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《大学物理概念简明教程》可供理工科高等院校相关专业和高等师范院校相关专业大学物理课程作为教材使用。
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| 內容簡介： |
本书遵循教育部对大学物理课程提出的基本要求，围绕提高学生的核心素养这个主线，从大学物理与中学物理的衔接和提升上，简明阐述大学物理的基本概念和基本定理。本书共包括16章，其中力学部分包括对质点机械运动及其运动状态变化原因的描述，质点的动量、角动量及其守恒定律，机械能和机械能守恒定律，对具有周期性运动行为的振动和波动的描述，对刚体机械运动状态及其运动状态变化原因的描述； 热学部分包括对物体热运动状态和状态变化原因的描述，热力学状态和状态变化的统计描述，热力学过程中能量转化和守恒的描述，热力学过程中能量传递和转化方向性的描述； 电磁学部分包括静电力和静电场的描述，稳恒电流和磁场的描述，电磁感应现象的描述和麦克斯韦方程组； 光学部分包括对光的本性的物理描述； 近代物理部分包括相对论基础和量子物理基础。
本书在精选基本内容并保持基本内容的系统性和完整性前提下，专门设置了微信公众号大学物理学习拓展，列入了物理史料拓展阅读演示实验数学推导网络链接习题解答等栏目，注重渗透物理学的基本思想和科学方法，拓展学生的学习视野。本书在每一章后面都安排了适当的习题和思考题。
本书可作为理工科高等院校相关专业和高等师范院校相关专业大学物理课程使用的教材，也适合于中学物理教师进修提高和其他读者自学大学物理课程时使用。
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目录
第1章质点机械运动状态的描述
本章引入和导读
1.1质点描述物体机械运动的一个理想模型
什么是质点？为什么要引入质点模型？
1.2描述物体机械运动状态的物理量
什么是位移、速度和加速度？
1.2.1标量和矢量
1.2.2位置矢量和位移矢量
1.2.3平均速度和瞬时速度
1.2.4平均加速度和瞬时加速度
1.3物体机械运动的相对性
在不同参考系中描述同一个物体的运动结果相同吗？
1.4物体机械运动的分类
物体的机械运动有哪几种分类？
1.4.1直线运动和曲线运动
1.4.2匀速运动和变速运动
1.5中学物理和大学物理运动学的几点比较
中学物理与大学物理运动学有哪些不同？
思考题
习题
第2章物体机械运动状态变化原因的描述
本章引入和导读
2.1牛顿提出的绝对时间和绝对空间
什么是牛顿提出的经典时空观？
2.2牛顿三大运动定律
什么是牛顿三大运动定律的整体性和公理性？
2.2.1牛顿第一定律： 惯性以及力和运动状态变化的定性关系
2.2.2牛顿第二定律： 动量以及力和运动状态变化的定量关系
2.2.3牛顿第三定律： 两个物体之间真实作用力相互作用的对称性
2.2.4牛顿三大定律的整体性及其相互关系
2.2.5牛顿三大定律是一个完整的逻辑化公理体系
2.3从行星运动三大定律到万有引力定律
牛顿是怎样提出万有引力定律的？
2.3.1开普勒和行星运动三大定律
2.3.2牛顿提出的万有引力定律
2.4牛顿三大定律的提出是经典力学的伟大成就
什么是科学史上的第一次大统一？
思考题
习题
第3章质点的动量、角动量及其守恒定律
本章引入和导读
3.1质点的动量、动量定理和动量守恒定律
为什么说动量是物体机械运动的矢量量度？
3.1.1质点的动量和动量定理力的时间累积效应
3.1.2碰撞现象和质点的动量守恒定律
3.1.3动量守恒定律和牛顿定律的关系
3.2角动量、角动量定理和角动量守恒定律
