物理学基础

引用

Halliday, D., Resnick, R., & Walker, J. (2021). Fundamentals of Physics (11th ed.). John Wiley & Sons. ISBN 978-1-118-98483-3

章节概要

第1章 - 测量

介绍测量在物理学中的作用、SI单位、量纲分析、单位转换和有效数字。

第2章 - 直线运动

涵盖位移、速度、加速度、匀加速运动和自由落体运动。

第3章 - 矢量

解释矢量加法、分量、单位矢量和矢量乘法。

第4章 - 二维和三维运动

研究抛射体运动、匀速圆周运动和相对运动。

第5章 - 力与运动I

介绍牛顿运动定律、力和质量；探讨牛顿第二定律的应用。

第6章 - 力与运动II

检验摩擦力、阻力、匀速圆周运动和终端速度。

第7章 - 动能与功

发展功能定理、功率和变力做功。

第8章 - 势能与能量守恒

介绍保守力、势能、机械能守恒和能量图。

第9章 - 质心与线动量

探索质心、动量、冲量、碰撞和火箭。

第10章 - 转动

涵盖转动运动学、角加速度、转动能、扭矩和转动惯量。

第11章 - 滚动、扭矩与角动量

介绍滚动运动、角动量守恒、陀螺进动和转动动力学。

第12章 - 平衡与弹性

分析静力平衡条件以及应力、应变和弹性概念。

第13章 - 引力

展示牛顿引力定律、行星运动、卫星和爱因斯坦对牛顿引力的修正。

第14章 - 流体

涵盖密度、压力、帕斯卡原理、阿基米德原理和伯努利方程。

第15章 - 振动

探索简谐运动、振动中的能量、摆、阻尼和共振。

第16章 - 波I

介绍波的性质、行波、干涉和驻波。

第17章 - 波II（声音）

检验声波、强度、拍频、多普勒效应和激波。

第18章 - 温度、热和热力学第一定律

定义温度、热膨胀、传热和热力学第一定律。

第19章 - 气体动理论

将温度与分子运动、速率分布和比热联系起来。

第20章 - 熵和热力学第二定律

探索熵、热机、制冷机和热力学的统计观点。

第21章 - 库仑定律

介绍电荷、量子化、电荷守恒和库仑定律。

第22章 - 电场

讨论电场线、电荷和偶极子的电场以及场中电荷受力。

第23章 - 高斯定律

将高斯定律应用于对称电荷分布和电通量。

第24章 - 电势

介绍势能、电势差、等势面和电势计算。

第25章 - 电容

涵盖电容器、串并联电容、电介质和能量存储。

第26章 - 电流与电阻

解释电流、电阻、欧姆定律、电阻率和超导性。

第27章 - 电路

分析单回路和多回路电路、基尔霍夫定律、RC电路和仪表。

第28章 - 磁场

介绍磁场、洛伦兹力、回旋加速器和载流线圈上的扭矩。

第29章 - 电流产生的磁场

涵盖毕奥-萨伐尔定律、安培定律以及螺线管和载流线圈的磁场。

第30章 - 感应与电感

讨论法拉第定律、楞次定律、电感器、互感和磁场中的能量。

第31章 - 电磁振荡与交流电路

涵盖LC振荡、交流电路、共振、变压器和交流电功率。

第32章 - 麦克斯韦方程组与物质的磁性

用麦克斯韦方程组统一电磁学，介绍抗磁性、顺磁性和铁磁性。

第33章 - 电磁波

推导电磁波性质、偏振、反射、折射和辐射压力。

第34章 - 像

解释反射镜、透镜、光学仪器和成像。

第35章 - 干涉

研究双缝干涉、薄膜干涉和迈克尔逊干涉仪。

第36章 - 衍射

涵盖单缝衍射、衍射光栅、分辨本领和X射线衍射。

第37章 - 相对论

展示爱因斯坦的狭义相对论：同时性、时间膨胀、长度收缩和洛伦兹变换。

第38章 - 光子和物质波

介绍光子、光电效应、康普顿散射、波粒二象性和量子开端。

第39章 - 更多物质波

探索薛定谔方程、隧穿、氢原子和电子束缚。

第40章 - 原子面面观

涵盖原子性质、斯特恩-格拉赫实验、泡利不相容原理和激光。

第41章 - 固体中的电传导

解释金属、半导体、pn结和晶体管的电学性质。

第42章 - 核物理

讨论核结构、放射性衰变、核模型和辐射剂量。

第43章 - 来自原子核的能量

探索核裂变、反应堆、恒星中的核聚变和受控聚变。

第44章 - 夸克、轻子和大爆炸

介绍粒子物理学、守恒定律、夸克模型、基本相互作用和宇宙学。

附录

提供常数、单位制、转换因子、数学公式和参考数据。

核心概念

测量和数学工具

• 物理测量中的精度、准确度和不确定性。
• SI单位、量纲分析和单位转换。
• 矢量、矢量加法和坐标系作为基本工具。

力学

• 一维、二维和三维运动学；匀加速运动。
• 牛顿三大运动定律及其应用。
• 功、能量和能量守恒。
• 线动量、冲量、碰撞和守恒原理。
• 转动、扭矩、角动量和平衡。
• 引力和行星运动，包括牛顿定律和相对论修正。

