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编辑推荐

　　《大学基础物理学（第3版）下》选编了大量联系实际的例题和习题，从光盘到打印机，从跳水到蹦极，从火箭到对撞机，从人造卫星到行星、星云等等都有涉及。其中还特别注意选用了我国古老文明与现代科技的资料，如王充论力，苏东坡的回文诗，神舟飞船的升空，热核反应的实验等。对这些例题和习题的分析与求解能使学生更实在又深刻地理解物理概念和规律，了解物理基础知识的重要的实际意义，同时也有助于培养学生联系实际的学风，增强民族自信心。为了便于理解，本书取材力求少而精，论述力求简而明。

内容简介

　　《大学基础物理学》（第3版）分上下两册，上册内容包括力学和热学。力学篇讲述经典的质点力学、理想流体的运动规律、刚体转动的基本内容和狭义相对论基础知识等。热学篇着重在分子论的基础上用统计概念说明温度、气体的压强以及麦克斯韦分布率。下册内容包括电磁学、波动与光学、量子物理基础。电磁学篇按传统体系讲述了电场、电势、磁场、电磁感应和电磁波的基本概念和规律，还说明了电场和磁场的相对性。波动与光学篇介绍了振动与波的基本特征和光的干涉、衍射和偏振的基本规律。量子物理基础篇介绍了波粒二象性、概率波、不确定关系和能量量子化等基本概念以及原子和固体中电子的状态和分布的规律，最后还介绍了原子核的结合能、放射性衰变和核反应等基本知识。“今日物理趣闻”栏目介绍了一些现代物理理论发展及其应用的前沿课题。本书还编写了大量来自生活、实用技术以及自然现象等方面的例题和习题。 　　本书上下册内容概括了大学物理学教学的基本要求，可作为高等院校物理课程的教材，也可作为中学物理教师或其他读者的自学参考书。 　　与本书配套的《大学基础物理学学习辅导与习题解答（第3版）》、电子教案、教师用书（电子版）均由清华大学出版社出版。本书封面贴有清华大学出版社防伪标签， 无标签者不得销售。

内页插图

目录

第3篇电磁学第10章静电场4
10.1电荷4
10.2电场和电场强度5
10.3库仑定律与静电场的计算7
10.4电场线和电通量11
10.5高斯定律13
10.6利用高斯定律求静电场的分布15
10.7导体的静电平衡19
10.8电场对电荷的作用力22
提要23
思考题24
习题25

第11章电势28
11.1静电场的保守性28
11.2电势差和电势30
11.3电势叠加原理32
11.4等势面34
11.5电势梯度36
11.6点电荷在外电场中的静电势能38
*11.7电荷系的静电能39
11.8静电场的能量40
提要42
思考题43
习题43目录大学基础物理学（第3版）下第12章电容器和电介质46
12.1电容器及其电容46
12.2电容器的联接48
12.3电介质对电场的影响50
12.4电介质的极化51
12.5D矢量及其高斯定律54
12.6电容器的能量54
12.7电介质中电场的能量55
提要56
思考题57
习题57

第13章电流和磁场60
13.1电流和电流密度60
13.2电流的一种经典微观图像欧姆定律62
13.3磁力与电荷的运动64
13.4磁场与磁感应强度65
13.5毕奥�踩�伐尔定律67
*13.6匀速运动点电荷的磁场72
13.7安培环路定理73
13.8利用安培环路定理求磁场的分布76
13.9与变化电场相联系的磁场78
提要81
思考题82
习题83

第14章磁力85
14.1带电粒子在磁场中的运动85
14.2霍尔效应87
14.3载流导线在磁场中受的磁力89
14.4载流线圈在均匀磁场中受的磁力矩90
14.5平行载流导线间的相互作用力92
提要95
思考题95
习题96

第15章物质的磁性99
15.1物质对磁场的影响99
15.2原子的磁矩100
15.3物质的磁化102
15.4H矢量及其环路定理103
15.5铁磁质104
15.6简单磁路108
提要109
思考题109
习题110

第16章电磁感应和电磁波113
16.1法拉第电磁感应定律113
16.2动生电动势115
16.3感生电动势和感生电场118
16.4互感120
16.5自感121
16.6磁场的能量123
16.7麦克斯韦方程组125
16.8电磁波125
*16.9电磁波的动量128
提要130
思考题131
习题132

第4篇波动与光学第17章振动138
17.1简谐运动的描述138
17.2简谐运动的动力学141
17.3简谐运动的能量143
17.4阻尼振动144
17.5受迫振动共振145
17.6同一直线上同频率的简谐运动的合成147
17.7同一直线上不同频率的简谐运动的合成148
*17.8谐振分析149
*17.9两个相互垂直的简谐运动的合成152
提要153
思考题154
习题154