为什么说角动量是物体相对于定点运动的矢量量度？
3.2.1角动量和角动量定理力矩的时间累积效应
3.2.2角动量守恒定律和有心力
3.3动量和角动量的几点比较
思考题
习题
第4章机械能和机械能守恒定律
本章引入和导读
4.1外力的功、动能定理和机械能守恒定律
为什么说动能是物体机械运动的标量量度？
4.1.1功的一般定义和动能定理
4.1.2保守力的功和质点的势能
4.1.3系统的机械能定理和机械能守恒定律
4.2普遍的能量守恒定律
思考题
习题
第5章具有周期性运动行为的振动和波动的描述
本章引入和导读
5.1简谐振动的运动学描述
什么是描述简谐振动的三个特征量？
5.1.1简谐振动的一个理想化模型谐振子的运动
5.1.2简谐振动的旋转矢量图示法
5.1.3简谐振动的速度和加速度
5.1.4简谐振动的初始条件
5.1.5单摆的运动
5.2简谐振动的机械能
什么是简谐振动的动能和势能？
5.3两个简谐振动的合成
相位差在振动合成中有着怎样的重要作用？
5.3.1两个位移同方向、同频率的简谐振动的合成
5.3.2两个位移方向互相垂直、同频率的简谐振动的合成
5.4受阻力和外力驱动作用时的实际振动
阻力和外力怎样影响简谐振动？
5.4.1阻尼振动的利和弊
5.4.2受迫振动的利和弊
5.5简谐波动的描述
振动的信息和能量是怎样传播的？
5.5.1机械波动是机械振动的传播
5.5.2简谐波动的分类： 横波和纵波
5.5.3平面简谐波的运动方程
5.6简谐波动的能量和能量的传播
波动的能量和振动的能量有什么区别？
5.6.1简谐波动的动能和势能
5.6.2简谐波动的能量流
5.7两个简谐波动的合成
什么是波动的相长干涉和相消干涉?
5.7.1两列简谐波的相长干涉和相消干涉
5.7.2驻波波的干涉的一个特例
5.8多普勒效应
什么是电子警察和频率红移？
思考题
习题
第6章刚体机械运动状态的描述
本章引入和导读
6.1刚体运动及其分类
什么是刚体？怎样对刚体运动进行分类？
6.1.1刚体是固态物体的一个理想模型
6.1.2刚体运动的分类平动和定轴转动
6.2怎样描述刚体定轴转动的运动状态
什么是刚体定轴转动的角量和线量？
6.2.1刚体的转动角位移及其运动方程
6.2.2刚体的转动角速度和角加速度
思考题
习题
第7章刚体机械运动状态变化原因的描述
本章引入和导读
7.1刚体的质心和质心运动定理
怎样建立刚体运动定理与质点运动定理的类比？
7.1.1刚体的质心
7.1.2刚体的质心运动定理
7.2刚体定轴转动的角动量和角动量定理
怎样建立刚体的转动动力学与质点动力学之间的类比？
7.2.1刚体的转动惯性和转动惯量
7.2.2刚体定轴转动的角动量和角动量定理
7.3刚体定轴转动的动能和动能定理
怎样建立刚体转动动能定理与质点动能定理的类比？
思考题
习题
第8章物体热运动状态和状态变化过程的描述
本章引入和导读
8.1热学研究的对象、内容和热力学系统的分类
什么是热力学系统及其分类？
8.1.1热学研究的对象和内容
8.1.2热力学系统的分类
8.2热力学平衡状态
什么是静中有动的统计平衡态？
8.3热平衡定律和温度
什么是温度的科学定义？
8.3.1对物体的冷热程度的感觉判断
8.3.2热平衡定律和温度的科学定义
8.4温标和温度计
什么是温度的定量表示方式？
8.5气体的状态方程
什么是热力学系统的静态描述？
8.6动中有静的准静态过程
什么是热力学过程的动态描述？
8.6.1从静态描述到动态描述
8.6.2引起系统状态变化的两种方式
8.6.3动中有静的准静态过程
思考题
第9章热力学状态和状态变化的统计描述
本章引入和导读
9.1关于分子个体行为和集体行为的基本假设
什么是分子动理论的基本假设？
9.2气体压强和温度的微观解释
