大學物理學(第3版)C7版‧上冊（簡體書）

這部《大學物理學》（第三版）含力學篇、熱學篇，電磁學篇、光學篇和量子物理篇，共5篇。

本書自第一版與第二版問世以來，已被多所院校用作教材。根據使用過此書的教師與學生以及其他讀者的反映，也考慮到近幾年物理教學的發展動向，本書推出第三版。第三版內容的撰寫與修改仍延續了第二版的科學性和系統性的特點，保持了原有的體系和風格，並在第二版的基礎上，增加、拓寬了一些內容。

本書內容完全涵蓋了2006年我國教育部發布的“非物理類理工學科大學物理課程基本要求”。書中各篇對物理學的基本概念與規律進行了正確明晰的講解。講解基本上都是以最基本的規律和概念為基礎，推演出相應的概念與規律。筆者認為，在教學上應用這種演繹邏輯更便於學生從整體上理解和掌握物理課程的內容。

力學篇是以牛頓定律為基礎展開的。除了直接應用牛頓定律對問題進行動力學分析外，還引入了動量、角動量、能量等概念，並著重講解相應的守恆定律及其應用。除慣性系外，還介紹了利用非慣性系解題的基本思路，剛體的轉動、振動、波動這三章內容都是上述基本概念和定律對於特殊系統的應用。

電磁學篇按照傳統講法，講述電磁學的基本理論，包括靜止和運動電荷的電場，運動電荷和電流的磁場，介質中的電場和磁場，電磁感應，電磁波等。電磁學的講述未止於麥克斯韋方程組，而是繼續講述了電磁波的發射機制及其傳播特徵等。

熱學篇的講述是以微觀的分子運動的無規則性這一基本概念為基礎的。除了闡明經典力學對分子運動的應用外，特別引入並加強了統計概念和統計規律，包括麥克斯韋速率分佈律的講解。對熱力學第一定律也闡述了其微觀意義。對熱力學第二定律是從宏觀熱力學過程的方向性講起，說明方向性的微觀根源，並利用熱力學概率定義了玻耳茲曼熵並說明了熵增加原理，然後再進一步導出克勞修斯熵及其計算方法。這種講法最能揭露熵概念的微觀本質，也便於理解熵概念的推廣應用。

光學篇以電磁波和振動的疊加的概念為基礎，講述了光電干涉和衍射的規律。第24章光的偏振講述了電磁波的橫波特徵。然後，根據光電波動性在特定條件下的近似特徵——直線傳播，講述了幾何光學的基本定律及反射鏡和透鏡的成像原理。

前言大學物理學（第三版）以上力學、電磁學、熱學、光學各篇的內容基本上都是經典理論，但也在適當地方穿插了量子理論的概念和結論以便相互比較。

量子物理篇先介紹狹義相對論，狹義相對論的講解以兩條基本假設為基礎，從同時性的相對性這一“關鍵的和革命的”（楊振寧語）概念出發，逐漸展開得出各個重要結論。這種講解可以比較自然地使學生從物理上而不只是從數學上弄懂狹義相對論的基本結論。然後是從波粒二象性出發以定態薛定諤方程為基礎講解量子物理。介紹了原子、分子和固體中電子的運動規律以及核物理的知識。關於教學要求中的擴展內容，如基本粒子和宇宙學的基本知識是在“今日物理趣聞K”和“今日物理趣聞H”欄目中作為現代物理學前沿知識介紹的。

本書除了5篇基本內容外，還開闢了“今日物理趣聞”欄目，介紹物理學的近代應用與前沿發展，而“科學家介紹”欄目用以提高學生素養，鼓勵成才。

本書各章均配有思考題和習題，以幫助學生理解和掌握已學的物理概念和定律或擴充一些新的知識。這些題目有易有難，絕大多數是實際現象的分析和計算。題目的數量適當，不以多取勝。也希望學生做題時不要貪多，而要求精，要真正把做過的每一道題從概念原理上搞清楚，並且用盡可能簡潔明確的語言、公式、圖像表示出來，需知，對一個科技工作者來說，正確地書面表達自己的思維過程與成果也是一項重要的基本功。

本書在保留經典物理精髓的基礎上，特別注意加強了現代物理前沿知識和思想的介紹。本書內容取材在註重科學性和系統性的同時，還注重密切聯繫實際，選用了大量現代科技與我國古代文明的資料，力求達到經典與現代，理論與實際的完美結合。

