内容简介
为提高中国大学生英语交流能力,同时了解国外教学情况,推动英汉双语教学,美国IET基金会与中国教育电视台决定共同建设“IET大学基础课程英语教学系列教材”。
本物理教本是美国加州理工学院为非物理专业学生编写的。近年来,美国有247所大学选用本教材。教材配有音像课件、教师教学参考书、学生参考书等。
目录
Chapter 1 INTRODUCTION TO THE MECHANICAL UNIVERSE(PROGRAM 1)
Chapter 2 THE LAW OF FALLING BODIES(PROGRAM 2)
Chapter 3 DERIVATIVES(PROGRAM 3)
Chapter 4 INERTIA(PROGRAM 4)
Chapter 5 VECTORS(PROGRAM 5)
Chapter 6 NEWTONS LAWS(PROGRAM 6)
Chapter 7 INTEGRATION(PROGRAM 7)
Chapter 8 THE APPLE AND THE MOON(PROGRAM 8)
Chapter 9 MOVING IN CIRCLES(PROGRAM 9)
Chapter 10 FORCES(PROGRAM 10)
Chapter 11 GRAVITY,ELECTRICITY,AND MAGNETISM(PROGRAM 11)
Chapter 12 THE MILLIKAN OIL-DROP EXPERIMENT(PROGRAM 12)
Chapter 13 THE LAW OF CONSERVATION OF ENERGY(PROGRAM 13)
Chapter 14 ENERGY AND STABILITY(PROGRAM 14)
Chapter 15 TEMPERATURE AND THE GAS LAWS(PROGRAM 45)
Chapter 16 THE ENGINE OF NATURE(PROGRAM 46)
Chapter 17 ENTROROPY(PROGRAM 47)
Chapter 18 THE QUEST FOR LOW TEMPERATURES(PROGRAM 48)
Chapter 19 THE CONSERVATION OF MOMENTUM(PROGRAM 15)
Chapter 20 HARMONIC MOTION(PROGRAM 16)
Chapter 21 RESONANCE(PROGRAM 17)
Chapter 22 COUPLED OSCILLATORS AND WAVES(PROGRAM 18)
Chapter 23 ANGULAR MOMENTUM(PROGRAM 19)
Chapter 24 GYROSCOPES(PROGRAM 20)
Chapter 25 KEPLESS LAWS AND THE CONIC SECTION(PROGRAM 21)
Chapter 26 SOL VING THE KEPLER PROBLEM(PROGRAM 22)
Chapter 27 ENERGY AND ECCENTRICITY(PROGRAM 23)
Chapter 28 NAVIGATING IN SPACE(PROGRAM 24)
Chapter 29 LOOSE ENDS AND BLACK HOLES(PROGRAM 25)
Chapter 30 THE HARMONY OF THE SPHERES:AN OVERVIEW OF THE MECHANICAL UNIVERSE
(PROGRAM 26)
Appendix A THE INTERNATIONAL SYSTEM OF UNITS
Appendix B CONVERSION FACTORS
Appendix C FORMULAS FROM ALGEBRA,GEOMETRY,AND TRIGONOMETRY
Appendix D ASTRONOMICAL DATA
Appendix E PHYSICAL CONSTANTS
SELECTED BIBLIOGRAPHY
Index
前言/序言
