科学家与工程师物理学

引用

Tipler, P. A., & Mosca, G. (2007). Physics for Scientists and Engineers, Extended Version (6th ed.). W. H. Freeman and Company. ISBN 978-0-7167-8964-2

章节概要

第1章 – 测量和矢量

介绍物理学本质、单位、量纲分析、有效数字和矢量。为描述物理量提供数学基础。

第2章 – 一维运动

涵盖位移、速度、加速度和匀加速运动。介绍问题解决策略，以线性加速器为应用实例。

第3章 – 二维和三维运动

讨论抛射体运动、圆周运动，以及位移、速度和加速度的矢量方法。将运动分析应用于导航和GPS。

第4章 – 牛顿定律

提出牛顿三大运动定律、自由体图，以及涉及重力、接触力和张力等力的应用。

第5章 – 牛顿定律的其他应用

探索摩擦力、阻力、沿曲线路径的运动、质心和数值积分方法。

第6章 – 功和动能

介绍功、动能、功能定理，以及在曲线运动和质心系统中的应用。

第7章 – 能量守恒

讨论势能、机械能守恒和能量量子化。介绍质能等价性。

第8章 – 线动量守恒

涵盖动量守恒、碰撞、火箭推进，以及脉冲爆震发动机等应用。

第9章 – 转动

解释角速度、角加速度、转动动能和转动惯量。将牛顿第二定律应用于转动系统。

第10章 – 角动量

分析转矩、角动量守恒和转动系统中的量子化。

R章 – 狭义相对论

介绍爱因斯坦假设、时间膨胀、长度收缩、同时性、相对论动量和能量。

第11章 – 万有引力

涵盖开普勒定律、牛顿万有引力定律、引力势能和场。讨论引力透镜作为应用。

第12章 – 静力平衡与弹性

探索平衡条件、重心、稳定性、应力和应变。

第13章 – 流体

介绍密度、压强、浮力、流体动力学，以及空气动力学应用。

第14章 – 振荡

涵盖简谐运动、振荡中的能量、阻尼、共振和实际振荡系统。

第15章 – 行波

解释波动、周期波、三维波、屏障和多普勒效应。

第16章 – 叠加与驻波

分析波的叠加、驻波、共振和声学应用。

第17章 – 温度和气体动理论

介绍温标、理想气体定律和动理论。连接微观和宏观描述。

第18章 – 热和热力学第一定律

讨论热容、相变、焦耳实验、内能和PV图。

第19章 – 热力学第二定律

提出热机、制冷机、卡诺循环、熵和热力学的统计解释。

第20章 – 热性质和过程

探索热膨胀、范德瓦耳斯气体、相图和传热机制。

第21章 – 电场I：离散电荷分布

涵盖库仑定律、点电荷的电场和电场线。

第22章 – 电场II：连续电荷分布

解释高斯定律、使用对称性的场计算和导体性质。

第23章 – 电势

讨论电势能、等势面和电势计算。

第24章 – 电容

解释电容器、储能和介电材料。

第25章 – 电流和直流电路

涵盖电流、电阻、欧姆定律、电路分析和RC电路。

第26章 – 磁场

探索电荷和电流上的磁力、转矩和霍尔效应。

第27章 – 磁场的源

介绍毕奥-萨伐尔定律、安培定律和物质中的磁性。

第28章 – 磁感应

涵盖法拉第定律、楞次定律、感生电动势、电感和超导体。

第29章 – 交流电路

讨论交流电路、相量图、RLC电路、变压器和电网。

第30章 – 麦克斯韦方程和电磁波

通过麦克斯韦方程统一电和磁，并推导电磁波方程。

第31章 – 光的性质

分析光的波动和粒子性质、反射、折射、偏振和光谱。

第32章 – 光学成像

涵盖反射镜、透镜、光学仪器和像差。

第33章 – 干涉和衍射

讨论相干性、薄膜干涉、衍射和全息术。

第34章 – 波粒二象性与量子物理

介绍光子、物质波、量子化和盒中粒子模型。

第35章 – 薛定谔方程的应用

涵盖势阱、谐振子、隧穿和类氢原子。

第36章 – 原子

探索玻尔模型、原子量子理论、自旋轨道耦合和原子光谱。

第37章 – 分子

介绍分子键合、双原子分子和分子光谱。

第38章 – 固体

涵盖晶体结构、传导、能带理论、半导体和超导性。

第39章 – 相对论

用洛伦兹变换、速度叠加、相对论能量和广义相对论重新讨论爱因斯坦理论。

第40章 – 核物理

解释核性质、放射性、核反应、裂变和聚变。

第41章 – 基本粒子与宇宙

涵盖夸克、轻子、守恒定律、标准模型和宇宙学。

附录

提供SI单位、转换因子、数值数据、周期表、数学教程和精选解答。

核心概念

物理学基础

• 物理学作为基于测量、模型和实验的自然定量研究。
• 单位、量纲分析和矢量在描述物理系统中的作用。

力学

• 运动学：一维、二维和三维运动。
• 动力学：牛顿运动定律、力和自由体图。
• 功、能量和机械能守恒。
• 动量、冲量、碰撞和火箭推进。
• 转动运动：转矩、角动量和转动动力学。
• 万有引力：牛顿定律、开普勒定律和相对论修正。

