內容簡介
本英文改編教材的原書——《西爾斯物理學》是幾代編著者長達半個多世紀物理教育探索與創新的産物,其許多可圈可點的特色在美國乃至世界其他國傢,影響瞭一代又一代的大學師生,是當今世界發行量大的主流教材之一。
《西爾斯當代大學物理(上冊 英文改編版 原書第11版)/雙語教學專用教材·21世紀普通高等教育基礎課規劃教材》是上冊,主要內容有力學、熱學、電磁學等。
《西爾斯當代大學物理(上冊 英文改編版 原書第11版)/雙語教學專用教材·21世紀普通高等教育基礎課規劃教材》既充分體現瞭原書的特色,又在適閤我國國情方麵有瞭新的特點,主要錶現在:對原書取捨得當,篇幅適當,教材內容覆蓋瞭教育部新教學基本要求建議的75個A類知識點和部分B類知識點;教材95%以上是原書的文字,體現瞭原書教學理念的精華,整個教材體係具有更好的係統性和完整性;內容生動、豐富,圖文並茂,舉例鮮活,趣味性強,聯係實際密切,強調概念理解,注重能力培養;每章的問題引入法、正文探索式的敘述法以及每節的思考題檢測法等多種教學方法並用,將有效調動學生學習的積極性,提高學生學習的效能;所有例題都采用四步解題法:審題(Identify)、破題(Setup)、求解(Excute)和討論(Evaluate),這種規範、科學的解題方式十分有利於學生形成思維清晰、錶述準確、方法明確的解題習慣,並能逐步獲得較強的解決實際問題的能力;英語行文規範、流暢,原汁原味,代錶瞭當前科技英語文獻的風格,是我國學生學習英文科技寫作的極好範本。
本教材為高等學校理工科各專業學生的大學物理雙語教學專用教材。由於與國內教材有很強的相關對應性,故對於希望瞭解物理知識英文錶述的非雙語教學的師生及其他科技工作者,《西爾斯當代大學物理(上冊 英文改編版 原書第11版)/雙語教學專用教材·21世紀普通高等教育基礎課規劃教材》也是一本十分有益的參考書。
內頁插圖
目錄
Preface
1 PHYSICAL QUANTITIES AND
VECTORS
1.1 The Nature of Physics
1.2 Idealized Models
1.3 Standards and Units
1.4 Uncertainty and Significant Figures
1.5 Vectors and Scalars
1.6 Vector Algebra
1.7 Unit Vectors and Component Expression
Answer to Chapter Opening Question
Exercises
2 KINEMATICS
2.1 Particle Kinematics
2.2 Position Vector and Displacement
2.3 Velocity and Acceleration
2.4 Rectilinear Motion
2.5 Two Fundamental Problems in Kinematics
2.6 Relative Motion
Answer to Chapter Opening Question
Exercises
3 DYNAMICS
3.1 Particle Dynamics
3.2 Newton' s Laws
3.3 Understanding Forces
3.4 Dynamics of Circular Motion
3.5 Non-inertial Frame and Inertial Forces
Answer to Chapter Opening Question
Exercises
4 WORK AND ENERGY
4.1 Kiic Energy and Work
4.2 Calculating the Work
4.3 Path Independence of Conservative Forces
4.4 Potential Energy
4.5 Conservation of Mechanical Energy
4.6 Find the Conservative Force from Potential Energy
Answer to Chapter Opening Question
Exercises
5 MOMENTUM AND IMPULSE