《物理学导论:经典力学与热力学基础》 (本书旨在为初学者系统构建经典物理学的核心框架,不涉及IET教育基金高等教育系列教材中“力学世界:力学和热学导论”的具体内容,而是提供一个全新视角的入门指南。) --- 第一章 测量的艺术与运动的描述 1.1 物理学的本质与研究范畴 物理学是探索物质、能量、空间和时间之间基本关系的科学。本书首先界定物理学的基本概念,区分宏观现象与微观世界的研究方法。我们将探讨物理学如何通过数学语言精确地描述自然规律,并强调理论模型与实验验证之间的相互作用。 1.2 基础量与单位制 精确的科学始于精确的测量。本章深入解析国际单位制(SI)的七个基本量(米、千克、秒等)及其导出量。我们将详细讨论单位换算的规范和重要性,强调在物理计算中保持量纲一致性的必要性。引入有效数字的概念,训练读者理解测量误差和不确定性对结果可靠性的影响。 1.3 运动学的基本概念 运动是宇宙永恒的主题。本章从一维运动开始,定义位移、速度和加速度。着重区分平均速度与瞬时速度的数学表述。通过严谨的极限过程,导出描述匀加速直线运动的运动学方程组,并分析抛体运动作为二维运动的典型实例。抛体运动的分析将侧重于分解独立方向上的运动,展示矢量分析在描述空间运动中的威力。 1.4 矢量:几何与代数 运动和力本质上都是矢量。本节系统介绍矢量的概念、加减法(三角形法则与平行四边形法则),并着重讲解矢量的分解与合成。重点阐述直角坐标系下的分量表示法,为后续的力学分析奠定数学基础。同时,引入矢量乘法中的点积(标量积)和叉积(矢量积),解释它们在计算功和力矩中的物理意义。 --- 第二章 动力学的基石:牛顿定律的普适性 2.1 惯性参考系与力的概念 在深入研究“为什么”物体运动会改变之前,必须确立一个合适的研究框架。本章首先定义惯性参考系,并讨论非惯性系中表观力的引入。力被定义为引起物体运动状态改变的物理量,强调力的矢量性和相互性。 2.2 牛顿第一定律:惯性与平衡 牛顿第一定律是经典力学的哲学基石,它确立了物体保持匀速直线运动或静止状态的条件。本节将探讨惯性质量的概念,并分析物体在不受外力或合外力为零时的运动状态。通过分析静力学平衡问题,巩固矢量合力的应用。 2.3 牛顿第二定律:质量、力和加速度的关系 这是动力学的核心定律。详细阐述 $mathbf{F} = mmathbf{a}$ 的矢量形式及其在不同参考系下的应用。我们将通过实际案例,如斜面上的物体、连接体的运动(如阿特伍德机),演示如何建立精确的受力图(Free-Body Diagram)并运用方程求解加速度。重点分析质量的意义——它不仅是惯性量度,也是引力相互作用的量度。 2.4 牛顿第三定律:相互作用与守恒 第三定律揭示了力的本质是相互作用。详细讨论作用力与反作用力的配对关系,强调它们作用在不同物体上,因此不能相互抵消。应用第三定律分析绳索、弹簧和接触力的性质。 2.5 常见的作用力分析 本章末尾专门用于系统化分析日常生活中遇到的重要作用力:重力、支持力(法向力)、摩擦力(静摩擦与动摩擦)以及张力。详细讨论摩擦力的特性,尤其是静摩擦力的最大值与实际受力之间的关系。 --- 第三章 功、能与守恒:系统性能的量化描述 3.1 功的定义与计算 功是能量转移的量度。本章从恒力做功的简单定义 $ ext{W} = mathbf{F} cdot mathbf{d}$ 开始,推广到变力做功的积分形式 $ ext{W} = int mathbf{F} cdot dmathbf{r}$。重点分析力和位移方向夹角对做功的影响,并区分正功、负功和零功的物理情景。 3.2 动能与动能定理 动能(Kinetic Energy)是描述物体运动状态的标量。本节推导并应用动能定理(合外力做的功等于物体动能的变化量),展示能量观点在求解复杂运动问题时的简洁性,尤其是在力与位移不平行的情景下。 3.3 势能:保守力的内禀属性 保守力(如重力和弹簧力)的做功与路径无关,这使得引入势能(Potential Energy)成为可能。详细定义重力势能和弹性势能的参考点选取与变化量计算。势能本质上是系统内物体之间相互作用的“储存形式”。 3.4 机械能守恒定律 当系统仅受保守力作用或非保守力做功为零时,系统的总机械能(动能加势能之和)保持不变。本章通过大量实例,如单摆、弹簧振子在保守场中的运动,演示如何运用机械能守恒解决运动学难以处理的问题。 