本書是根據(jù)精講多練教學法的實踐成果, 面向應用型本科非物理類學生編寫的教學用書?偟闹笇枷胧: 多形象分析, 少抽象推演; 多用通俗易懂的語言描述, 少用深奧晦澀的術語論證。全套共分上、下兩冊, 建議總學時為128學時, 其中加※號及熱學部分內(nèi)容教師可根據(jù)實際教學需要進行取舍。本冊為上冊。
本書是編者結合自己20余年普通物理教學經(jīng)驗(其中十余年的應用技術型本科教學經(jīng)驗)編寫而成,內(nèi)容結構合理,難點處理得當,尤其適合于應用技術型本科普通物理課程教學使用。主要有以下四點:一是考慮不同需求,內(nèi)容劃分層次。標有 “ ※”號的章節(jié)內(nèi)容為自選內(nèi)容,教師可以根據(jù)教學需求進行取舍,無論取與舍,都不影響內(nèi)容的完整性和邏輯性。習題按難度分為A、B兩類,學生可以根據(jù)自身情況選做對應難度的題目;二是注意過渡與銜接,方便學生的預習和自學。每部分內(nèi)容開始都有引言,結束都有小結,構造出清晰的物理知識體系和脈絡;三是注重學法指導,降低學習難度。對于中學相對陌生的內(nèi)容,進行專門學習方法說明。如剛體一章開始即強調(diào)類比方法的運用,并編寫了大量的類比表格;四是精選物理學家的故事作為閱讀材料,激發(fā)學習興趣,培養(yǎng)奮斗精神。
前言
本書是在《大學物理》(2008年,北京郵電大學出版社出版)基礎之上,吸納幾年來使用本教材的各院校一線教師建議修改而成。本書是依據(jù)2004年教育部“非物理類專業(yè)基礎物理課程教學指導委員會”頒布的《大學物理課程教學基本要求》選擇教學內(nèi)容,針對應用型本科學生的特點,面向非物理類應用型本科學生編寫的物理課程教材。本書主要特點如下。
1.注重科學思維,整體架構清晰
物理學科在理工科院校是基礎課程,它要完成的一個主要任務就是通過此課程的學習培養(yǎng)學生的科學思維品質(zhì),培養(yǎng)學生理性的、邏輯的思維。因此,本書在結構和內(nèi)容的安排上力求具有較強的邏輯性,從而給學生一個完整知識體系框架和一個清晰的脈絡層次。本書共分上、下兩冊,上冊包括力學、機械振動和機械波、熱學三篇,下冊包括波動光學、電磁學、量子物理三篇。
2.注重精講多練,重點內(nèi)容突出
“精講”體現(xiàn)在兩個方面:一是根據(jù)教學需要精選重點內(nèi)容;二是在博采眾家所長的基礎上,針對應用型本科學生的基礎和學習特點,采用最優(yōu)化方案精講重點內(nèi)容!岸嗑殹币搀w現(xiàn)在兩個方面:一是多介紹知識在生產(chǎn)生活中的應用;二是對于重點內(nèi)容和典型問題設有例題、練習、習題三個環(huán)節(jié)進行強化和鞏固,這三個環(huán)節(jié)相輔相成,共同實現(xiàn)對內(nèi)容掌握的牢固性和應用的靈活性。
3.注重細節(jié)設計,適應不同學生
一是考慮不同需求,內(nèi)容劃分層次。標有“*”號的章節(jié)內(nèi)容為自選內(nèi)容,教師可以根據(jù)教學需求進行取舍,無論取與舍,都不影響內(nèi)容的完整性和邏輯性。習題按難度分為A、B兩類,學生可以根據(jù)自己的學習情況選做對應難度的題目。
二是注意過渡與銜接,方便學生的預習和自學。每部分內(nèi)容開始都有引言,結束都有小結,構造出清晰的物理知識體系和脈絡。
三是注重學法指導,降低學習難度。對于中學階段相對陌生的內(nèi)容,進行專門學習方法說明。如“剛體”一章開始即強調(diào)類比方法的運用,并編寫了大量的類比表格。
四是精選物理學家的故事作為閱讀材料,激發(fā)學生的學習興趣,培養(yǎng)其奮斗精神。
本書由大連理工大學城市學院王秀敏老師編寫第1~4章、第9~15章,葛楠老師編寫第5~8章,王淑娟老師編寫所有的閱讀材料及附錄。全書由王秀敏老師統(tǒng)稿。
編寫適合應用型本科學生的教材是一種嘗試,盡管編者不斷努力以求盡善盡美,但由于水平有限,書中難免存在缺憾和遺漏之處,懇請讀者和同行批評指正。