第18章波动158
18.1行波158
18.2简谐波的形成过程159
18.3简谐波的波函数波长161
18.4物体的弹性形变164
18.5弹性介质中的波速166
18.6波的能量168
18.7惠更斯原理与波的反射和折射170
18.8波的叠加驻波172
18.9声波175
18.10多普勒效应178
*18.11行波的叠加和群速度182
提要184
思考题186
习题187

第19章光的干涉191
19.1杨氏双缝干涉191
19.2相干光194
19.3光程197
19.4薄膜干涉198
19.5迈克耳孙干涉仪200
提要201
思考题202
习题203

第20章光的衍射206
20.1光的衍射和惠更斯|菲涅耳原理206
20.2单缝的夫琅禾费衍射207
20.3光学仪器的分辨本领212
20.4细丝和细粒的衍射214
20.5光栅衍射216
20.6X射线衍射220
提要223
思考题223
习题224

今日物理趣闻C全息照相C.1全息照片的拍摄227
C.2全息图像的观察229
C.3全息的应用230

第21章光的偏振232
21.1自然光和偏振光232
21.2由介质吸收引起的光的偏振233
21.3由反射引起的光的偏振235
21.4由双折射引起的光的偏振236
*21.5由散射引起的光的偏振238
*21.6旋光现象239
提要240
思考题241
习题242

第5篇量子物理基础第22章量子物理的基本概念245
22.1量子概念的诞生245
22.2光的粒子性的提出247
22.3康普顿散射250
22.4粒子的波动性252
22.5概率波与概率幅255
22.6不确定关系258
22.7薛定谔方程262
22.8无限深方势阱中的粒子263
22.9势垒穿透266
*22.10谐振子269
提要271
思考题272
习题273

第23章原子中的电子275
23.1氢原子275
23.2电子的自旋与自旋轨道耦合280
23.3各种原子中电子的排布285
*23.4X射线谱289
23.5激光291
*23.6分子的振动和转动能级294
提要297
思考题299
习题299

第24章固体中的电子301
24.1自由电子按能量的分布301
24.2金属导电的量子论解释304
24.3能带导体和绝缘体305
24.4半导体307
24.5PN结309
24.6半导体器件310
提要312
思考题313
习题313

今日物理趣闻D新奇的纳米科技D.1什么是纳米科技315
D.2纳米材料316
D.3纳米器件317

第25章核物理319
25.1核的一般性质319
25.2核力322
25.3核的结合能323
*25.4核的液滴模型325
25.5放射性和衰变定律328
25.6三种射线331
25.7核反应334
提要336
思考题337
习题337
元素周期表339
数值表340
习题答案342
索引351
参考文献362