什么是压强和温度的统计意义？
9．2．1气体压强的微观解释
9．2．2气体温度的微观解释
9.3分子无规则运动的速度分布函数
什么是大量分子无规则运动速度呈现的统计规律？
9．3．1麦克斯韦速度分布函数
9．3．2三个特征速率
9.4能量按自由度均分定理
什么是大量分子无规则运动能量呈现的统计规律？
9．4．1能量按自由度均分定理
9．4．2理想气体的内能与热容
思考题
习题
第10章热力学过程中能量转化和守恒的描述
本章引入和导读
10.1内能和热力学第一定律
什么是热力学系统的内能？
10.2热力学第一定律对理想气体的应用
怎样得出准静态过程的功、热量和内能？
10．2．1准静态单一过程的功
10．2．2准静态单一过程的热容和热量
10．2．3准静态单一过程内能的改变
10.3准静态单一过程的过程方程
什么是单一过程的过程方程？
10.4准静态循环过程及其效率
什么是准静态循环过程的效率？
10.5卡诺循环一个理想化的循环过程
什么是卡诺循环及其效率？
10.6能量守恒和转化的思想是物理学的重要思想
什么是做功和热传递的量的等当性和质的可转化性？
思考题
习题
第11章热力学过程中能量传递和转化方向性的描述
本章引入和导读
11.1不可逆过程和可逆过程
什么是自然界实际过程的方向性？
11.2热力学第二定律的两种典型表述
为什么热力学第二定律的地位高于热力学第一定律？
11.3不可逆过程是能量品质不断降低的过程
为什么热能不如其他形式的能量有用？
11.4熵和熵增加原理
在热力学中熵的地位为什么比内能更重要？
11．4．1一个比内能更重要的状态函数熵
11．4．2熵增加原理： 宇宙的熵增加
11.5热力学第二定律的微观解释和熵的微观意义
为什么系统越无序它的熵就越大？
11.6热力学第三定律和零熵
为什么绝对零度是不可能达到的？
11.7人类对大自然的尊重和敬畏
热力学定律否定性表述的重要意义是什么？
思考题
习题
第12章静电力和静电场的描述
本章引入和导读
12.1对场的认识的深化是电磁学中的一条思想主线
对电磁力的研究为什么需要从头开始？
12.2电荷的分类和电荷守恒定律
物体带电现象的产生或消失的实质是什么？
12．2．1电荷和起电
12．2．2电量和电荷守恒
12.3静电力的库仑定律
什么是点电荷库仑定律的完整表述？
12.4静电场的物理描述方式
什么是电场强度和电势？
12．4．1静电场状态的物理描述方式
12．4．2电场力、电场强度和电场强度叠加原理
12．4．3电势能、电势和电势叠加原理
12．4．4电场强度和电势的关系
12.5典型的带电体产生的电场强度和电势
求电场强度和电势的从部分到整体的方法是什么？
12.6静电场的几何描述方式
什么是电场线和电通量？
12．6．1电场线
12．6．2电通量
12．6．3等势面
12.7静电场的高斯定理
求电场强度和电势从整体到部分的方法是什么？
12．7．1静电场的高斯定理
12．7．2高斯定理提供了计算电场强度从整体到部分的方法
12.8静电场与导体和电介质的相互作用
静电场与物质的相互作用是什么？
12．8．1物质导电性能的分类
12．8．2静电场与导体的相互作用
12．8．3静电场与电介质的相互作用
12．8．4真空中的电容器及其电容
12．8．5充满电介质的电容器及其电容
12．8．6电介质存在时的高斯定理
12.9电容器的能量和静电场的能量
什么是静电场的能量？
思考题
习题
第13章稳恒电流和磁场的描述
本章引入和导读
13.1电流强度、电流密度和欧姆定律的微观形式
怎样更细致地描述电流的大小？
13．1．1电流强度和电流密度及其相互关系
13．1．2欧姆定律的微观形式
13.2磁场的物理描述方式和几何描述方式
什么是磁感应强度、磁感应线和磁通量？