編者
2017年5月
王秀敏:1971年出生,教授,本科及研究生均畢業(yè)于東北師范大學物理系。遼寧省普通高等學校優(yōu)秀青年骨干教師,城市學院物理學科教學負責人。從事物理教育23年,編寫教材四部,發(fā)表論文十余篇(期中國家刊物六篇),參與教學改革多項,榮獲軍隊級教學成果二等獎等等。2008年編寫《大學物理》上、下兩冊,北京郵電大學出版社出版,任主編。2009年編寫《大學物理學習指導》,北京郵電大學出版社出版,任主編。2012年《新編大學物理》上、下冊,北京郵電大學出版社出版,任主編。2016年編寫《電磁場與電磁波基礎》,北京清華大學出版社出版,任主編。
目錄
第1篇力學
第1章質(zhì)點運動學
1.1參考系、坐標系及質(zhì)點模型
1.2質(zhì)點運動的描述
1.3直線運動及運動學的兩類問題
1.4運動疊加原理及拋體運動
1.5圓周運動
1.6相對運動
小結
閱讀材料物理學的產(chǎn)生和發(fā)展
習題
第2章質(zhì)點動力學
2.1常見力
2.2牛頓運動定律及其應用
*2.3非慣性系和慣性力
2.4質(zhì)點的動量定理
2.5質(zhì)點系動量定理及其守恒定律
2.6功及動能定理
2.7功能原理及機械能守恒定律
2.8碰撞問題
小結
閱讀材料經(jīng)典物理的奠基人——牛頓
習題
第3章剛體的定軸轉(zhuǎn)動
3.1剛體定軸轉(zhuǎn)動的描述
3.2剛體定軸轉(zhuǎn)動定律及轉(zhuǎn)動慣量
3.3轉(zhuǎn)動定律的應用
3.4轉(zhuǎn)動動能定理
3.5角動量定理及角動量守恒定律
小結
習題
目錄
大學物理(上冊)
第4章狹義相對論
4.1力學相對性原理及經(jīng)典力學時空觀
4.2狹義相對論基本原理及洛倫茲變換
4.3狹義相對論的時空觀
4.4狹義相對論的動力學基礎
小結
閱讀材料物理學的革命者——愛因斯坦
習題
第2篇機械振動和機械波
第5章機械振動
5.1簡諧振動的特征
5.2描述簡諧振動的物理量
5.3簡諧振動的描述方法
5.4阻尼振動、受迫振動及共振
5.5簡諧振動的合成
小結
習題
第6章機械波
6.1機械波的產(chǎn)生和傳播
6.2平面簡諧波表達式的建立與意義
6.3波的能量及能量傳播
6.4聲波
6.5波的疊加原理及波的干涉
6.6駐波
*6.7多普勒效應
小結
閱讀材料鐘擺的發(fā)明者——惠更斯
習題
第3篇熱學
第7章氣體動理論
7.1熱力學系統(tǒng)、平衡態(tài)及理想氣體狀態(tài)方程
7.2理想氣體的壓強公式
7.3理想氣體的溫度公式
7.4能量按自由度均分定理及理想氣體內(nèi)能
7.5麥克斯韋速率分布律
7.6分子的平均碰撞頻率和平均自由程
*7.7玻耳茲曼分布
小結
習題
第8章熱力學基礎
8.1準靜態(tài)過程和功
8.2熱量及熱力學第一定律
8.3理想氣體的等值過程
8.4氣體的摩爾熱容量
8.5絕熱過程
8.6循環(huán)過程
*8.7熱力學第二定律及熵
小結
閱讀材料熱功當量的測量者——焦耳
習題
附錄A矢量及其運算
A.1矢量和標量
A.2矢量合成
A.3矢量乘法
A.4矢量函數(shù)的導數(shù)和積分
附錄B國際單位制
附錄C習題參考答案
第3章剛體的定軸轉(zhuǎn)動
剛
體是固體物件的理想化模型。本章主要研究剛體定軸轉(zhuǎn)動的描述、力矩對剛體的作用效果等問題。力矩對剛體的作用效果可以分為兩個方面:一是力矩的瞬時作用效果,剛體定軸轉(zhuǎn)動定律反映了這方面的規(guī)律;二是力矩的持續(xù)作用效果,剛體的轉(zhuǎn)動動能定理和角動量定理分別從兩個角度反映了這方面的規(guī)律。
本章的學習方法是:把剛體知識與質(zhì)點力學相關知識進行類比。通過類比來理解剛體知識,并通過類比來尋求解決剛體轉(zhuǎn)動問題的方法。
3.1剛體定軸轉(zhuǎn)動的描述
在第1章中,我們采用位移、速度、加速度等線量描述質(zhì)點的運動狀態(tài)。那么,在本章中,將采用哪些量、什么量來描述剛體的運動狀態(tài)?如何描述剛體的運動狀態(tài)呢?這就是本節(jié)主要研究的內(nèi)容。
