的理论依据144

4.4.2 能量按自由度均分定理145

4.4.3 理想气体的内能146

4.5　分子的碰撞与气体内的迁移现象148

4.5.1 气体分子的平均自由程148

4.5.2　输运过程的宏观规律149

4.5.3　输运过程的微观解释151

第5章　能量转换的热力学定律154

5.1　热力学第一定律154

5.1.1 准静态过程的功154

5.1.2 热力学第一定律157

5.2　热力学第一定律对理想气体的应用159

5.2.1 第一定律在三个等值过程中的应用159

5.2.2 理想气体的摩尔热容160

5.2.3 绝热过程162

5.2.4 多方过程163

5.3　循环过程　卡诺循环165

5.3.1 正循环过程165

5.3.2 逆循环过程168

5.3.3 应用技术170

5.4　热力学第二定律　卡诺定理173

5.4.1 热力学第二定律的开尔文表述173

5.4.2 热力学第二定律的克劳修斯表述174

5.4.3 热力学第二定律两种表述的等效性175

5.4.4 热力学第二定律的意义与实质176

5.4.5 卡诺定理177

5.5　熵与熵增加原理179

5.5.1 熵是态函数179

5.5.2 系统熵变的计算181

5.5.3 熵增原理182

5.5.4 熵增加原理的本质183

5.5.5 研究与探索：熵和信息、生命及其他185

第6章　原子与原子核188

6.1　α粒子散射与原子核式模型188

6.1.1 原子的基本性质188

6.1.2 卢瑟福原子模型190

6.1.3 卢瑟福散射公式193

6.2　原子的量子态195

6.2.1 玻尔的量子态原子模型195

6.2.2 原子的角动量与原子态200

6.3　原子核及其放射性衰变204

6.3.1 原子核的一般性质204

6.3.2 原子核的放射性206

6.4　核反应中的守恒定律210

6.4.1 核反应中的守恒性210

6.4.2 应用技术——原子的裂变和聚变及其利用213

第2篇　场与波215

第7章 电荷与电场216

7.1 电荷 电场和电场强度216

7.1.1 电荷及其守恒定律216

7.1.2　库仑定律218

7.1.3 电场与电场强度219

7.1.4 静电应用与防范技术223

7.2　静电场的环路定理和电势224

7.2.1 静电场的环路定理224

7.2.2 电势与电势差225

7.2.3 电势的计算226

7.3 电场强度与电势梯度的关系229

7.3.1 电场与电势的几何描述229

7.3.2 电场强度与电势的关系231

7.3.3 用电势梯度计算电场强度232

7.4　电介质　静电场的高斯定理234

7.4.1 电介质及其极化234

7.4.2 静电场的高斯定理236

7.4.3 用高斯定理计算电场强度238

7.5　静电场中的导体　电容242

7.5.1 静电场中的导体242

7.5.2 导体空腔与静电屏蔽244

7.5.3 电容器及其电容245

第8章　磁场249

8.1　磁场和磁感强度249

8.1.1 磁性起源于电荷的运动——电流249

8.1.2 磁场的基本性质：对运动电荷的作用250

8.1.3　霍耳效应252

8.1.4 洛伦兹力的应用254

8.2　毕奥-萨伐尔定律255

8.2.1 毕奥-萨伐尔定律255

8.2.2 毕奥-萨伐尔定律的应用256

8.3　电磁场的相对论变换259

8.3.1 运动电荷的磁场259

8.3.2 电磁场的相对论变换261

8.3.3 相对论条件下运动电荷的电磁场262

8.4　磁场的两个基本定理264

8.4.1　磁场的高斯定理264

8.4.2 磁场的安培环路定理264

8.4.3 安培环路定理的应用265

8.5　磁场对电流的作用268

8.5.1 安培定律268

8.5.2　安培定律的应用268

8.6　磁场中的磁介质273

8.6.1 磁介质及其磁化强度273

8.6.2 有磁介质时的安培环路定理275

8.7　磁场中的原子277

8.7.1　原子的磁矩277

8.7.2 外磁场对原子的作用278

第9章 电磁感应与电磁场283

9.1　电磁感应定律283

9.1.1　楞次定律283