本書在量子物理篇中專門介紹了近代（主要是20世紀30年代）物理知識，並在其他各篇適當介紹了物理學的最新發展，同時為了在大學生中普及物理學前沿知識以擴大其物理學背景，在“今日物理趣聞”專欄中，分別介紹了“基本粒子”、“大爆炸和宇宙膨脹”、“能源與環境”、“等離子體”、“超導電性”、“激光應用二例”、“新奇的納米技術”等專題。這些都是現代物理學以及公眾非常關心的題目。本書所介紹的趣聞有的已伸展到最近幾年的發現，這些“趣聞”很受學生的歡迎，他們拿到新書後往往先閱讀這些內容。

物理學很多理論都直接聯繫著當代科技乃至人們的日常生活。教材中列舉大量實例，既能提高學生的學習興趣，又有助於對物理概念和定律的深刻理解以及創造性思維的啟迪。本書在例題、思考題和習題部分引用了大量的實例，特別是反映現代物理研究成果和應用的實例，如全球定位系統、光盤、宇宙探測、天體運行、雷達測速、立體電影等。同時還大量引用了我國從古到今技術上以及生活上的有關資料，例如古籍《宋紀要》關於“客星”出沒的記載，北京天文台天線陣，長征火箭，神舟飛船，天壇祈年殿，黃果樹瀑布，阿迪力走鋼絲，本人抖空竹，1976年唐山地震，1988年特大洪災，等。這些例子體現了民族文化，可以增強學生對物理的“親切感”，而且有助於學生的民族自豪感和責任心的提升。

物理教學除了“授業”外，還有“育人”的任務。為此本書介紹了十幾位科學大師的事蹟，簡要說明了他們的思想境界、治學態度、開創精神和學術成就，以之作為學生為人處世的借鑒。在此我還要介紹一下我和帕塞爾教授的一段交往。帕塞爾教授是哈佛大學教授，1952年因對核磁共振研究的成果榮獲諾貝爾物理學獎。我於1977年看到他編寫的《電磁學》，深深地為他的新講法所折服。用他的書講述兩遍後，於1987年貿然寫信向他請教，沒想到很快就收到他的回信（見附圖）和贈送給我的教材（第二版）及習題解答。他這種熱心幫助一個素不相識的外國教授的行為使我非常感動。

帕塞爾《電磁學》（第二版）封面

本書作者與帕塞爾教授合影（1993年）

帕塞爾回信複印件

他在信中寫道“本書170～171頁關於L. Page的註解改正了第一版的一個令人遺憾的疏忽。1963年我寫該書時不知道Page那篇出色的文章，我並不認為我的講法是原創的——遠不是這樣——但當時我沒有時間查找早先的作者追溯該講法的歷史。現在既然你也喜歡這種講法，我希望你和我一道在適當時機宣揚Page的1912年的文章。”一位物理學大師對自己的成就持如此虛心、謙遜、實事求是的態度使我震撼。另外他對自己書中的疏漏（實際上有些是印刷錯誤）認真修改，這種嚴肅認真的態度和科學精神也深深地教育了我。帕塞爾這封信所顯示的作為一個科學家的優秀品德，對我以後的為人處世治學等方面都產生了很大影響，始終視之為楷模追隨仿效，而且對我教的每一屆學生都要展示帕塞爾的這一封信對他們進行教育，收到了很好的效果。

本書的撰寫和修訂得到了清華大學物理系老師的熱情幫助（包括經驗與批評），也採納了其他兄弟院校的教師和同學的建議和意見。此外也從國內外的著名物理教材中吸取了很多新的知識、好的講法和有價值的素材。這些教材主要有：新概念物理教程（趙凱華等），Feyman Lectures on Physics，Berkeley Physics Course（Purcell EM, Reif F, et al.），The Manchester Physics Series（Mandl F, et al.），Physics（Chanian H C.），Fundamentals of Physics（Resnick R），Physics（Alonso M et al.）等。

對於所有給予本書幫助的老師和學生以及上述著名教材的作者，本人在此謹致以誠摯的謝意。清華大學出版社諸位編輯對第三版雜亂的原稿進行了認真的審閱和編輯，特在此一併致謝。