5.1 Definition of Momentum
5.2 Conservation of Momentum
5.3 Impulse
5.4 Collisions
5.5 Center of Mass
5.6 Rocket Propulsion
5.7 Problem-Solving Strategy ISEE
Answer to Chapter Opening Question
Exercises
6 ROTATION OF RIGID BODIES
6.1 Angular Velocity and Acceleration
6.2 Rotation with Constant Angular Acceleration
6.3 Relating Linear and Angular Kinematics
6.4 Energy in Rotational Motion
6. 5 Parallel-Axis Theorem
6. 6 Moment of Inertia Calculations
Answer to Chapter Opening Question
Answers to Test Your Understanding
Questions
Exercises
7 DYNAMICS OF ROTATIONAL
MOTION
7.1 Torque
7.2 Torque and Angular Acceleration for a Rigid Body
7. 3 Rigid-Body Rotation About a Moving Axis
7.4 Work and Power in Rotational Motion
7. 5 Angular Momentum
7. 6 Conservation of Angular Momentum
7. 7 Gyroscopes and Precession
Answer to Chapter Opening Question
Answers to Test Your Understanding
Questions
Exercises
8 PERIODIC MOTION
8. 1 Describing Oscillation
8. 2 Simple Harmonic Motion
8. 3 Energy in Simple Harmonic Motion
8. 4 Applications of Simple Harmonic Motion
8. 5 The Simple Pendulum
8.6 The Physical Pendulum
8. 7 Damped Oscillations
8. 8 Forced Oscillations and Resonance
Answer to Chapter Opening Question
Answers to Test Your Understanding Questions
Exercises
9 MECHANICAL WAVES
9. 1 Types of Mechanical Waves
9. 2 Periodic Waves
9. 3 Mathematical Description of a Wave
9.4 Energy in Wave Motion
9. 5 Wave Interference, Boundary Conditions and Superposition
9.6 Standing Waves on a String
9.7 Normal Modes of a String
9. 8 Beats
9. 9 The Doppler Effect
Answer to Chapter Opening Question
Answers to Test Your Understanding Questions
Exercises
10 TEMPERATURE AND HEAT
10. 1 Temperature and Thermal Equilibrium
10. 2 Thermometers and Temperature Scales
10. 3 Gas Thermometers and the Kelvin Scale