13．2．1磁感应强度
13．2．2磁感应线和磁通量
13.3从电流元的磁场到稳恒电流产生的磁场
计算磁场的从部分到整体的方法是什么？
13．3．1电流元产生的磁场： 毕奥萨伐尔定律
13．3．2毕奥萨伐尔定律的应用举例
13.4描述磁场特征的两大重要定理
什么是磁场中的高斯定理和安培环路定理？
13．4．1磁场中的高斯定理
13．4．2磁场中的安培环路定理
13．4．3安培环路定理的应用举例
13.5磁场对运动电荷和电流的作用
什么是磁场对运动电荷和对载流导线的作用？
13．5．1磁场对运动电荷的作用
13．5．2霍尔效应
13．5．3磁场对载流导线的作用
13．5．4磁场对载流线圈的作用
13.6磁场与物质的相互作用
磁介质是怎样被磁化，又是怎样影响外磁场的？
13．6．1磁介质的磁化及其分类
13．6．2磁介质磁化对磁场的影响
思考题
习题
第14章电磁感应现象的描述和麦克斯韦方程组
本章引入和导读
14.1磁生电
感应电动势是怎样产生和判定的？
14．1．1磁场的变化产生电场
14．1．2动生电动势和感生电动势
14．1．3自感现象、互感现象和磁场的能量
14.2电场和磁场的统一性和麦克斯韦方程组
什么是电场和磁场的内在联系？
14．2．1位移电流假说的提出
14．2．2电场和磁场的内在联系
14．2．3电磁波的产生和传播
14．2．4电磁波频率的家谱及其分类
14.3麦克斯韦方程组的重要地位和作用
什么是科学史上第二次大统一？
思考题
习题
第15章光的本性的物理描述
本章引入和导读
15.1光的微粒说对光的直线传播现象的理论描述
什么是光的微粒说？
15．1．1从光的微粒说的萌芽到光的粒子流假设
15．1．2微粒说对光的直线传播和反射、折射现象的理论描述
15.2光的波动说对光的干涉现象的理论描述
什么是光的波动说？
15．2．1从笛卡儿的波动思想到惠更斯的波动说
15．2．2托马斯杨的波动说和双缝干涉实验
15．2．3波动说对光的薄膜干涉现象的理论描述
15.3光的波动说对光的衍射现象的理论描述
什么是惠更斯菲涅耳原理？
15．3．1光的衍射现象
15．3．2惠更斯菲涅耳原理
15．3．3波动说对光的衍射现象的理论描述
15.4光的波动说对光的偏振现象的理论描述
什么是马吕斯定律和布儒斯特定律？
15．4．1光的偏振性
15．4．2自然光、偏振光和偏振光的分类
15．4．3起偏、检偏和马吕斯定律
15．4．4反射光、折射光的偏振和布儒斯特定律
15.5光的量子说对光电效应现象的理论描述
什么是光的量子说？
15．5．1黑体辐射和能量的量子说假设
15．5．2光电效应现象和光量子假设
思考题
习题
第16章相对论基础
本章引入和导读
16.1从伽利略的相对性原理到爱因斯坦的相对性原理
两种时空观对两个问题分别给出怎样不同的回答？
16.2一个理想的追光实验和两条基本原理的提出
经典的时空观是怎样失效的？
16．2．1一个理想的追光实验
16．2．2两条基本原理的提出
16.3同时的相对性
动钟是怎样变慢的？
16．3．1同时是相对的
16．3．2动钟变慢
16.4长度是相对的
长度是怎样收缩的？
16.5洛伦兹时空变换和速度变换
洛伦兹时空变换怎样取代了伽利略变换？
16．5．1洛伦兹时空变换公式
16．5．2洛伦兹速度变换公式
16.6质量和能量本是一家人
质量会改变吗？
16．6．1问题的提出
16．6．2质量与速度的关系
16．6．3能量与质量的关系
16.7广义相对论简介
什么是广义相对论的基本原理？
16．7．1等效原理
16．7．2等价原理
思考题
习题
第17章量子物理基础
本章引入和导读
17.1黑体辐射的普朗克公式和能量子假设
能量子的假设是怎样提出来的？
17．1．1一定温度下物体辐射的电磁波能量与波长的关系