相对论

• 狭义相对论：假设、时间膨胀、长度收缩、同时性、相对论能量和动量。
• 广义相对论（入门概念）：引力时间膨胀、时空弯曲。

平衡、流体和弹性

• 静力平衡条件和结构稳定性。
• 材料中的应力、应变和弹性。
• 流体静力学：浮力、帕斯卡原理和阿基米德定律。
• 流体动力学：伯努利方程、粘性和湍流。

振荡和波

• 简谐运动、阻尼和共振。
• 行波和驻波、干涉和拍频。
• 声波、强度、多普勒效应和声学。

热力学

• 气体动理论和温度的分子解释。
• 传热：传导、对流和辐射。
• 热力学第一定律：热过程中的能量守恒。
• 热力学第二定律：熵、卡诺循环和不可逆性。

电和磁

• 静电学：库仑定律、电场、高斯定律和电势。
• 电容、介电材料和储能。
• 电流、电阻、欧姆定律、电路和RC瞬态。
• 磁学：磁场、力、毕奥-萨伐尔定律、安培定律。
• 电磁感应：法拉第和楞次定律、电感、交流电路。
• 麦克斯韦方程和电磁波方程。

光学

• 波动光学：干涉、衍射和偏振。
• 几何光学：反射、折射、透镜和光学仪器。
• 光的双重性质：光子和波粒二象性。

量子物理

• 早期量子理论：黑体辐射、光电效应、康普顿散射。
• 薛定谔方程和量子态。
• 量子模型：阱、振子、隧穿、氢原子。
• 原子结构：光谱、自旋和精细结构。

分子和固体物理

• 分子键合以及振动/转动光谱。
• 晶体结构、能带理论、导体、半导体和超导性。

核和粒子物理

• 核结构、放射性、裂变和聚变。
• 基本粒子、夸克、轻子和标准模型。
• 宇宙学：早期宇宙、守恒定律和基本相互作用。

批判性分析

教材优势

• 全面覆盖：在单一卷本中涵盖经典力学、电磁学、热力学、光学、量子物理、相对论和现代主题。
• 问题解决导向：提供不同难度级别的各种问题，强调定量技能。
• 教学特色：工作实例、概念检查点和现实应用有助于学生参与。
• 现代物理整合：包含量子力学、相对论、核物理和宇宙学，使教材适用于扩展的本科课程。
• 灵活性：扩展版允许教师为不同课程序列定制内容。

局限性和挑战

• 数学强度：需要较强的微积分技能；对数学信心不足的学生可能具有挑战性。
• 呈现密度：解释有时简洁，需要补充教学或参考资料以获得更深理解。
• 概念平衡：与Hewitt的《概念物理学》等教材相比，更注重计算而非概念发展。
• 卷本大小：扩展版庞大沉重，可能限制其作为单一课程教材的吸引力。

在课程中的地位

• 主要教科书：广泛用于面向科学和工程专业的微积分基础物理入门课程。
• 高级学习准备：为专业力学、电磁学、量子物理和热力学课程奠定基础。
• 参考作用：作为问题解决技巧和物理常数的长期参考。

总体评价

Tipler & Mosca的《科学家与工程师物理学》仍然是最受尊敬的微积分基础物理教材之一。其广泛范围、严格的问题集和现代物理整合使其对本科教育极其宝贵。虽然在数学先修要求上要求较高，有时在呈现上较为密集，但它成功地为学生提供了高级科学和工程研究所需的工具和知识。

现实应用和实例

力学

• 车辆安全系统（安全带、安全气囊）用牛顿定律和动量守恒解释。
• 轨道力学应用于卫星、GPS和太空探索。
• 结构工程基于静力平衡和转矩分析。

相对论

• 高速粒子实验验证时间膨胀和长度收缩。
• GPS卫星需要相对论修正以准确导航。
• 引力透镜和黑洞物理作为天体物理应用。

流体和振荡

• 基于伯努利原理的飞机和汽车空气动力学。
• 使用帕斯卡原理的液压系统（制动器、升降机）。
• 共振现象应用于乐器和地震工程。

热力学

• 用卡诺循环建模的热机和制冷机。
• 热力学原理应用于发电厂和可再生能源系统。
• 熵概念应用于气候科学和信息论。

电和磁

• 电路理论用于电子学、通信和配电。
• 电磁感应为发电机、变压器和无线充电提供动力。
• 基于磁场和核自旋的MRI技术。

光学

• 相机、显微镜和望远镜中的透镜。
• 薄膜涂层和全息术中使用的光学干涉。
• X射线晶体学和光谱学中应用的衍射原理。

量子物理

• 光电效应形成太阳能电池的基础。
• 半导体器件和核聚变中的量子隧穿。
• 激光技术应用于医学、通信和制造。

固体物理

• 能带理论解释半导体、晶体管和集成电路。
• 超导性应用于磁悬浮列车、MRI机器和粒子加速器。

核和粒子物理

• 核裂变为反应堆提供动力，核聚变研究为可持续能源。
• 医学中使用核衰变的放射治疗。
• 粒子加速器（CERN、费米实验室）探索基础物理并推动技术进步。

宇宙学

• 大爆炸理论和宇宙微波背景辐射塑造我们对宇宙的理解。
• 守恒定律应用于天体物理过程和暗物质/暗能量研究。