10. 4 Quantity of Heat
10.5 Calorimetry and Phase Changes
10. 6 Mechanisms of Heat Transfer
Answer to Chapter Opening Question
Answers to Test Your Understanding
Questions
Exercises
11 THERMAL PROPERTIES OF MATTER
……
12 THE FIRST LAW OF THERMODYNMAICS
13 THE SECOND LAW OF THERMODYNAMICS
14 ELECTRIC CHARGE AND ELECTRIC FIELD
15 GAUSS'S LAW
16 ELECTRIC POTENTIAL
17 CAPACITANCE AND DIELECTRICS
18 CURRENT, RESISTANCE AND ELECTROMOTIVE PORCE
APPENDICES
前言/序言
1.關於原書、原作者
本書改編自培生教育齣版公司( Pearson Education,Inc.)於2004年推齣的西爾斯大學物理第1 1版(Sears and Zemansky‘s UNIVERSITY PHYSICS with modern physics,11th edition,以下簡稱西書)。
西書是美國幾代物理教育專傢長達半個多世紀探索與改革的産物。初版由美國物理教育界領軍人物F.W. Sears和M. W. Zemansky於1949年推齣。西書作者提倡站在學生的角度探究式地展開討論,強調講透概念、原理與培養學生解題能力並重,在版麵設計上作齣有針對性的安排。這些探索成果對促進學生自主學習産生瞭較大反響。西書第11版的主要作者H.D.Young自1973年始成為Sears和Zemansky的閤作者,參加第5版編寫。前兩位作者相繼去世後,Young從第8版起單獨署名。他繼承與完善瞭西書的導學式理念,使西書不僅在美國,而且在其他國傢影響瞭一代又一代的大學師生,至今仍是發行量最大的主流教材之一。另兩位作者R.A.Freedman與A.L.Ford分彆自第10版、第11版參加編寫工作。
西書曾於20世紀50年代以《西爾斯物理學》之名被翻譯成中文在中國齣版。當時該書受到我國大學物理教師的關注並作為教學參考書。至今我國物理教材中的一些講法和習題都淵源於該書。機械工業齣版社2003年影印齣版瞭西書第10版。由於特色鮮明、角度新穎、講解詳盡、討論深入,加之行文流暢,代錶瞭當前英語科技文獻流行風格,該影印版被一些高校選作物理雙語課本,獲得好評。
西書第11版的剛體力學、振動與波、熱學、電磁學、波動光學、狹義相對論與量子物理基礎等6部分(覆蓋大學物理課程教學內容9成以上)涵蓋的知識點、調用的數學知識以及達到的難度與深度,同國內流行教材吻閤度很高,適閤選作非物理類尤其是工科專業的大學物理雙語教材。
西書第11版每章由一個開篇問題( Opening question)引導,每節由一道理解檢測題(Test
you。understanding question)收尾、以便學生閱讀時自測,引導學生深入思考、探究。其答案都列於每章之末,以供核對。在課文適當處以Caution為標誌點齣學生常犯的通病和易産生的誤解,警醒讀者規避。這些編排有助於提升學生讀書的效果。
西書第11版另一特點是注重傳授解題技巧。除配有大量例題之外,西書編者將解題的思路與步驟概括為審題( identify)、破題(set up)、求解(execute)與評價(evaluate)四個環節。首先審定該問題涉及的物理原理、概念,確定待求的目標變量;其次列齣相應的方程或方程組,明確哪些是已知量、哪些是待求的未知量;再次完成數學運算,得齣結果;最後根據物理背景要求,評價結果的閤理性、有效性。其亮點在於,全書將各種物理問題分門彆類,以Problem-Solving Strategy為標誌列齣某一類問題的審題思路、破題人口,求解的步驟及技巧,並在其後附以該類問題的若乾示範例題,供學生揣摩、領會。課文中每則解題技巧與每道例題都按上述四個環節逐步討論(改編版自第6章始),並藉用首字母縮略詞將這種解題方略稱為ISEE方法o H.D.Young認為持之以恒地按ISEE訓練,有利於學生養成思維清晰、條理分明、錶述規範的良好解題習慣,能使學生從麵對習題不知所措過渡為訓練有素,按部就班解題,從而減少失誤,樹立信心。ISEE受到使用西書師生的歡迎,得到物理教學法研究人員的好評,值得我們藉鑒。
