大学物理

本书按照教育部高等学校大学物理课程教学指导委员会编制的《理工科类大学物理课程教学基本要求 理工科类大学物理实验课程教学基本要求》（2023年版）的规定，基于问题提出、问题探究、逻辑推理或实验验证、技术应用和评价反思的“五段式”教学模式，组织编写内容。 本书共15个单元，主要内容包括质点运动学、质点动力学、刚体的转动、机械振动、机械波、真空中的静电场、静电场中的导体与电介质、稳恒磁场、变化的电磁场 电磁波、气体动理论、热力学基础、几何光学、波动光学、狭义相对论和广义相对论、量子力学基础。各单元后设计有思考与探究，方便学生自主巩固练习。 本书由校企“双元”联合开发，体现以生为本，强调工学结合，注重落实课程思政和信息化资源配套，可作为本科层次职业院校和应用型本科院校“大学物理”课程的教学用书。

单元1 质点运动学11.1　运动概述21.1.1 参照系、运动的相对性、质点21.1.2　时间、空间31.1.3　位置矢量、位移、路程41.1.4　速度、速率、加速度51.2　自由落体运动81.2.1　伽利略对自由落体运动的研究81.2.2　匀加速直线运动方程91.2.3　自由落体运动方程101.3　抛物运动131.3.1 平抛运动131.3.2 斜抛运动141.4　圆周运动171.5　相对运动21思考与探究25单元2 质点动力学272.1　牛顿运动定律282.1.1 运动状态发生变化的原因282.1.2 牛顿第一定律282.1.3 牛顿第二定律302.1.4 牛顿第三定律302.2　开普勒定律352.3　万有引力定律362.3.1 万有引力定律的推导362.3.2 引力常量的测量372.4　动量定理 动量守恒定律452.4.1 人类对动量的研究452.4.2 动量定理462.4.3 动量守恒定律482.4.4 密歇尔斯基公式与齐奥尔科夫斯基公式512.5　功 动能定理542.5.1 功542.5.2 动能定理572.6　势能 能量守恒592.6.1 势能592.6.2 能量守恒612.7　碰撞652.7.1 碰撞的过程和分类652.7.2 碰撞定律66思考与探究69单元3 刚体的转动723.1　刚体运动733.1.1 刚体运动的两种形式733.1.2 刚体的定轴转动733.2　转动定律753.2.1 力对转轴的力矩763.2.2 转动定律的推导763.2.3 平行轴定理和正交轴定理793.3　刚体转动的功和能813.3.1 刚体转动的功、功率823.3.2 刚体转动的动能823.3.3 刚体定轴转动的动能定理833.4　角动量 角动量守恒定律853.4.1 角动量853.4.2 角动量定理863.4.3 角动量守恒定律873.5　刚体的平面运动913.5.1 刚体平面运动的分解923.5.2 刚体纯滚动运动923.6　陀螺仪953.6.1 陀螺仪的起源953.6.2 陀螺仪的定向性963.6.3 陀螺的回转效应97思考与探究98单元4 机械振动1004.1　简谐振动1014.1.1 简谐振动的定义1014.1.2 单摆的运动1014.1.3 弹簧振子的运动1044.2　阻尼振动 受迫振动 共振1064.2.1 阻尼振动1074.2.2 受迫振动和共振1084.3　振动的合成与频谱分析1104.3.1 同方向、同频率简谐振动的合成1104.3.2 同方向、不同频率简谐振动的合成1124.3.3 相互垂直简谐振动的合成1134.3.4 振动的频谱分析115思考与探究116单元5 机械波1185.1　机械波的产生、分类与物理量1195.1.1 机械波的产生1195.1.2 机械波的分类1205.1.3 描述波动的物理量1215.1.4 波线 波面 波前1225.2　平面简谐波1235.2.1 平面简谐波的波函数1235.2.2 波的能量1275.2.3 能流和能流密度1295.3　惠更斯原理和波的衍射1305.3.1 惠更斯原理1305.3.2 波的衍射1315.4　波的叠加原理 波的干涉1315.4.1 波的叠加原理1325.4.2 波的干涉1325.4.3 驻波1335.5　多普勒效应1365.5.1 波源静止，观测者运动1365.5.2 观测者静止，波源运动1375.5.3 波源和观测者同时相对于介质运动1385.5.4 冲击波139思考与探究139单元6 真空中的静电场1416.1　静电力1426.1.1 摩擦起电1426.1.2 电荷1436.1.3 库仑定律1456.2　静电场 电场强度1466.2.1 静电场1476.2.2 电场强度1476.3　电场线 电通量 高斯定理1506.3.1 电场线1506.3.2 电通量1516.3.3 高斯定理1526.4　静电场的环路定理 电势1556.4.1 静电场的环路定理1556.4.2 电势1566.4.3 等势面1586.4.4 场强与电势的关系159思考与探究160单元7 静电场中的导体与电介质1627.1　静电场中的导体1637.1.1 静电感应与静电平衡1637.1.2 静电平衡状态时导体上电荷的分布1647.1.3 静电屏蔽1677.2　电容和电容器1687.2.1 孤立导体的电容1697.2.2 电容器1697.3　静电场中的电介质1717.3.1 电介质对静电场的影响1727.3.2 电介质的极化1727.3.3 电介质中的安培环路定理和高斯定理1747.4　静电场的能量1767.4.1 电容器的电能1767.4.2 电能密度176思考与探究178单元8 稳恒磁场1808.1　磁场 磁感应线 磁感应强度1818.1.1 磁场1818.1.2 磁感应线1828.1.3 磁感应强度184 8.2　毕奥-萨伐尔定律1858.3　磁场的高斯定理 安培环路定理1898.3.1 磁通量1898.3.2 磁场的高斯定理1898.3.3 磁场的安培环路定理1908.4　磁场对载流导体的作用1938.4.1 安培定律1938.4.2 