3.5 能量的普遍守恒 超越机械能的范畴,本章引入非保守力(如摩擦力)对能量的影响,从而推广到更普适的能量守恒原理:系统机械能的减少量等于非保守力做的功,或更一般地,总能量(包括内能、热能等)保持不变。 --- 第四章 动量、冲量与碰撞动力学 4.1 动量与冲量 动量 $mathbf{p} = mmathbf{v}$ 是描述物体质量和速度的矢量。冲量 $I$ 定义为力在时间内的累积效应,它是改变动量的量度。本节推导动量定理:冲量等于动量的变化,这是牛顿第二定律的另一种等效形式,尤其适用于分析短时间内的大力作用。 4.2 动量守恒定律 在系统所受的合外力为零(或远小于系统内部相互作用力)的隔离系统中,总动量保持不变。本章将动量守恒定律推广到多粒子系统,并分析火箭推进等实际应用。 4.3 碰撞的分析 碰撞是动量守恒的典型应用场景。根据碰撞中机械能是否守恒,将碰撞分为完全非弹性碰撞、非弹性碰撞和弹性碰撞。 非弹性碰撞: 动能有损失,但动量守恒。分析质心系下的相对运动。 弹性碰撞: 动量和总机械能均守恒。导出碰撞后两物体速度的通用公式,特别关注一维和二维弹性碰撞的特殊情况。 4.4 质心(重心)的概念与运动 质心是描述复杂系统整体运动的关键点。本章定义质心坐标,并证明质心遵循的运动规律——质心加速度只取决于作用在系统上的外力合力,与系统内部的运动状态无关。质心运动的分析为理解复杂系统的宏观行为提供了强大的工具。 --- 第五章 热力学导论:温度、热量与宏观系统 (注:本部分内容侧重于宏观热现象的描述和基础定律的应用,与微观统计物理学的具体模型(如理想气体分子运动论的深入推导)保持距离,旨在构建热力学的经典框架。) 5.1 温度与温度计的构建 温度是衡量物体冷热程度的物理量。本章引入温度的宏观概念,解释温度计的工作原理,并详细讨论不同温标(摄氏、华氏、开尔文)之间的转换公式,强调绝对零度的物理意义。 5.2 热平衡与热力学第零定律 热力学第零定律是温度概念的逻辑基础:如果两个系统分别与第三个系统达到热平衡,则它们彼此之间也处于热平衡。这一定律保证了温度测量的合理性。 5.3 热量的传递方式 热量(Heat)是由于温差而传递的能量。本章系统介绍热量传递的三种基本方式: 传导(Conduction): 分子碰撞和自由电子移动,介绍傅里叶热传导定律的基本形式。 对流(Convection): 流体运动引起的宏观能量转移,描述其在自然界中的普遍性。 辐射(Radiation): 电磁波形式的能量传递,简要提及斯特藩-玻尔兹曼定律。 5.4 热容量与比热容 热容量是系统吸收热量后温度升高的难易程度的量度。定义热容量 $C$ 和比热容 $c$。详细讨论定容比热 $c_v$ 和定压比热 $c_p$ 的区别及其在不同物质中的应用,包括水的反常高比热。 5.5 物质的相变 物质在固、液、气态之间转变(熔化、凝固、汽化、凝结)是重要的热力学过程。引入熔化热和汽化热(潜热)的概念,解释在相变过程中,系统吸收或释放热量但温度保持恒定的物理原因。 --- 第六章 热力学第一定律:能量的守恒与转化 6.1 内能的概念与状态函数 内能 $U$ 是系统内部所有粒子无规则运动和相互作用的能量总和。强调内能是系统的状态函数,其变化量只依赖于初始和最终状态,与过程无关。 6.2 功的另一种形式:体积功 在热力学中,功通常表现为体积的变化。定义压力 $P$ 与体积 $V$ 相关的功 $W = int P dV$。分析等压、等容过程中的功的计算。 6.3 热力学第一定律的表述 热力学第一定律是能量守恒定律在热力学过程中的具体体现:系统内能的增加等于系统吸收的热量减去系统对外做的功 ($Delta U = Q - W$)。本章详细分析准静态过程和循环过程中的第一定律应用。 6.4 绝热过程与等温过程 探讨在特殊约束条件下($Q=0$ 或 $Delta T=0$)第一定律的简化形式,并分析这些过程在气体膨胀与压缩中的意义。 6.5 热力学过程的图示:P-V图 介绍压力-体积(P-V)图,理解曲线下面积代表功的物理意义。通过在P-V图上绘制等压线、等温线等,直观理解不同热力学路径的特点。 --- 附录:基础数学工具回顾 微积分基础回顾(求导与定积分) 矢量代数运算(投影与矢量分解) 常用物理常数表与单位换算参考。