物理學‧卷2：電磁學、光學與近代物理(翻譯版‧原書第4版)（簡體書）

本書基於美國物理教育的研究成果，突出地體現了以學生為本的理念其內容涵蓋了經典和近代物理。本卷主要包括電磁學、光學和近代物理等內容。本書可作為大學文科專業、醫學專業、生物專業，以及廣大中學生的教材或教學參考書。

前言本書用於兩學期的大學物理課程，需要學生具備代數和幾何方面的數學知識。我們寫作此書的主要目標為：
● 向學生介紹學習其他課程和未來工作中必須具備的基本物理概念。
● 強調物理學是認識真實世界的工具。
● 教授可使學生受益終身的、用途廣泛的解決問題的方法。
在闡述全書主題的過程之中，我們始終將上述目標銘記於心。
本版的改進之處儘管本書的基本原則一以貫之，但是使用過前三版的教師和學生們對本書提出的詳盡建議和反饋，促使我們不斷更細緻地改進（講授）方法。第4版所做的一些最重要的改進如下：
● 為了使學生了解他們正在學習的物理與今後工作的聯繫，第4版章後題目中新增加了111處涉及生物醫學方面的應用，12個生物醫學的例題，10處關於生物醫學方面應用的文字討論。
● 各章首頁羅列了本章所提供的物理學在生物醫學方面的應用。
● 在檢測題、練習題和章後題目中增加了89個排序題。
● 新增了一些檢測題，使學生們在讀書時有更多的機會暫停下來，檢查對於所學新概念的理解。
● 每章都配置了一套合作題，供學生小組合作解題之用。
● 擴展和加強了鏈接內容，以開闊學生視野，讓學生們發現一個新概念或許就是以前引入的某個概念的拓展、應用或特殊形式。其目的在於使學生領悟：物理學將為數不多的一系列基本概念應用於眾多不同的情景，它不是彼此間缺乏聯繫的事實或方程的堆積。
● 以前版本中的大部分旁注現被併入正文，以便更流暢地表達思想，減少雜亂的表述。
● 適用於學生反饋系統的選擇題被冠以“應答器（Clicker）”標記。偶數號選擇題目沒有給出答案，以供教師利用應答器檢測學生的學習效果之用。
各章的一些改動如下：
第1章擴展了通用解題指導部分的內容。
第2章2.1節中介紹力是物體間相互作用時，明確地指出要參考牛頓第三定律。更加突出了對於力的識別：要求學生分辨施力物體和受力物體。增加了一個鏈接，以加強牛頓運動定律中的主題，即在求合力的時候，無論什麼種類的力作用於物體上，均按相同的方法相加（矢量加法）。
第3章較早地引入了運動圖，並充分使用。通過檢測題、例題、練習題和章後題目要求學生們建立或解釋運動圖。
第4、5章繼續強調運動圖。在其他描述方法（圖像或方程）之前，通過運動圖，引入勻加速運動。第4章中增加了一個鏈接，對g（引力場強度）的表面上看來不同的解釋進行了說明。
第6章增加了解題方法專欄，說明如何選用不同的解題方法（能量或牛頓運動定律）。更加簡單和直觀地解釋了“為什麼引力勢能等於引力功的負值”。本章中更多地使用了能量曲線。
第7章現在包含了對投影心博計的文字討論。
第11章討論了動物怎樣通過地震波互相聯絡和感受環境。簡化了關於乾涉和相位差的表述。
第12章擴展了關於各種動物可感知的聲波頻率範圍的討論。更加直接地講述了（非相對論）多普勒效應，強調了波對於波源和觀察者的相對速度。增加了關於多普勒效應解題方法的專欄。
第16、17章增加了對水、DNA和蛋白質中氫鍵的描述。將氫鍵簡化為點電荷間的相互作用，該模型使學生可以估測其中力的大小和氫鍵的結合能。第16章中還加入了關於凝膠電泳的討論。
第18章加強了對水的電阻率及其如何強烈地依賴於離子濃度的討論。
第19章右手定則的圖示更清晰，並引入了與之等效的右手螺旋法則。關於迴旋加速器工作原理的解釋更明確。
第22章通過證明電磁波的存在，說明電場和磁場是真實的，而更加清楚地解釋了麥克斯韋對於統一電和磁規律的貢獻。本章包含了對動物感知紅外以及紫外暴露引起的生物效應的討論，並改進了偏振片工作原理的講述。
第23章簡化了關於乾涉相長和乾涉相消相位差的討論。
第27章給出了其他模式的放射性衰變，例如：質子發射、雙b發射。討論了2011 年日本東北海嘯引發的福島核電站事故。
第28章簡明地敘述了宇宙膨脹和Higgs場。
綜合覆蓋學生通過本書能夠了解整體物理知識。我們將以前的版本用作學生們最初的學習資源，在自己的課程中對此進行了測試。不過，在更傳統的教室環境中應用此教材，其所具有的完整性和清晰性同樣是優勢。使用本書時，教師不必面面俱到，可以根據學生需求—這個更重要的因素確定課時講解例題，指導學生開展同伴教學及合作學習，講述應用或進行演示，以加強他們對較難概念的理解。
概念優先的教學方法大學物理課程的一些初學者錯誤地認為學習物理學就是記住一長串的方程並且具備將數字代入其中的能力。我們要幫助學生明白：為數不多的基本物理概念可以廣泛地用於多種情景。物理教育研究已經表明：學生不能自動地獲得概念性的認識，概念必須被講解，學生才有機會掌握它們。我們呈現給大家的這套教材，基於我們多年對本課程的教學工作，將概念理解與分析技巧結合在一起。這種“概念優先”的方法幫助學生建立起對於物理學的直覺；那些“公式”和解題技能不過是應用概念的工具。書中的概念例題、概念練習題，以及各章後