载流导体在磁场中的安培力1948.5　磁场对运动带电粒子的作用1988.5.1 带电粒子在横向磁场中的圆周运动1988.5.2 带电粒子在磁场中的螺旋线运动2018.5.3 霍尔效应2038.6　磁场中的磁介质2058.6.1 磁介质及其分类2058.6.2 磁介质中的高斯定理和安培环路定理206思考与探究207单元9 变化的电磁场 电磁波2109.1　电磁感应2119.1.1 电磁感应现象2119.1.2 法拉第电磁感应定律2119.1.3 楞次定律2129.2　动生电动势 感生电动势2139.2.1 动生电动势2139.2.2 感生电动势2159.3　自感 互感 磁场的能量2179.3.1 自感2179.3.2 互感2189.3.3 磁场的能量2199.4　位移电流 麦克斯韦方程 电磁波2209.4.1 位移电流2209.4.2 麦克斯韦方程2219.4.3 电磁波2229.4.4 电磁波谱224思考与探究225单元10 气体动理论22710.1　气体分子热运动22810.1.1 分子热运动的概念22810.1.2 布朗运动22810.1.3 气体分子热运动的统计规律22810.2　理想气体压强22910.2.1 气体分子动理论的基本假设22910.2.2 理想气体压强公式23010.3　麦克斯韦速率分布律23210.3.1 速率分布函数23210.3.2 麦克斯韦速率分布函数23310.3.3 麦克斯韦速率分布律的试验验证23410.4　理想气体的平均动能23510.4.1 自由度23510.4.2 能量均分原理23610.4.3 理想气体的内能23710.4.4 温度的微观解释23710.4.5 理想气体状态方程23810.4.6 范德瓦耳斯方程24010.5　气体分子的平均自由程24210.5.1 平均碰撞频率24210.5.2 气体平均自由程的计算242思考与探究243单元11 热力学基础24411.1　热力学系统及其状态的改变24511.1.1 热力学系统24511.1.2 热力学系统状态的改变24511.2　热力学第一定律24711.2.1 能量传递的研究历程24811.2.2 热力学第一定律的定义24911.2.3 热力学第一定律的应用24911.3　循环过程 卡诺循环25411.3.1 循环过程25411.3.2 卡诺循环25611.4　热力学第二定律 卡诺定理25811.4.1 热力学第二定律的两种表述25811.4.2 可逆过程与不可逆过程25911.4.3 卡诺定理26011.5　熵 熵增原理26111.5.1 熵26111.5.2 熵变的计算26211.5.3 熵增原理264思考与探究264单元12 几何光学26512.1　光的反射和折射26612.1.1 反射定律和折射定律26612.1.2 折射率26712.1.3 全反射26712.2　透镜26912.2.1 透镜的种类和结构27012.2.2 实像与虚像 实物与虚物27012.2.3 光在球面上的折射成像27112.2.4 近轴光线条件下的薄透镜成像27312.2.5 薄透镜成像的作图法275思考与探究277单元13 波动光学27813.1　光的干涉27913.1.1 光波 光的相干性27913.1.2 光程 光程差28013.1.3 杨氏双缝干涉实验28113.1.4 劳埃德镜干涉28413.1.5 薄膜干涉28513.1.6 劈尖干涉28713.1.7 牛顿环28813.2　光的衍射29013.2.1 光的衍射现象29013.2.2 惠更斯-菲涅耳原理29113.2.3 夫琅禾费单缝衍射29113.2.4 夫琅禾费圆孔衍射29313.2.5 衍射光栅29513.2.6 X射线衍射29913.3　光的偏振30013.3.1 自然光 偏振光30013.3.2 起偏与检偏 马吕斯定律30113.3.3 布儒斯特定律302思考与探究304 单元14 狭义相对论和广义相对论30714.1　经典力学相对性原理 经典力学定律的不变性30814.1.1 经典力学相对性原理30814.1.2 经典力学定律的不变性30814.2　伽利略变换式 经典力学的绝对时空观30914.2.1 伽利略变换式30914.2.2 经典力学的绝对时空观31114.3　以太参考系 迈克尔孙-莫雷实验31114.3.1 以太参考系31114.3.2 迈克尔孙-莫雷实验31214.4　狭义相对论的基本假设 洛伦兹变换31414.4.1 狭义相对论的基本假设31414.4.2 洛伦兹变换31414.5　狭义相对论的时空观31614.5.1 同时的相对性31714.5.2 长度收缩31814.5.3 时间延缓效应31914.6　相对论动量与能量32014.6.1 动量与速度的关系32114.6.2 狭义相对论力学的基本方程32114.6.3 质量与能量的关系32214.6.4 动量与能量的关系32414.7　广义相对论简介32514.7.1 广义相对论的等效原理32514.7.2 引力场中光线的弯曲32514.7.3 引力红移32614.7.4 黑洞327思考与探究328单元15 量子力学基础32915.1　热辐射 黑体和黑体辐射33015.1.1 温度与颜色关系的早期应用33015.1.2 热辐射33015.1.3 黑体和黑体辐射33015.2　光的波粒二象性33315.2.1 光电效应实验33315.2.2 爱因斯坦光子理论33415.2.3 康普顿散射33515.2.4 光的波粒二象性试验33615.3　氢原子模型33715.3.1 氢原子光谱33715.3.2 卢瑟福的原子有核模型33815.3.3 玻尔原子模型33915.3.4 弗兰克-赫兹实验34115.4　微观粒子的波粒二象性34215.4.1 德布罗意波34215.4.2 不确定性关系34415.4.3 薛定谔方程与玻恩的统计诠释345思考与探究346参考文献348