張三慧

於清華園

第1篇力學

第1章運動學kinematics質點運動學particle kinematics質點運動學3

1.1參考系參考系3

1.2質點的質點的位矢position vector位矢、位移displacement位移和速度7

1.3加速度加速度11

1.4勻加速運動勻加速運動15

1.5拋體運動projectile motion拋體運動17

1.6圓周運動圓周運動20

1.7相對運動relative motion相對運動24

提要26

思考題27

習題28

科學家介紹伽利略31

第2章運動與力33

2.1牛頓牛頓運動定律Newton's laws of motion牛頓運動定律33

2.2常見的幾種力37

*2.3基本的自然力40

2.4應用牛頓牛頓定律解題42

2.5非慣性系非慣性慣性係與慣性慣性力慣性力47

*2.6科里奧利力50

*2.7潮汐潮汐53

提要57

思考題58

習題60

科學家介紹牛頓66

第3章動量動量與角動量角動量動量68

3.1衝量impulse衝量與動量動量定理動量定理68

3.2動量動量守恆定律動量守恆定律71

3.3火箭火箭飛行原理74

3.4質心75

3.5質心運動定理質心運動定理77

3.6質點的質點的角動量角動量動量和動量動量定理角動量定理角動量定理81

3.7動量動量守恆定律角動量守恆定律角動量守恆定律83

3.8質點系的動量動量定理角動量定理角動量定理85

3.9質心參考系參考系中的角動量角動量動量87

提要88

思考題89

習題90

科學家介紹開普勒93

第4章功work功和能94

4.1功功94

4.2動能動能定理theorem of kinetic energy動能定理97

4.3勢能勢能100

4.4引力引力勢能勢能102

4.5由勢能勢能求保守力保守力104

4.6機械能機械能守恆定律機械能守恆定律105

4.7守恆定律的意義111

4.8碰撞碰撞112

*4.9兩體問題117

4.10流體流體的穩定流動的穩定流動119

4.11伯努利方程伯努利方程120

提要124

思考題125

習題127

今日物理趣聞A奇妙的對稱性131

A.1對稱美131

A.2對稱性對稱性種種133

A.3物理定律的對稱性對稱性134

A.4宇稱宇稱守恆與不守恆不守恆134

A.5自然界的自然界的不對稱不對稱現象136

A.6關於時間的時間的對稱性對稱性137

第5章剛體剛體的剛體的轉動轉動139

5.1剛體剛體轉動轉動的描述139

5.2轉動轉動定律141

5.3轉動轉動慣量轉動慣量的計算143

5.4轉動轉動定律的應用146

5.5角動量角動量動量守恆149

5.6轉動中的轉動轉動中的功和能152

*5.7進動156

提要158

思考題159

習題161

第2篇電磁學第6章靜電場167

6.1電荷167

6.2庫侖定律與疊加原理170

6.3電場和電場強度172

6.4靜止的點電荷的電場及其疊加174

6.5電場線和電通量179

6.6高斯定律181

6.7利用高斯定律求靜電場的分佈182

提要186

思考題187

習題188

第7章電勢192

7.1靜電場的保守性192

7.2電勢差和電勢194

7.3電勢疊加原理196

7.4電勢梯度199

7.5電荷在外電場中的靜電勢能201

*7.6電荷系的靜電能202

7.7靜電場的能量204

提要206

思考題207

習題207

第8章靜電場中的導體211

8.1導體的靜電平衡條件211

8.2靜電平衡的導體上的電荷分佈212

8.3有導體存在時靜電場的分析與計算213

8.4靜電屏蔽215

*8.5唯一性定理216

提要219

思考題219

習題220

今日物理趣聞B大氣電學222

B.1晴天大氣電場大氣電場222

B.2雷暴雷暴的電荷和電場224

B.3閃電227

第9章靜電場中的電介質230

9.1電介質對電場的影響230

9.2電介質的極化231

9.3D的高斯定律234

9.4電容器和它的電容238

9.5電容器的能量241

提要243

思考題244

習題244

第10章恆定電流249

10.1電流和電流密度249

10.2恆定電流與恆定電場251

10.3歐姆定律和電阻252

10.4電動勢255

10.5有電動勢的電路256

*10.6電容器的充電與放電259

10.7電流的一種經典微觀圖像260

提要263

思考題264

習題264

第11章磁場和它的源267

11.1磁力與電荷的運動267

11.2磁場與磁感應強度268

11.3畢奧薩伐爾定律271

*11.4勻速運動點電荷的磁場276

11.5安培環路定理277

11.6利用安培環路定理求磁場的分佈280

11.7與變化電場相聯繫的磁場282

*11.8電場和磁場的相對性和統一性285

提要286

思考題287

習題288

科學家介紹麥克斯韋291

第12章磁力294

12.1帶電粒子在磁場中的運動294

12.2霍爾效應296

12.3載流導線在磁場中受的磁力298

12.4載流線圈在均勻磁場中受的磁力矩299

12.5平行載流導線間的相互作用力302

提要304

思考題305

習題306

今日物理趣聞C等離子體311C.1物質的第四態311

C.2等離子體等離子體內的磁場磁場313

C.3磁場磁場對等離子體等離子體的作用314

C.4熱核反應熱核反應315