振动和波

• 简谐运动、摆、阻尼和共振。
• 波的性质：速度、频率、波长、叠加和驻波。
• 声波、强度、拍频、多普勒效应和激波。

热力学

• 温度和热作为分子运动的表现。
• 传热机制：传导、对流和辐射。
• 气体动理论、速率分布和比热。
• 热力学定律、熵以及热机和制冷机的效率。

电磁学

• 电荷、库仑定律、电场和高斯定律。
• 电势、电容器和介电效应。
• 电流、电阻、电路和基尔霍夫定律。
• 磁场、电荷和电流受力、毕奥-萨伐尔定律和安培定律。
• 电磁感应、法拉第定律、电感器和交流电路。
• 统一电和磁的麦克斯韦方程组。

光学

• 光的电磁波性质。
• 反射、折射、透镜和光学仪器。
• 干涉和衍射现象，包括双缝实验和衍射光栅。
• 偏振及其在光学技术中的应用。

相对论

• 爱因斯坦的狭义相对论：假设、洛伦兹变换、时间膨胀和长度收缩。
• 相对论动量、能量和质能等价（E = mc²）。

量子和原子物理

• 光的光子理论、光电效应和康普顿散射。
• 物质波、薛定谔方程、隧穿和氢原子结构。
• 原子模型、量子数和泡利不相容原理。
• 固体性质：传导、半导体和晶体管物理学。

核和粒子物理

• 核结构、衰变过程和辐射。
• 核裂变、聚变和能量产生。
• 基本粒子：夸克、轻子、守恒定律和相互作用。
• 大爆炸宇宙学和宇宙演化。

批判性分析

教材优势

• 全面覆盖：涵盖整个本科物理课程，从力学到现代物理。
• 教学方法：清晰的解释、详细的例题和按难度分级的习题集。
• 问题解决重点：大量强调定量练习，为学生应对考试和应用做准备。
• 现代主题整合：在经典内容基础上包括相对论、量子物理、粒子物理和宇宙学。
• 持久性和权威性：作为全球物理教育标准参考的既定声誉。

局限性和挑战

• 数学严谨性：需要扎实的代数和微积分技能；对数学准备不足的学生可能令人生畏。
• 篇幅和密度：大部头和详细处理可能让初学者感到overwhelm。
• 概念空隙：优先考虑问题解决而非概念讨论；相比Hewitt的《概念物理》等教材，较少强调直觉。
• 文化可及性：例子和背景有时以美国为中心。

在课程中的地位

• 主要本科教材：广泛用于理科和工科专业基于微积分的物理入门课程。
• 高级课程准备：为上级力学、电磁学和量子力学课程提供必要的数学和物理基础。
• 参考作用：即使在完成课程后，仍作为习题集、详细例题和物理复习的长期资源。

总体评价

《物理学基础》仍然是最具影响力和广泛采用的物理教科书之一。其优势在于全面性、逻辑结构和实践重点。虽然对一些学生来说可能令人生畏，但作为大学物理入门的教学和参考教材，在范围和可靠性方面无与伦比。

现实应用和实例

力学

• 牛顿定律应用于车辆安全（安全带、安全气囊）和结构工程。
• 抛射体运动用于体育、弹道学和卫星发射。
• 转动动力学对涡轮机、飞轮和陀螺导航至关重要。
• 引力应用于轨道力学、太空探索和GPS技术。

振动和波

• 桥梁、建筑和乐器中的共振。
• 地震学中用于研究地震的波原理。
• 多普勒效应应用于雷达、天文学和医学成像。

热力学

• 热机和制冷机作为发电厂和家用电器的模型。
• 熵概念应用于可再生能源系统的效率极限。
• 使用大气和海洋热力学的气候建模。

电磁学

• 电路作为电子学和电气工程的基础。
• 发电和变压器中的电磁感应。
• 医学中的磁共振成像（MRI）。
• 麦克斯韦方程组应用于无线通信技术。

光学

• 相机、望远镜、显微镜和矫正镜片中的透镜系统。
• 光谱学和光学仪器中的干涉和衍射。
• 太阳镜、摄影和液晶显示器中的偏振。

相对论

• GPS卫星同步必需的狭义相对论修正。
• 使用相对论动力学设计的高能粒子加速器。
• 广义相对论应用于天体物理学、黑洞研究和引力波探测。

量子和原子物理

• 形成太阳能电池基础的光电效应。
• 半导体器件和核聚变中的量子隧穿。
• 通信、医学和工业激光技术。

核和粒子物理

• 基于裂变和放射性衰变的核电厂和医用同位素。
• 聚变研究（如ITER）旨在可持续能源解决方案。
• 推进基础科学和技术的粒子物理实验（CERN、费米实验室）。
• 塑造我们对宇宙起源和演化理解的大爆炸宇宙学。