精彩书摘

　　第12章 电容器和电介质 　　前面两章我们讨论了真空中以及导体存在时的电场。实际上，电场中也存在电介质，即绝缘体。本章将讨论电介质和电场的相互影响。为了讲解的方便，先介绍一种用途广泛的电学元件——电容器。然后说明电场对电介质的影响——电极化以及电介质极化后对电场的影响，为此引入电位移矢量及高斯定律。最后介绍电容器的能量并导出有电介质存在时的电场能量密度公式。12.1电容器及其电容 　　靠近的两个导体带电时会通过它们的电场相互发生影响。这在实际的电子线路中是需要考虑的，也常利用这种现象为特定目的形成特殊分布的电场，电容器就是一例。 　　图12.1平行板电容器带电和 　　电场分布情况电容器的最简单而且最基本的形式是平行板电容器。它是用两块平行放置的相互绝缘的金属板构成的（图12.1），本节讨论板间为真空的情况。平行板电容器带电时，它的两个金属板的相对的两个表面（这是一个电容器的有效表面）上总是同时分别带上等量异号的电荷+Q和-Q，这时两板间有一定的电压U=φ+-φ-。一个电容器所带的电量Q总与其电压U成正比，比值Q/U叫电容器的电容。以C表示电容器的电容，就有C=QU(12.1)电容器的电容决定于电容器本身的结构，即两导体的形状、尺寸以及两导体间电介质的种类（见12.3节）等，而与它所带的电量无关。 　　在国际单位制中，电容的单位名称是法［拉］，符号为F，1F=1C/V实际上1F是非常大的，常用的单位是μF或pF等较小的单位，1μF=10-6F 　　1pF=10-12F从式(12.1)可以看出，在电压相同的条件下，电容C越大的电容器，所储存的电量越多。这说明电容是反映电容器储存电荷本领大小的物理量。实际上除了储存电量外，电容器在电工和电子线路中起着很多作用。交流电路中电流和电压的控制，发射机中振荡电流的产生，接收机中的调谐，整流电路中的滤波，电子线路中的时间延迟等都要用到电容器。 　　简单电容器的电容易于计算出来，下面举几个例子。对如图12.1所示的平行板电容器，以S表示两平行金属板相对着的表面积，以d表示两板之间的距离，仍设两板间为真空。为了求它的电容，我们假设它带上电量Q(即两板上相对的两个表面分别带上+Q和-Q的电荷)。忽略边缘效应（即边缘处电场的不均匀情况），可以认为它的两板间的电场是均匀电场，电场强度为第12章电容器和电介质12.1电容器及其电容E=σε0=Qε0S两板间的电压就是U=Ed=Qdε0S将此电压代入电容的定义式(12.1)就可得出平行板电容器的电容为C=ε0Sd(12.2)圆柱形电容器由两个同轴的金属簿壁圆筒组成。如图12.2所示，设筒的长度为L，两筒的半径分别为R1和R2，两筒之间仍设为真空。为了求出这种电容器的电容，我们也假设它带有电量Q(即外筒的内表面和内筒的外表面分别带有电量-Q和+Q)。忽略两端的边缘效应，可以求出，在两圆筒间距离轴线为r的一点的电场强度为 　　E=Q2πε0rL, 　　场强的方向垂直于轴线而沿径向，由此可以求出两圆筒间的电压为U=∫E·dr=∫R2R1Q2πε0rLdr=Q2πε0LlnR2R1将此电压代入电容的定义式(12.1)，就可得圆柱形电容器的电容为C=2πε0Lln(R2/R1)(12.3)球形电容器是由两个同心的导体球壳组成。如果两球壳间为真空(图12.3)，则可用与上面类似的方法求出球形电容器的电容为 　　图12.2圆柱形电容器图12.3球形电容器C=4πε0R1R2R2-R1(12.4)式中R1和R2分别表示内球壳外表面和外球壳内表面的半径。 　　式（12.2）、式（12.3）和式（12.4）的结果都表明电容的确只决定于电容器的结构。 　　实际的电工和电子装置中任何两个彼此隔离的导体之间都有电容，例如两条输电线之间，电子线路中两段靠近的导线之间都有电容。这种电容实际上反映了两部分导体之间通过电场的相互影响，有时叫做“杂散电容”或“分布电容”。在有些情况下(如高频率的变化电流)，这种杂散电容对电路的性质产生明显的影响。 　　对一个孤立导体，可以认为它和无限远处的另一导体组成一个电容器。这样一个电容器的电容就叫做这个孤立导体的电容。例如对一个在空气中的半径为R的孤立的导体球，就可以认为它和一个半径为无限大的同心导体球组成一个电容器。这样，利用式(12.4)，使R2→∞，将R1改写为R，又因为空气可近似地当真空处理，所以这个导体球的电容就是C=4πε0R(12.5)衡量一个实际的电容器的性能有两个主要的指标，一个是它的电容的大小，另一个是它的耐(电)压能力。使用电容器时，所加的电压不能超过规定的耐压值，否则在电介质中就会产生过大的场强，而使它有被击穿而失效的危险（见12.3节）。12.2电容器的联接 　　12.2电容器的联接在实际电路中当遇到单独一个电容器的电容或耐压能力不能满足要求时，就把几个电容器联接起来使用。电容器联接的基本方式有并联和串联两种。 　　图12.4电容器联接 　　(a) 三个电容器并联； (b) 三个电容器串联 　　并联电容器组如图12.4(a)所示。这时各电容器的电压相等，即总电压U，而总电量Q为各电容器所带的电量之和。以C=Q/U表示电容器组的总电容或等效电容，则可证明，对并联电容器组，Cpar=∑Ci(12.6)串联电容器组如图12.5(b)所示。这时各电容器所带电量相等，也就是电容器组的总电量Q，总电压U等于各个电容器的电压之和。仍以C=Q/U表示总电容，则可以证明，对于串联电容器组1Cser=∑1Ci(12.7)电容器的并联和串联比较如下。并联时，总电容增大了，但因每个电容器都直接连到电压源上，所以电容器组的耐压能力受到耐压能力最低的那个电容器的限制。串联时，总电容比每个电容器都减小了，但是，由于总电压分配到各个电容器上，所以可以提高电容器组的耐压能力。 　　下面给出式（12.6）和式（12.7）的证明。 　　对图12.4（a）表示的三个电容器并联情况，由于它们的一个板连在一起，另一个板也连在一起，连在一起的板的电势相等，所以各电容器具有相同的电压，即U1=U2=U3=U，即U为电容器组的电压。由于各电容器的电量都是由电源供给的，所以电容器的总电量为Q=Q1+Q2+Q3。根据式（12.1），电容器组的总电容为C=QU=Q1U1+Q2U2+Q3U3又根据式（12.1），后面各项分别等于各电容器的电容，所以由上式可得C=C1+C2+C3。把此结果推广到任意多个电容器的并联，就得到式（12.6）。 　　对图12.4（b）表示的三个电容器串联的情况，各电容器的一个板依次单独与下一个电容器的一个板相连接，电源只向最外面的两板供给电量+Q和-Q，其他各板所带电量都是静电感应产生的，所以Q1=Q2=Q3=Q即为电容器组的总电量。电容器组的总电压显然等于各电容器的电压之和，即U=U1+U2+U3。根据式（12.1），以C表示电容器的总电容，则其倒数1C=UQ=U1Q1+U2Q2+U3Q3又根据式（12.1），后面各项分别等于各电容器电容的倒数。所以由上式可得1C=1C1+1C2+1C3,把这一结果推广到任意多个电容器的串联，就得到式（12.7）。例12.1电容器的混联。三个电容器C1=20μF,C2=40μF,C3=60μF,联接如图12.5，求这一组合的总电容。如果在A、B间加电压U=220V,则各电容器上的电压和电量各是多少？图12.5混联电容器组　　……

