《大学物理》学习指南

第一章：质点运动学本章序言：本章讨论的内容是描述物体的运动。我们首先建立一个理想的模型——质点以及时空的概念，然后，在引入描述物体运动的几个基本的物理量——位置矢量、位移、速度和加速度的同时，给出时间与空间的相互关系——运动方程。接着着重研究几类基本运动——直线运动、圆周运动以及抛体运动。最后，简单介绍关于相对运动的问题。第二章：质点动力学本章序言：自然界中，物体都是在相互作用中运动的。物体的机械运动与物体之间的相互作用是什么关系？与物体本身性质有关吗？从本章开始，我们要研究这个问题。这就是动力学的内容。质点动力学的基本规律是牛顿三个运动定律，它是动力学的核心内容。由此出发，可进而用来研究诸如固体、液体和气体等更为复杂的运动及其规律，因此牛顿运动定律是经典力学基础。本章将概括性地介绍牛顿定律，阐述物体运动状态的改变与周围物体对它所施作用力之间的关系，确定质点受到的作用力和质点的加速度之间的瞬时关系。第三章：能量动量本章序言：牛顿运动定律阐明了力及其对物体所产生的瞬时效应，即产生加速度，或者说，物体的运动状态在力作用的瞬时具有相应的变化率。可是，在该瞬时物体具有加速度，不等于物体的运动状态（速度）已发生了变化。因而，要使物体的运动状态发生有限的变化，需要在力的持续作用下经历一个过程，这就是说：物体运动状态能否改变，取决于F和△S的标积。我们把外力对物体作用一段距离而产生的效果，称为力对物体的空间累积效应。描写这个累积效应的物理量就是功。外力对物体作功，物体运动的能量必然要发生相应的变化，本章将进一步讨论功与能的关系即动能定理，功能定理和机械能守恒定律等。在诸多的作用力作功之情况中，有一种力作功具有特殊意义，即它作功与路径无关，仅取决于物体的始、末位置。这种力称为保守力。万有引力、弹性力均属于保守力。由保守力作功的特点引出了势能的概念，并得出了“保守力的功等于相应的势能增量的负值”这个重要结论。学习本章时，读者应复习一下有关矢量标积的运算法则。在分析、求解力学问题时，对物体在某一时刻（或位置）的运动情况，可以从牛顿第二定律所表述的力和加速度的瞬时关系入手去考虑；当问题涉及到质点或系统所受的力经历一段空间过程时，通常可从功、能关系去考虑；当问题涉及到质点或系统所受的力经历一段时间过程时，通常可用与动量有关的一些定律、定理去解决；对于复杂的力学过程，可以将其分成几段，分别考虑它们的特点以及它们之间的联系。功能动量：刚体本章序言：前几章所研究的运动物体都是建立在一种理想化的模型上，即当物体的大小和形状忽略不计时，可将此物体看成没有大小和形状，仅具有整个物体的质量和确定的空间位置的质点。但在实际问题中，很许多物体的大小和形状是不能忽略的。例如，研究轮盘的转动、地球的自转等就不能把这些运动物体作为质点，此时物体的大小和形状在运动中起着重要的作用。与物体的大小和形状有关的运动通常是相当复杂的，不同的物体受力后形变程度不一样。在任何情况下其大小和形状都不发生变化的物体，称为刚体。刚体是一个理想化模型。其特点是：1．刚体可以看做很多质点组成的质点组。刚体可以分成很多微小的部分，每个微小的部分相当于一个质点。2．当刚体受到外力时，其上各部分相对位置保持不变。即构成刚体任意两个质点间的距离保持恒定。：相对论本章序言：19世纪末叶，随着电磁学和光学的发展，人们在研究电磁波的传播速度(如光速)与参考系之间的关系时，做了大量实验和理论研究工作，发现在电磁(光)现象和高速运动问题中的实验事实与牛顿力学的结论不相符。正是在这样的历史背景下，爱因斯坦在1905年提出了时间和空间的新观念和在惯性系中高速运动问题的理论，创建了狭义相对论；1915年又把它扩大到非惯性系中去，发展成广义相对论。：振动学基础本章序言：本章主要研究机械振动的一般规律。机械振动是常见的一种振动。一个物理量在某一范围内反复变化，则称该物理量在做振动。如果这个物理量是物体的位移，则称为机械振动。机械振动在生产和生活实际中普遍存在。例如，钟摆的摆动，汽缸活塞的运动，行车时的颠簸，发声物体的运动以及人体心脏的跳动等等。：波学基础本章序言：波是振动的传播过程，振动是波动的根源。换句话说，有一定相位关系的振动的集合就是波动。本章讨论的是机械波，即机械振动在介质中的传播过程，但在这里学到的平面简谐波的物理模型是至关重要的。由平面简谐波的波动表达式，容易联想到波在空间中传播的物理图象，波动的能量与能流的表达式，平面波的波动方程（动力学方程），以及波长、波速和波频等物理量之间的关系。波的干涉、驻波等现象，也可以在平面简谐波的基础上进行较好的讨论。平面简谐波是最简单的波动模型之一，是学习其他复杂波动过程的基础。水波、声波等机械波比较直观，与我们的生活比较贴近，对初学者比较容易掌握。有了关于机械波波动学的基础，为学习其他波动现象的有关知识提供了条件和基础。电磁学中的电磁波、量子物理学的概率波（物质波）与机械波在数学形式和物理规律上有很多相同之处。