物理学原理

引用

Serway, R. A., & Jewett, J. W., Jr. (2013). Principles of Physics: A Calculus-Based Text (5th ed.). Brooks/Cole. ISBN 9781133104261

章节概要

第1章 – 引言和矢量

介绍单位、量纲分析、有效数字、坐标系和矢量。强调建模和问题解决策略。

第2章 – 一维运动

涵盖位移、速度和加速度。讨论匀加速运动和自由落体例子。

第3章 – 二维运动

分析抛射体运动、相对速度和匀速圆周运动。介绍切向和径向加速度。

第4章 – 运动定律

探索牛顿三定律、力的概念和重量。使用自由体图和模型进行问题解决。

第5章 – 牛顿定律的更多应用

检验摩擦、圆周运动、阻力和自然界中的基本相互作用。

第6章 – 系统的能量

介绍功、动能和势能。讨论保守力与非保守力以及能量图。

第7章 – 能量守恒

表述能量守恒原理。解释功率、摩擦能量损失和稳态系统。

第8章 – 动量和碰撞

涵盖线动量、冲量、碰撞和质心运动。应用包括火箭推进。

第9章 – 相对论

介绍爱因斯坦假设、洛伦兹变换、时间膨胀、长度收缩、相对论动量和能量以及广义相对论。

第10章 – 转动运动

涵盖转动运动学、转矩和角动量。介绍滚动运动和刚体动力学。

第11章 – 角动量和平衡

解释角动量守恒、陀螺仪和结构的静平衡。

第12章 – 振动运动

分析简谐振子、摆、阻尼和驱动振荡以及共振。

第13章 – 机械波

涵盖波传播、能量传递、反射、透射和包括多普勒效应的声波。

第14章 – 叠加和驻波

介绍干涉、驻波、拍频以及在音乐声学中的应用。

第15章 – 流体力学

讨论压强、浮力、伯努利原理、粘性、湍流和生物学应用。

第16章 – 温度和动理论

探索测温学、热膨胀、理想气体定律和气体动理论。

第17章 – 热过程中的能量

涵盖热、比热、潜热和热力学第一定律。

第18章 – 热机和熵

解释热力学第二定律、卡诺循环、熵和能源效率。

第19章 – 电场

介绍库仑定律、电场概念、偶极子和高斯定律。

第20章 – 电势

讨论势能、电势、等势面和电容器。

第21章 – 电路

涵盖电流、电阻、欧姆定律、直流电路、基尔霍夫定律和RC瞬态过程。

第22章 – 磁力和磁场

介绍磁场、对电荷和电流的力、毕奥-萨伐尔定律和安培定律。

第23章 – 电磁感应

解释法拉第定律、动生电动势、电感、RL电路和磁储能。

第24章 – 电磁波

提出麦克斯韦方程、电磁波性质、偏振和电磁频谱。

第25章 – 光的反射和折射

解释几何光学、反射、折射、色散和全内反射。

第26章 – 成像

涵盖反射镜、透镜、眼睛和光学仪器。

第27章 – 波动光学

探索干涉、衍射、偏振和全息术。

第28章 – 量子物理

讨论黑体辐射、光电效应和康普顿效应、波粒二象性、不确定性和薛定谔方程。

第29章 – 原子物理

分析氢原子、量子数、泡利不相容原理、原子光谱和X射线。

第30章 – 核物理

探索核性质、结合能、放射性、衰变过程和核反应。

第31章 – 粒子物理

介绍基本力、守恒定律、介子、夸克和标准模型。

附录

包括数学工具、SI单位、周期表和选择的问题解答。

核心概念

物理学基础

• 测量、单位和量纲分析作为物理建模的基础。
• 矢量和基于微积分的工具作为描述物理系统的基本语言。

力学

• 运动学：一维、二维和三维运动。
• 牛顿运动定律及其在直线和圆周运动中的应用。
• 功、能量和机械系统中的能量守恒。
• 线动量、冲量和碰撞。
• 转动动力学、转矩和角动量守恒。
• 刚体的平衡和结构的稳定性。

相对论

• 爱因斯坦狭义相对论假设。
• 洛伦兹变换、时间膨胀和长度收缩。
• 相对论动量和能量，包括质能等价性。
• 广义相对论的入门思想。

振荡和波

• 简谐运动、阻尼和共振。
• 行波和驻波、叠加和拍频。
• 声波性质和多普勒效应。

流体力学

• 压强、浮力和帕斯卡原理。
• 伯努利方程及其在生物和工程系统中的应用。
• 实际流体中的粘性和湍流。

热力学

• 气体动理论和温度的微观解释。
• 传热方法：传导、对流、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、卡诺循环和效率。