那麼,這樣優秀的教材為什麼還要改編呢?
2.改編初衷
改革開放以來,尤其是在倡導雙語教學的21世紀,國內引進齣版的英文物理類教材可稱汗牛充棟。雖然它們對我國教材建設、教學改革以及促進雙語教學功不可沒,但是,由於國情和教學理念的差異,探索雙語教學的同仁們逐漸認識到:即使是優秀的國外一流教材,直接用作雙語課本也未必是最適閤的。筆者自20世紀80年代末,在閤肥工業大學探索物理雙語教學已曆20載,深感直接選用外國優秀教材存在許多不盡人意之處。
首先是質點力學起點過低、展開太細、與中學重復甚多,所有英文原版物理教材概莫能外。以西書11版為例,洋洋灑灑8章326頁,仍明顯未達國內現行大學物理質點力學的深度與難度。教育部最新頒布的《理工科大學物理課程教學基本要求》(以下簡稱“基本要求”)指齣,力學中除角動量、剛體外,“絕大多數概念學生在中學階段已有接觸,故教學中展開應適度,以避免重復感”。顯然,目前的任何一本原版物理教材都與此精神不符。雖然“基本要求”對質點力學的建議學時僅8~10學時,不到課程總學時的10%,但由於該部分排在大學物理教材之首,位居學生接受雙語教學和接觸原版教材之初,低水平的重復容易破壞學生的學習興趣,成為教學中的攔路虎。筆者每輪教學至此都頗費周章,相信業內同仁亦有同感。20世紀80年代中後期國內從事物理雙語教學的許多學校就曾直接刪去力學,從熱學甚至電磁學開講,筆者也曾試過,這當然是無奈之舉。後來在探索中,筆者用幾十頁自撰講義取代原書相應部分,化解瞭這一難題。
按“基本要求”精神,質點力學起點應定位於我國高中畢業生已達之水平。突齣矢量運算與微積分思想方法的應用,提綱挈領地迴顧運動學、動力學、功與能、動量與衝量、機械能與動量守恒定律等知識,並讓學生通過解答涉及變加速度、變力等非用微積分不可的問題,深化認識。這一教案不難移植到雙語教學中,難的是無法在原教材中挑齣適用的章節甚至段落來呼應。作為替代,筆者將全英文的教案寫得盡可能詳細,以多媒體方式在講課中展示,同時印發給學生作為講義。這一教法能達到與國內教材持平的深度。自撰講義雖列為5章,篇幅隻幾十頁,但與建議學時相適應,體現瞭“展開應適度”的精神。講義維持瞭體係的完整,實現瞭與後續內容的銜接,使大刀闊斧地刪減前8章成為可能。由於采用這一教法,閤肥工業大學物理雙語教學近5年效果良好。這便是我們提齣“有刪有補”改編方案的緣起。
嚴謹、深入、前沿:探索現代物理世界的基石 本書導覽:跨越經典與現代的物理學史詩 本書旨在為高等院校理工科學生提供一套全麵、深入且與時俱進的大學物理教材。它不僅涵蓋瞭經典物理學的堅實基礎,更緊密結閤瞭現代物理學的最新進展,為讀者構建一個完整、連貫的物理學知識體係。全書結構嚴謹,邏輯清晰,力求在概念的深度與應用的前沿性之間找到完美的平衡點。 第一部分:宏觀世界的精確描述——經典力學與熱力學 1. 運動的法則與守恒的原理(經典力學核心) 本部分從牛頓運動定律齣發,係統闡述瞭物體在力場中的運動規律。我們著重分析瞭包括直綫運動、麯綫運動、相對運動在內的一切宏觀尺度下的動力學問題。 矢量分析與微積分工具的應用: 強調使用微積分工具精確描述瞬時速度、加速度以及角動量等物理量,為後續深入學習提供必要的數學基礎。 功、能與動量: 深入探討瞭能量守恒和動量守恒這兩個物理學中最基本、最普適的原理。通過對保守力場和非保守力場的分析,展示瞭這些守恒定律在解決復雜係統動力學問題中的強大威力。 剛體運動與振動: 詳細解析瞭剛體的轉動定律、轉動慣量計算以及陀螺運動的復雜性。同時,對簡諧振動、阻尼振動和受迫振動進行瞭詳盡的分析,這是理解波現象和量子力學中微觀粒子行為的基礎。 萬有引力與場論的萌芽: 經典引力理論的建立,為理解宇宙尺度上的相互作用奠定瞭基礎,並為引入場(Field)的概念做瞭鋪墊。 2. 物質的尺度與能量的流動(熱力學與統計力學基礎) 本部分將視角從單個物體的運動擴展到大量粒子的集體行為,並探討瞭能量在係統間的轉化與傳遞。 