3.1.1剛體
通過前面的學習,我們知道,如果研究物體運動時,可以忽略物體的大小和形狀,則可把物體視為質(zhì)點。但是,在許多實際問題中,物體的大小和形狀往往不能忽略。例如,行進中的車輪,輪上各點的運動情況不盡相同,離軸越遠的點運動速率越大,這時,我們不能忽略車輪的大小和形狀,不能再把車輪視為質(zhì)點;再比如,許多物體在外力的作用下會發(fā)生形變,而且有的物體形變明顯(如海綿),其上各點的運動情況相差也很大,這時,我們也不能把物體視為質(zhì)點。顯然,只有質(zhì)點這個物理模型是不夠的,我們有時需要考慮物體的大小和形狀。
但是,考慮物體大小和形狀時,物體的運動往往是比較復雜的。我們僅考慮其中較為簡單的情況,即物體在力作用下所產(chǎn)生的形變很小,對所研究的問題沒有影響,這時,我們可以只考慮物體的大小和形狀,而忽略物體的形變,這樣的物體稱為剛體。剛體是我們引入的又一個理想物理模型。
由于剛體是有大小和形狀的,所以研究剛體運動時,應把剛體視為許多質(zhì)點組成的質(zhì)點系;又由于剛體是沒有形變的物體,所以可以將剛體視為一個特殊的質(zhì)點系——系統(tǒng)內(nèi)部各質(zhì)點間沒有相對運動。剛體的這一特點是我們以后研究剛體運動所必須隨時考慮的,也是我們研究剛體運動的基本方法。
3.1.2剛體的運動形式
剛體的運動形式有平動、轉(zhuǎn)動以及二者的結合。
圖31剛體的平動
如果剛體運動時,其上任意兩點連成的直線始終與其初始位置平行,這種運動稱為平動,如圖31所示。根據(jù)平動的定義可以看出,剛體平動時,剛體上各點的運動情況都相同,因此,我們可以用其上任意一點代表整個剛體的運動,此時,剛體可視為質(zhì)點?梢杂妹枋鲑|(zhì)點運動的物理量描述剛體的平動,用解釋質(zhì)點運動的相關規(guī)律解釋剛體的平動。相關的知識在前兩章中已經(jīng)進行了充分的討論,本章不再贅述。
如果剛體運動時,其上點的運動不符合上面的特征,則稱為轉(zhuǎn)動。剛體的轉(zhuǎn)動又可以分為兩種形式:定軸轉(zhuǎn)動和非定軸轉(zhuǎn)動。轉(zhuǎn)軸固定不動的轉(zhuǎn)動,稱為定軸轉(zhuǎn)動。如機床上齒輪、飛輪的轉(zhuǎn)動,門窗的開關等都是定軸轉(zhuǎn)動;轉(zhuǎn)軸運動的轉(zhuǎn)動稱為非定軸轉(zhuǎn)動。如行駛中車輪的轉(zhuǎn)動即為非定軸轉(zhuǎn)動。兩種轉(zhuǎn)動中,定軸轉(zhuǎn)動是最簡單的,也是最基本的。本章主要研究定軸轉(zhuǎn)動的情況。
3.1.3剛體定軸轉(zhuǎn)動的描述
剛體作定軸轉(zhuǎn)動時,其上各點的運動有如下特點:一是到軸距離不同的點在相同時間內(nèi)的位移不同,速度、加速度也
圖32剛體的轉(zhuǎn)動
不同,如圖32所示。因而,剛體定軸轉(zhuǎn)動無法用位移、速度、加速度等線量描述;二是軸上各點都不動,其他點都繞軸作圓周運動。圓周運動所在的平面都與軸垂直,這樣的平面稱為轉(zhuǎn)動平面;三是相同的時間內(nèi)各點轉(zhuǎn)過的角位移相同。如果我們選擇角量描述剛體的轉(zhuǎn)動,則可以用任意一點代替整個剛體,從而使描述得以簡化。因而,對于剛體的定軸轉(zhuǎn)動,我們選擇角量描述。把剛體上任一點的角位移、角速度、角加速度作為定軸轉(zhuǎn)動剛體角位移、角速度和角加速度。這樣,我們便可以用第1章中圓周運動的有關公式描述剛體的定軸轉(zhuǎn)動。
如果剛體勻速轉(zhuǎn)動,則有
θ=θ0+ωt
式中:θ0為剛體初始的角位置;ω為剛體轉(zhuǎn)動的角速度。
如果剛體作勻加速轉(zhuǎn)動,則有
θ=θ0+ω0t+12βt2,ω=ω0+βt,ω2-ω20=2βΔθ
式中:ω0為剛體初始的角速度;β為剛體轉(zhuǎn)動的角加速度;Δθ為該段時間內(nèi)剛體的角位移。
……