17．1．2黑体辐射公式和能量子假设
17.2光电效应和光量子假设
爱因斯坦对光电效应作出什么样的理论解释？
17．2．1光电效应的实验现象和理论解释
17．2．2光子的能量、动量和波粒二象性
17.3德布罗意和物质波
物质波、机械波和电磁波有什么不同？
17．3．1物质波假设的提出
17．3．2物质波的实验验证
17.4微观粒子的波动性是非经典的波动
什么是描述微观粒子波动性的基本方程？
17.5一维无限深方势阱中的粒子波函数及能量
无限深方势阱里的粒子能量为什么是离散的？
17.6氢原子的波函数及其能级分布
确定氢原子的定态为什么需要三个量子数？
17.7海森伯的不确定原理
同时精确测量微观粒子的位置和动量为什么是不可能的？
17．7．1经典力学的确定性和不确定性
17．7．2海森伯的不确定原理
17.8波函数和量子态
什么是薛定谔猫？
思考题
习题
参考书目
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前言
教育部大学物理教学指导委员会制定的《高等学校理工学科大学物理课程教学基本要求》和《高等学校理工学科大学物理实验课程教学基本要求》两个文件分别在各自文本的第一页都写下了相同的一段话： 在人类追求真理、探索未知世界的过程中，物理学展现了一系列科学的世界观和方法论，深刻影响着人类对物质世界的基本认识，人类的思维方式和社会生活，是人类文明发展的基石，在人才的科学素质培养中具有重要的地位。 两个基本要求开宗明义地给出的这段论述，明确地指出了物理学在人类文明发展和人才科学核心素养培养中的重要性，规定了大学物理课程必须达到的总目标，凸显了大学物理课程对于人才核心素养培养的地位和作用。
学科核心素养是学生知识、能力、情感、态度和价值观等各方面素养的整合，而大学物理课程正是高等师范类和理工类院校相关专业培育和提高学生学科核心素养的一门重要的基础课程。目前，很多院校相关专业的大学物理课程的课时数是每学期72学时左右或每学年108学时左右。本教材依据两个基本要求，把大学物理定位于一门基础课程，在总结我们多年教学经验并学习和吸取国内外同类优秀教材的基础上，注重大学物理与中学物理在学生学科核心素养的培养上的衔接和提升，意在为这些专业的任课教师和学生提供一本合适的大学物理简明教材，同时也为中学物理教师提供一本用于进修提高的物理教材。
（1） 以物理学科核心问题为基础，从有利于物理学科知识整体生成取向、有利于增强物理观念、提高学科核心素养发展的目标上看，大学物理需要与中学物理有一定的衔接，更需要在中学物理基础上的提升，这样的提升既是学科知识内容深度和广度的提升，更是学科知识体系整体性的提升。
本书注重把每一章的物理概念和内容从物理现象中引入，引导学生在中学物理知识的基础上学会提出问题，把中学物理内容中的特殊上升到一般，从知识的深度和广度上提高认知能力。例如，中学物理只讨论物体匀加速运动的规律，使用的数学工具是初等数学的代数方法，而大学物理描述的是一般变速运动的规律，使用的数学工具是高等数学的微积分方法。本教材还注重把每一章的概念和内容从物理学科体系的发展进程中引入，引导学生在学习和理解每一个物理概念的基础上学会构建学科知识体系，把中学物理学习的物理概念、定理和定律的树木扩展到大学物理学科体系的森林，从知识的逻辑性和整体性上提高认知能力。例如，中学物理讨论了牛顿三大定律的具体内容和解题方法，而大学物理提出了牛顿三大定律的公理性和体系的完整性。中学物理引入了库仑定律以及电场强度和电势等物理量，而大学物理把场作为主线贯穿于电磁学始终，并强调了法拉第、麦克斯韦和爱因斯坦等物理学家提出的电磁力不同于万有引力，必须从头开始，第一次建立新的基本概念的思想。
