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出版者:

作者:Walker, James S.

出品人:

页数:576

译者:

出版时间:2009-1

价格:$ 177.33

装帧:

isbn号码:9780321597502

丛书系列:

图书标签:

• 物理学
• 大学物理
• 力学
• 电磁学
• 光学
• 热力学
• 量子力学
• 现代物理
• 习题集
• 物理学教材

物理学：探索宇宙的奥秘 (一部独立于特定教材的导论) 本书简介 引言：对自然的永恒追问 人类对世界的理解，总是始于对身边现象的好奇。为什么苹果会落地？星星为何亘古不变地运行？光是粒子还是波？《物理学：探索宇宙的奥秘》并非一本特定教学工具书的附属读物，而是一部独立、全面、深入浅出的物理学入门与进阶导论。它旨在为读者提供一个坚实的基础，理解支配我们宇宙运行的基本规律，并培养批判性思维和解决复杂问题的能力。本书的编写目标是，无论读者是否有高等数学背景，都能在物理学的宏大叙事中找到自己的位置。 第一部分：经典力学的基石——运动与力的世界 本部分聚焦于牛顿力学的核心原理，这是理解宏观世界运动的基础。 第一章：运动学的描述 我们将从最基础的概念出发：位置、位移、速度和加速度。通过对一维、二维和三维运动的精确数学描述，读者将学会如何量化变化。我们详细探讨了匀变速运动的规律，并引入了矢量分析作为描述空间运动的必备工具。不再局限于课本上的简单抛体运动，本书将深入分析斜抛运动、圆周运动中的向心力与角速度，并用实例展示如何在复杂的交通流或航天器轨道中应用这些原理。 第二章：牛顿的运动定律 本书的核心在于对牛顿三定律的深刻剖析。第一定律（惯性定律）为我们理解参考系的重要性奠定了基础。第二定律（$F=ma$）被视为连接力和运动的桥梁，我们不仅会进行大量的代数计算，更会探讨其矢量本质。第三定律（作用与反作用）将通过实际的推拉、碰撞情景，帮助读者区分系统内力和外力。 第三章：功、能与保守力 能量的概念是物理学中最普适、最强大的工具之一。我们定义功的精确数学表达式，并阐述动能定理。随后，我们转向势能——重力势能、弹性势能，并强调保守力与非保守力的区别。能量守恒定律被视为宇宙中最基本的定律之一，本书将通过复杂的机械系统（如弹簧-振子系统、过山车设计）来展示能量转换的各个方面，确保读者理解机械能守恒的适用边界。 第四章：动量与碰撞 动量（线性动量和角动量）的概念是处理相互作用和碰撞问题的关键。本书详尽讨论了动量守恒定律及其在爆炸和火箭推进中的应用。对于碰撞问题，我们区分了完全弹性碰撞、非弹性碰撞和完全非弹性碰撞，并利用质心参考系来简化复杂的两体碰撞分析。 第五章：振动与波 在掌握了宏观运动后，我们将目光投向周期性的运动。本章深入研究简谐运动（SHM），分析振子的位移、速度和加速度随时间的变化，并探讨阻尼振动和受迫振动（共振现象）。随后，我们将概念拓展至机械波，分析横波与纵波的特性，引入波速、波长、频率和波函数，并讲解波的叠加、反射、折射、干涉与衍射现象。 第二部分：场论的诞生——电磁学的统一 本部分是物理学史上最辉煌的统一之一的展现，从静电现象过渡到光速的极限。 第六章：静电场与高斯定律 本书从库仑定律开始，构建静电力场的概念。我们引入电荷守恒定律，并详细讨论电场强度（$mathbf{E}$）作为矢量场的特性。高斯定律被提升到核心地位，它展示了电场与电荷分布之间的深刻联系，并引导我们解决球对称、平面对称和无限长导线等几何对称性下的场强计算。 第七章：电势与电势能 为了简化对电场的分析，我们引入了标量——电势（$V$）。本书清晰界定电势与电场之间的微分关系（$mathbf{E} = - abla V$），强调势能的相对性。我们将计算各种电荷分布（如电容器、带电球体）的电势，并讨论等势面的概念。 第八章：电容、电流与直流电路 本章将电学从静态引入动态。我们定义电容及其在平行板电容器中的存储能力，并探讨电介质对电容的影响。随后，我们转向电流、电阻和欧姆定律。