而电磁波的研究和量子物理学丰硕的成果，已经成为当今高技术的重要基础和新的增长点。另外，由于介质中的质元与周围的质元之间有一定的联系，能量随着波动过程在质元间不停地传递，所以，介质中质元的能量随波动过程会不断地变化。这与孤立的简谐振子保持其总能量不变是不同的。在波动过程中永远存在着能量的“流动”，波的能量从波源出发，源源不断地流向远方。因此，波动过程就是能量传播的过程，即波是能量传播的一种形式。：分子动力学本章序言：本章根据气体动理论的基本观点和某些假定，运用统计方法来研究气体大量分子的运动规律，找出气体宏观量与微观量之间的关系，从而揭露气体宏观性质和规律的微观本质。第九章：热力学本章序言：上章根据气体动理论的基本概念和假定，引入统计的方法研究了气体大量分子的运动规律，揭示了气体宏观性质和规律的微观本质。本章讨论热力学系统的宏观状态及其变化规律。：真空中的静电场本章序言：本章主要研究真空中静电场的基本性质和规律。本章的一些基本概念和规律以及处理问题的方法，应很好钻研，这是学习本篇其他各章内容的基础。其次，在学习本章内容时，必须经常联系前面第一篇力学中的有关概念，这将有助于对问题的理解。从本章开始，在电磁学整篇内容中，都会经常用到高等数学和有关矢量方面的知识，建议读者事先复习一下。：静电场中的导体和介质本章序言：从物质电结构理论的观点来看，任何物体都亦可能带电。按导电性能的不同，物体可分为三类，导体、绝缘体(电介质)和半导体。上一章研究了真空中的静电场，阐明了静电场的基本性质和规律。本章将讨论导体和电介质在电场中的表现和行为，并介绍导体的电容和电容器静电场的能量。：电流与稳恒磁场本章序言：我们知道，在静止电荷周围，存在着电场。如果电荷在运动，那么在它的周围就不仅有电场，而且还有磁场。磁场和电场与万有引力场一样，也是物质的一种形态。当电荷运动形成稳定电流时，在它周围激发的磁场也是稳恒的，即不随时间而变化。对于这种稳恒磁场，如同电场一样，可以单独进行讨论。本章主要研究：（1）稳定电流在真空中的磁场；（2）磁场对电流和运动电荷的作用。磁场和电场虽然是两种不同的场，但在探讨思路和研究方法上却有类似之处。因此，读者在学习时应随时对照前面静电学中的有关内容通过类比和借鉴，以能更好的掌握本章内容。电流恒定磁场论磁介质：电磁感应和电磁场本章序言：我们讨论了静止电荷的静电场和恒定电流的磁场，其场强或磁感强度在空间虽然可以逐点地变化，但在任一点上是不随时间变化的。这些场可以单独地分别处理，它们之间不存在相互的联系。本章进一步讨论随时间变化的电场与磁场（即变化电场与变化磁场）和它们之间的相互联系以及电磁场的传播。麦克斯韦在总结前人工作的基础上，提出了著名的电磁场理论（经典电磁场理论），指出变化电场和变化磁场形成了统一的电磁场，预言电磁场能够以波动的形式在空间传播，称为电磁波；并且算出电磁波在真空中传播的速度等于光速，从而断定光在本质上就是一种电磁波。赫兹利用振荡电路产生了电磁波，使麦克斯韦的学说得到了实验证明，为电学和光学奠定了统一的基础。因此，麦克斯韦的经典电磁场理论是人类对电磁规律的历史性总结。可以这么说，麦克斯韦的电磁场理论，乃是19世纪物理学发展的最辉煌成就，在物理学发展史上是一个重要的里程碑。本章将首先介绍麦克斯韦提出的两个新概念--“涡旋电场”和“位移电流”，并在此基础上介绍电磁场理论的基本内容及其规律。然后简述电磁振荡和电磁波的产生及其在传播过程中的一些基本性质。要求读者对此有初步的认识。顺便指出，在阅读后面几节的电磁振荡和电磁波内容时，读者可对照“机械振动和机械波”的相应内容，将有助于理解本章内容。但要注意，机械波和电磁波只是在数学表述形式上类似，它们的本性则迥异，切莫把电磁过程简单地归结为机械过程。电磁感应电磁场：波动光学本章序言：光学是物理学中发展较早的—个分支。但是，在科学史上关于光的本性的认识和争论却一直贯穿着两种不同的学说。一是牛顿所提出的微粒说，认为光是一股微粒流；二是与牛顿同时代的惠更斯所提出的波动说，认为光是机械振动在一种所谓“以太”的特殊介质中的传播。起初，微粒说在相当长的时期一直占统治地位。19世纪以来，随着实验技术的提高，光的干涉、衍射和偏振等实验结果证明，光具有波动性，并且是横波，使光的波动说获得普遍公认。十九世纪后半叶，麦克斯韦提出了电磁波理论，又为赫兹的实验所证实，人们才认识到光不是机械波，而是—种电磁波，形成了以电磁波理论为基础的波动光学。十九世纪末到二十世纪初，当人们深入到光与物质的相互作用问题时，又进—步发现了光电效应等新现象，无法用波动光学理论进行解释，只有从光的粒子性出发才能说明。今天，人们认识到光具有波动和粒子两方面相互并存的性质，称为光的二象性。本章主要讨论波动光学的内容。着重研究光的干涉、衍射和偏振现象。学习本章时，建议读者随时联系“机械振动和机械波”方面的有关内容，因为其中有关波动的许多性质，对电磁波也都是适用的。光的干涉光的衍射论光的偏振：量子论初步本章序言：二十世纪的钟声响起的时候，绝大部分物理学