（2） 以物理学科核心问题为基础，从把握知识的产生和发展过程、感悟物理学科的方法和思想、有利于提高学科核心素养发展的目标上看，大学物理需要与中学物理有一定的衔接，更需要在中学物理基础上的提升，这样的提升既是从学习物理学的知识的过程和方法到体验物理学知识形成过程和方法的提升，更是从物理学具体方法到物理学家提出问题和解决问题的过程和方法的提升。这样的提升以显性和隐性两种方式呈现。例如，在力学部分介绍了牛顿倡导的以实验演绎归纳为特点的物理学方法论； 在静电学部分介绍了在库仑提出两个点电荷之间相互作用力的定律所采用的类比方法； 在相对论部分介绍了爱因斯坦提出的以反反复复批判基本概念为特点的概念方法论。隐性的方式是在把物理学形成发展过程的历史以及物理学的思想方法渗透到教材内容展开的过程中，例如，以类比方法在力学中把角动量和动量作了比较，得出了相应的角动量变化定理的表述； 在计算连续带电体产生的电场强度和电势时，采用了从部分到整体的方法（这是一种归纳方法）和从整体到部分的方法（这是一种演绎方法）； 在静电学中用归纳方法相应得出了静电场的高斯定理和磁场的安培环路定理的表述等。
3 以物理学科核心问题为基础，从把握知识的作用和价值、树立科学态度、增强社会责任、有利于提高学科核心素养发展的目标上看，大学物理需要与中学物理有一定的衔接，更需要在中学物理基础上的提升。这样的提升表现为大学物理课程应该比中学物理更多地实现学习物理学对学生终身发展的重要价值。本书在每一章开头设置了本章引入和导读栏目，通过引入和导读两个方面，旨在从自然现象和学科体系上提出问题引入本章内容，给学生提供学习方法的导读； 本书对每一个例题的求解都列出了名为解题思路和解题过程的栏目，旨在把解题看作是一种从解决已有答案的问题的训练开始的思维方式的训练； 本书还设置了微信公众号大学物理学习扩展，列入了物理史料拓展阅读演示实验数学推导网络链接等栏目，旨在利用信息化
手段丰富大学物理的教学资源库，重组学生的学习材料，拓展学生的学习视野。本书在每一节都提出一个问题作为副标题，
在每一章最后都设置了思考题和习题，并且思考题的数量多于习题的数量。
大学物理学习扩展
每一章的习题解答也不再附在书中，而是放在本书的微信公众号中。以上这些栏目和思考题以及习题设置的目的在于引导学生从物理学的概念本身引发思考和讨论，这既是对学生学习大学物理的引导，更是注重学生在学习的过程中学会主动学习，善于学习，提高全面核心素养的情感态度和价值观的提升。
本书编委会的成员多年来一直担任大学物理课程的教学任务，都是具有丰富教学和科研经验的教授和副教授。本书共17章，编写分工如下：第1~4章由朱鋐雄编写，第5章由黄燕萍编写，第6~11章由朱鋐雄编写，第12章由朱鋐雄和朱晶编写，第13章由王向晖编写，第14章由王向晖和李欣编写，第15章由尹亚玲编写,第16章由王向晖编写，第17章由朱广天编写。全书的核对、审阅和通稿修改工作由朱鋐雄、王向晖和朱广天完成。在本书编写过程中，还得到了华东师范大学物理实验中心物理教学演示实验室的热情协助。景培书、尹亚玲、邓莉等老师和黄雨寒、杨凯超等研究生参与策划并进行了演示实验录像的拍摄制作工作，黄雨寒绘制了部分插图。
在本书编写出版前，我们已编写出版了《大学物理学习导引导读，导思，导解》一书（清华大学出版社，2010年），另外还拟编写出版配合本书的《大学物理简明教程习题解答》一书供教师和学生在教学中参考使用。
虽然在编写过程中我们对本书经过了仔细的核对和反复检查，但是由于编写水平有限，教材中一定存在不妥之处，恳请广大读者批评指正。
朱鋐雄王向晖朱广天2018年2月修订于华东师范大学
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