理想氣體與分子運動論: 從微觀角度解釋瞭宏觀熱力學量的物理意義,推導瞭氣體動理論的基本方程,強調瞭統計平均在描述大量粒子係統中的重要性。 熱力學定律的嚴謹錶述: 詳細闡述瞭熱力學第一、第二和第三定律。重點剖析瞭熵的概念,它不僅是衡量係統無序度的量度,更是決定瞭所有自發過程的方嚮性。卡諾循環和熱機效率的分析,突顯瞭能量轉化的不可逆性。 相變與平衡: 討論瞭平衡態的條件,以及不同相之間的相變過程,如熔化、沸騰和凝華,這些現象是材料科學和化學工程中的核心議題。 第二部分:波、場與電磁世界的統一 3. 電荷的靜止與運動(靜電學與穩恒電流) 電磁學是物理學的第二大支柱,本部分從最基礎的電荷相互作用開始構建起整個電磁場理論框架。 庫侖定律與電場: 引入電荷、電場強度等基本概念,並運用矢量分析處理復雜電荷分布産生的電場問題。 高斯定律與電勢: 高斯定律作為麥剋斯韋方程組的基礎之一,被用於簡化具有高度對稱性的電場計算。電勢的概念則將矢量場問題轉化為標量問題,極大地簡化瞭電能和電勢差的計算。 電容器與介質: 深入探討瞭電容的物理含義,特彆是介質材料對電場的影響,這對於現代電子設備的設計至關重要。 穩恒電流與磁場起源: 引入電流的概念,並探討瞭歐姆定律在電路分析中的應用。畢奧-薩伐爾定律和安培環路定律的引入,標誌著我們開始接觸磁場及其産生機製。 4. 電磁場的動態統一(電磁感應、交流電與麥剋斯韋方程組) 本部分是連接經典物理與現代物理的關鍵橋梁。 法拉第電磁感應定律: 揭示瞭變化的磁場如何産生電動勢,這是發電機和變壓器工作的基本原理。 麥剋斯韋方程組的完整化: 重點講解瞭位移電流的概念,如何通過麥剋斯韋方程組統一瞭電場和磁場,並預言瞭電磁波的存在。 電磁波的傳播: 推導瞭電磁波在真空中和介質中的傳播方程,精確描述瞭光作為一種電磁波的特性,包括波速、能流密度(坡印廷矢量)和動量。 交流電路分析: 運用復數分析方法處理RLC電路的瞬態和穩態響應,為理解諧振現象和電磁波的産生與接收提供工具。 第三部分:微觀世界的革命——現代物理學的開端 5. 光的本質與物質的粒子性(量子論的萌芽) 本部分開始進入20世紀物理學的核心領域,探討經典理論無法解釋的現象。 黑體輻射與普朗剋假設: 從解釋黑體輻射譜的失敗開始,引入能量量子化($E=h
u$)的概念,這是量子力學誕生的標誌性事件。 光電效應與光子概念: 進一步用光子模型解釋瞭光電效應,確立瞭光的粒子性,與經典波動光學形成鮮明對比。 康普頓散射: 利用光子的動量概念成功解釋瞭X射綫散射現象,為光的粒子性提供瞭決定性的實驗證據。 物質波與德布羅意假設: 提齣物質粒子(如電子)也具有波動性($lambda=h/p$),為描述電子在原子內部的行為做好瞭鋪墊。 6. 氫原子結構與量子力學的初步應用 玻爾模型: 雖然是半經典理論,但它成功解釋瞭氫原子光譜的離散譜綫,引入瞭能級和量子數的概念。 不確定性原理: 深入探討瞭海森堡不確定性關係,理解瞭在微觀世界中同時精確測量某些物理量(如位置和動量)是不可能的,這是量子世界的基本限製。 薛定諤方程的引入: 介紹瞭一維勢場中薛定諤方程的基本形式,並將其應用於簡單的勢阱問題,展示瞭如何從波函數中提取粒子的概率分布信息。 本書特色與教學理念 本書的編排緊密結閤瞭現代物理學研究的前沿動態,並通過以下方式強化學習效果: 1. 高度的圖示化支持: 豐富的、精心設計的示意圖和概念圖,幫助學生直觀理解抽象的物理過程和復雜的場分布。 2. 例題與習題的層次化設計: 包含從基礎概念檢驗題到復雜的綜閤應用題,確保學生能夠循序漸進地掌握知識。特彆是為深入學習者設置的挑戰性問題,旨在培養獨立解決復雜物理問題的能力。 3. 強調物理思想而非死記硬背公式: 教學中持續強調物理定律背後的深刻思想和概念聯係,鼓勵學生從第一性原理齣發推導和理解物理現象。 4. 麵嚮工程與科學前沿的連接點: 許多章節末尾的討論部分,會將所學內容與現代技術(如半導體物理、核能、電磁兼容性等)進行簡要聯係,激發學生的學習興趣和應用潛力。 通過對這套係統的學習,讀者將不僅掌握解決經典物理問題的必備技能,更能為深入探究固體物理、信息科學、天體物理等前沿領域打下堅不可摧的理論基礎。本書是緻力於培養未來科學傢和工程師的理想入門讀物。