电学和磁学

• 电场、库仑定律、高斯定律和电势。
• 电容、储能和介电材料。
• 电流、电阻、电路和基尔霍夫定律。
• 磁场、对运动电荷和电流的力。
• 电磁感应、法拉第和楞次定律以及电感。
• 麦克斯韦方程和电磁波传播。

光学

• 几何光学：反射、折射、透镜和成像。
• 波动光学：干涉、衍射、偏振和相干性。
• 光学仪器及其在成像技术中的应用。

量子物理

• 量子力学的起源：黑体辐射、光电效应、康普顿散射。
• 薛定谔方程、概率解释和不确定性原理。
• 量子模型：势阱、氢原子、原子轨道。

原子和核物理

• 原子结构、光谱、泡利不相容原理和自旋。
• 核性质、放射性、衰变模式和核能。
• 裂变、聚变和辐射在技术和医学中的应用。

粒子物理

• 基本粒子：夸克、轻子、介子、重子。
• 守恒定律和相互作用（强、弱、电磁、引力）。
• 标准模型框架和宇宙学联系。

批判性分析

教材优势

• 全面的课程覆盖：在一卷中涵盖力学、热力学、电磁学、光学、量子、核和粒子物理。
• 基于微积分的方法：强调使用微积分进行严格的问题解决，为学生的高级科学和工程课程做准备。
• 教学特色：清晰的结构，包括工作实例、问题解决策略和各种章末问题。
• 平衡的现代内容：在经典基础之外包括相对论、量子理论和粒子物理。
• 现实应用：频繁联系生物学、医学、工程和技术以将理论置于背景中。

局限性和挑战

• 数学要求：需要强有力的微积分先验知识；可能对数学背景较弱的学生构成挑战。
• 阐述密度：简洁的解释有时假设学生具有比实际更高水平的直觉。
• 问题导向：对计算的强烈强调可能掩盖与更叙述性文本相比的深层概念讨论。
• 重量和范围：大卷本在用于单一课程序列时可能令人不堪重负。

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基于微积分的物理入门课程。
• 高级物理准备：为高级力学、电磁学、热力学和现代物理提供基础。
• 与其他教材的比较：不如Halliday & Resnick简洁但更专注于问题解决；比Hewitt的概念方法更严格。

总体评价

Serway & Jewett的《物理学原理》是本科物理教育中的标准、受人尊敬的教材。其优势在于严格的、问题解决导向的方法以及经典和现代主题的整合。虽然它可能感觉密集或数学要求高，但它为学生提供了在物理和工程进一步学习中必需的分析技能和基础知识。

现实应用和实例

力学

• 通过牛顿定律和动量守恒解释的车辆安全装置（安全带、安全气囊、缓冲区）。
• 基于引力和相对论的卫星轨道、太空旅行和GPS导航。
• 桥梁、起重机和建筑物中转矩和平衡的工程应用。

相对论

• 使用时间膨胀和相对论动量的GPS卫星修正。
• 验证相对论预测的高能粒子物理实验。
• 黑洞和引力透镜等天体物理现象。

振荡和波

• 乐器、建筑物和桥梁中的共振。
• 使用驻波原理的音乐厅声学设计。
• 应用波干涉和多普勒频移研究地震的地震学。

流体力学

• 利用帕斯卡原理的液压系统（制动器、升降机、医疗器械）。
• 使用伯努利方程的飞机机翼设计中的空气动力学。
• 血流和呼吸力学等生物应用。

热力学

• 汽车、发电厂和可再生能源系统中的热机。
• 通过第一和第二定律解释的制冷和空调循环。
• 应用于气候建模和信息理论的熵考虑。

电学和磁学

• 为电子产品、通信和家用设备供电的电路。
• 应用于发电、变压器和无线充电的电磁感应。
• 依赖磁场的MRI和其他医学成像技术。

光学

• 基于透镜和反射镜光学的眼镜、显微镜、望远镜和相机。
• 应用于抗反射涂层和全息术的薄膜干涉。
• 利用反射和衍射的光纤和激光通信系统。

量子物理

• 形成太阳能电池和光传感器基础的光电效应。
• 应用于扫描隧道显微镜和半导体器件的量子隧穿。
• 应用于手术、数据存储和工业切割的激光。

原子和核物理

• 用于医学诊断和癌症治疗的放射性同位素。
• 为反应堆提供动力的核裂变；作为可持续能源的聚变研究。
• 考古学和地质学中的测年技术（碳-14、铀-铅）。

粒子物理和宇宙学

• 在CERN和其他加速器测试的标准模型预测。
• 夸克和轻子作为物质的构建块。
• 大爆炸宇宙学和暗物质研究塑造我们对宇宙的理解。