目錄

譯者序
前言

第16章電力與電場1
16.1電荷2
16.2導體與絕緣體6
16.3庫侖定律10
16.4電場12
16.5均勻電場中點電荷的運動16
16.6導體的靜電平衡20
16.7電場的高斯定理23
第17章電勢32
17.1電勢能33
17.2電勢36
17.3電場與電勢的關係42
17.4運動電荷的能量守恆45
17.5電容器46
17.6電介質49
17.7電容器儲存的能量54
第18章電流與電路64
18.1電流65
18.2電動勢與電路66
18.3金屬中電流的微觀圖像：自由電子模型68
18.4電阻與電阻率70
18.5基爾霍夫定律76
18.6串聯與並聯電路77
18.7利用基爾霍夫定律進行電路分析82
18.8電路中的功率與能量84
18.9電流與電壓的測量85
18.10RC電路87
18.11用電安全90
綜合複習：第16～18章100
第19章磁力與磁場103
19.1磁場104
19.2點電荷受到的磁力107
19.3垂直於勻強磁場運動的帶電粒子110
19.4 帶電粒子在勻強磁場中的運動：一般情況114
19.5 在相互垂直的電場E和磁場B中的帶電粒子115
19.6載流導線受到的磁力118
19.7載流線圈受到的力矩120
19.8電流激發的磁場124
19.9安培定理128
19.10磁介質130
第20章電磁感應139
20.1動生電動勢140
20.2發電機142
20.3法拉第定律146
20.4楞次定律150
20.5電動機中的反電動勢153
20.6變壓器153
20.7渦電流155
20.8感應電場156
20.9電感157
20.10LR電路160
第21章交流電170
21.1 正弦電流與電壓：交流電路中的電阻元件171
21.2家庭用電174
21.3交流電路中的電容元件175
21.4交流電路中的電感元件178
21.5RLC串聯電路180
21.6RLC諧振電路184
21.7交直流轉換濾波器186
綜合複習：第19～21章192

第22章電磁波195
22.1麥克斯韋方程組與電磁波196
22.2天線197
22.3電磁波譜199
22.4真空及介質中電磁波的速度203
22.5真空中電磁行波的性質207
22.6電磁波傳播的能量209
22.7偏振212
22.8電磁波的多普勒效應219
第23章干涉與衍射225
23.1波陣面、波線和惠更斯原理226
23.2相長干涉與相消干涉228
23.3邁克爾遜干涉儀232
23.4薄膜234
23.5楊氏雙縫實驗239
23.6光柵243
23.7衍射與惠更斯原理246
23.8單縫衍射247
23.9衍射與光學儀器的分辨本領250
23.10X射線衍射253
23.11全息照相254
綜合複習：第22～23章261

第24章相對論262
24.1相對論的假設263
24.2同時性與理想的觀察者266
24.3時間膨脹268
24.4長度收縮271
24.5不同參考系中的速度273
24.6相對論動量275
24.7質量與能量277
24.8相對論動能279
第25章光子與早期的量子物理287
25.1量子化288
25.2黑體輻射288
25.3光電效應289
25.4X射線的產生294
25.5康普頓散射295
25.6光譜與早期原子模型297
25.7氫原子的玻爾模型原子能級300
25.8對的產生與湮滅306
第26章量子物理313
26.1波粒二象性314
26.2物質波315
26.3電子顯微鏡318
26.4不確定原理319
26.5束縛粒子的波函數321
26.6氫原子：波函數和量子數323
26.7 不相容原理原子中電子的排布（除氫原子外）325
26.8固體中的電子能級328
26.9激光329
26.10隧道效應332
第27章核物理339
27.1原子核的結構340
27.2結合能343
27.3放射性347
27.4放射性衰變率與半衰期352
27.5輻射的生物效應358
27.6人工核反應362
27.7裂變364
27.8聚變367
第28章粒子物理374
28.1基本粒子375
28.2基本相互作用377
28.3統一379
28.4粒子加速器381
28.5粒子物理中尚待解決的問題382
綜合複習：第24～28章385
答案387
致謝395
教師反饋表399

 

謹以此書

獻給瑪麗安
—艾倫

紀念我們的女兒帕米拉
獻給昆廷、奧利弗、達希爾、賈斯珀
詹妮弗和吉姆·默利斯
—鮑勃和貝蒂