9.1.2 法拉第电磁感应定律284

9.2　动生电动势与感生电动势286

9.2.1 动生电动势286

9.2.2　感生电动势289

9.2.3 感生电场的应用290

9.3　自感与互感291

9.3.1 自感291

9.3.2　互感293

9.4 电磁场的能量 电磁场能量密度295

9.4.1 静电场的能量295

9.4.2　磁场的能量297

9.5　麦克斯韦电磁场理论299

9.5.1　位移电流假设300

9.5.2　麦克斯韦方程组301

第10章　振动与波305

10.1　简谐运动　相位305

10.1.1 简谐运动的特征305

10.1.2 简谐运动的描述309

10.1.3 计算本征频率的能量法312

10.2　振动的合成　受迫振动315

10.2.1 振动的合成315

10.2.2 受迫振动318

10.2.3 应用技术：隔振与消振320

10.3　机械波323

10.3.1 固体弹性介质的力学性质324

10.3.2　平面简谐波的波函数326

10.3.3　波的能量与波的强度329

10.4　波的叠加和干涉　驻波332

10.4.1 波的干涉332

10.4.2　驻波及其形成334

10.5　电磁振荡与电磁波338

10.5.1 电磁振荡338

10.5.2 电磁波340

10.6　声波　多普勒效应345

10.6.1 声波345

10.6.2 声波的多普勒效应347

10.6.3 多普勒效应的应用349

第3篇　波粒二象性352

第11章　光的波动性353

11.1　光的双缝干涉353

11.1.1 光的干涉的基本概念353

11.1.2　杨氏双缝干涉355

11.2　薄膜干涉　劈尖干涉　牛顿环358

11.2.1　薄膜干涉358

11.2.2　劈尖干涉359

11.2.3　牛顿环360

11.2.4 干涉在工程技术中的应用——测量某些气体含量361

11.3　光的单缝与圆孔衍射362

11.3.1 夫琅和费单缝衍射362

11.3.2 圆孔衍射365

11.4　光栅衍射　X射线的衍射367

11.4.1　衍射光栅367

11.4.2 关于光栅衍射的几个问题368

11.4.3 衍射在工程技术中的应用——晶体X射线分析370

11.5　光的偏振　马吕斯定律371

11.5.1 自然光和偏振光372

11.5.2 马吕斯定律372

11.5.3 反射光和折射光的偏振374

第12章　光的粒子性376

12.1　黑体辐射和普朗克量子假设376

12.1.1 热辐射现象376

12.1.2 黑体辐射基本定律377

12.1.3 普朗克量子假设和普朗克公式378

12.2　光电效应和爱因斯坦光子理论381

12.2.1 光电效应381

12.2.2 爱因斯坦光子理论382

12.3　康普顿散射384

12.3.1 康普顿散射公式384

12.3.2 电子与光子作用的理论研究与探索388

12.4　光的波粒二象性388

12.4.1 对光的认识的历史回顾388

12.4.2 光波粒二像性的关系式389

第13章　粒子的概率波391

13.1　物质的波粒二象性391

13.1.1 德布罗意的物质波假说391

13.1.2 德布罗意假设的实验验证393

13.1.3 德布罗意驻波思想和量子态394

13.1.4 微观粒子在微观空间的运动没有轨道394

13.2　波函数及概率慨念　不确定关系396

13.2.1 物质波函数396

13.2.2 物质波是概率波396

13.2.3 态的叠加原理398

13.2.4 不确定度关系398

13.3　薛定谔方程401

13.3.1 含时薛定谔方程401

13.3.2　定态薛定谔方程402

13.3.3 应用举例：一维无限深势阱403

13.4　氢原子的量子力学模型406

13.4.1 氢原子的薛定谔方程406

13.4.2 量子化条件和量子数407

13.4.3 氢原子的波函数和电子的概率分布408

13.5　原子的壳层结构与元素周期律410

13.5.1 电子状态的描述410

13.5.2 原子的电子壳层结构412

13.5.3 元素周期律413

13.5.4 激光414

习题参考答案417