基尔霍夫定律被系统地介绍和应用，用于分析复杂的多回路直流电路，并探讨电路中的能量耗散（焦耳热）。 第九章：磁场与安培定律 磁场的引入带来了新的复杂性。我们研究永磁体和电流产生的磁场，并引入毕奥-萨伐尔定律进行精确计算。安培定律被视为磁场中的高斯定律，用于解决具有高对称性的电流分布问题。磁场对运动电荷（洛伦兹力）和载流导线的作用力构成了电磁学现象的另一半。 第十章：电磁感应与法拉第定律 法拉第的电磁感应定律揭示了变化的磁场如何产生电流。本书重点分析磁通量的概念，并深入探讨感生电动势。我们将从感应现象过渡到楞次定律（能量守恒在电磁感应中的体现），并详细分析电感器、自感和互感，最终引向交流电路中RLC电路的暂态与稳态分析。 第十一章：麦克斯韦方程组与电磁波 本书的这一高潮部分，将前面所有电磁学定律整合成简洁而完备的麦克斯韦方程组。我们将讨论位移电流的革命性意义，并推导出电磁波的存在性。我们详细分析电磁波的性质——横波、在真空中以光速传播——并探讨其能流密度（坡印亭矢量）和电磁波谱的各个波段。 第三部分：近代物理学的黎明——时空、量子与原子 本部分探索了20世纪物理学带来的范式转变，挑战了我们对绝对时空和物质结构的传统认知。 第十二章：狭义相对论 爱因斯坦的狭义相对论基于两条基本假设：光速不变原理和相对性原理。本书将详细推导洛伦兹变换，而非简单陈述。读者将理解时间膨胀、长度收缩是观测者的相对效应，并学习如何运用四维时空概念。质能等价原理（$E=mc^2$）的推导及其对核物理的深远影响将得到充分阐述。 第十三章：光与物质的粒子性——量子力学的开端 本章回顾了经典物理在解释黑体辐射、光电效应和康普顿散射等现象上的失败。通过对这些实验的深入分析，我们确立了光的粒子性（光子）的概念。物质波（德布罗意波）的提出，标志着波粒二象性的全面确立。 第十四章：量子力学的基本概念 我们转向对原子结构的现代理解。本书将介绍薛定谔方程（定态和含时），虽然不要求读者进行复杂的数学求解，但会重点解释波函数的物理意义（概率解释）。玻尔模型被用作历史过渡，而氢原子光谱的量子力学解释则展示了该理论的巨大成功。不确定性原理被视为对经典确定性的根本挑战。 第十五章：原子结构与激光 本章深入研究多电子原子的能级结构，包括泡利不相容原理和洪特规则。我们探讨了X射线光谱和特征X射线的产生。随后，我们详细解析激光的工作原理——受激辐射、粒子数反转和共振腔，并列举激光在科学和工业中的广泛应用。 第四部分：物质的宏观性质与热力学 本部分从微观的分子运动出发，构建描述宏观热现象的统计物理和热力学框架。 第十六章：气体动力学理论 我们将气体视为大量分子的集合，通过统计方法推导宏观量（如压力、温度）与微观量（分子平均速率）之间的关系。麦克斯韦速率分布将详细解释不同温度下分子速度的弥散情况。 第十七章：热力学定律 热力学第一定律（能量守恒在热过程中的体现）和第二定律（熵增原理的不可逆性）是本章的重点。我们分析卡诺循环和热机效率的理论极限。熵的概念将被赋予深刻的统计意义，帮助读者理解为什么自然过程总是朝着更无序的方向发展。热力学第三定律和绝对零度的不可达到性也将被讨论。 结论：物理学的边界与未来 本书的最后一部分将简要展望现代物理学的前沿领域，如凝聚态物理、粒子物理标准模型以及宇宙学的最新发现（暗物质、暗能量）。其目的在于激发读者将所学知识应用于更广阔的科学图景中，理解物理学是一门永不停止探索的动态学科。 本书特色 概念先行，数学为辅： 严格的数学推导与清晰的物理图像并重，确保对原理的深刻理解而非盲目套用公式。 实验驱动： 每一关键理论的建立都追溯到支撑它的关键实验，强调物理学作为一门实验科学的本质。 问题解决导向： 书中包含大量精心设计的范例题和练习题，涵盖从基础计算到复杂系统分析的各个层面，旨在培养读者的实际操作能力。 跨学科视野： 贯穿始终地展示物理学与其他科学（化学、工程、生物学）的交叉点。

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