前言/序言

　　大学物理课程在高等学校理工科专业类人才培养中具有其他课程所不能替代的重要作用。大学物理教学不仅教给学生一些必要的物理基础知识，更重要的是引导学生在学习过程中，逐渐形成正确的科学观，掌握科学方法，树立科学精神。物理学还可以开拓学生视野，提高创新意识。 　　《大学基础物理学》（第3版）是在《大学基础物理学》(第2版)（清华大学出版社，2006年）的基础上，根据教育部高等学校物理基础课程教学指导委员会于2011年2月出版的《理工科类大学物理课程教学基本要求》的精神，结合不同类型高校、不同层次教学实践的需要，并听取近些年高等院校师生的反馈信息修订而成的。其中阮东负责第二、四、五篇；安宇负责第一、三篇。本次修订保持了第2版整体结构严谨、精炼，讲述简明、流畅，便于教学的特点。主要修改了第2版中的一些文字表述，更换了部分图表，订正了排版错误。考虑到当今网络使用的便捷和海量资源共享，我们只保留了部分与书中教学内容关联紧密的、有趣的课外阅读材料，以激发学习兴趣，丰富学生的知识面。 　　阮东安宇2016年12月于清华园 　　大学物理课程是大学阶段一门重要的基础课，它将在高中物理的基础上进一步提高学生的现代科学素质。为此，物理课程应提供内容更广泛更深入的系统的现代物理学知识，并在介绍这些知识的同时进一步培养学生的科学思想、方法和态度并引发学生的创新意识和能力。 　　根据上述对大学物理课程任务的理解，本书在高中物理的基础上系统而又严谨地讲述了基本的物理原理。内容的安排总体上是按传统的力、热、电、光、量子物理的顺序。所以“固守”此传统，是因为到目前为止，物理学的发展并没有达到可能和必要在基础物理教学上改变这一总体系的程度。书中具体内容主要是经典物理基本知识，但同时也包含了许多现代物理，乃至一些物理学前沿的理论和实验以及它们在现代技术中应用的知识。本书还开辟了“今日物理趣闻”专栏，简要地介绍了如奇妙的对称性、宇宙发展、全息等课题，以开阔学生视野，激发其学习兴趣，并启迪其创造性。 　　本书选编了大量联系实际的例题和习题，从光盘到打印机，从跳水到蹦极，从火箭到对撞机，从人造卫星到行星、星云等等都有涉及。其中还特别注意选用了我国古老文明与现代科技的资料，如王充论力，苏东坡的回文诗，神舟飞船的升空，热核反应的实验等。对这些例题和习题的分析与求解能使学生更实在又深刻地理解物理概念和规律，了解物理基础知识的重要的实际意义，同时也有助于培养学生联系实际的学风，增强民族自信心。为了便于理解，本书取材力求少而精，论述力求简而明。 　　本书是在第1版（清华大学出版社2003）的基础上，参考老师和学生的意见和建议，并融入了笔者对教学内容的新体会重新修改而成。 　　本书分上下两册，共包括五篇： 力学、热学、电磁学、波动与光学、量子物理简介。 　　力学篇完全按传统体系讲述。以牛顿定律为基础和出发点，引入动量、角动量和能量概念，导出动量、角动量和机械能等的守恒定律，最后将它们都推广到普遍的形式。守恒定律在物理思想和方法上讲固然是重要的，但在解决实际问题时经典的动力学概念与规律也常是不可或缺的。本书对后者也作了较详细的讲解。力学篇还强调了参考系的概念，说明了守恒定律的意义，并注意到物理概念和理论的衍生和发展。热学篇除了对系统——特别是气体——的宏观性质及其变化规律作了清晰的介绍外，大大加强了在分子理论基础上的统计概念和规律的讲解。除了在第7章温度和气体动理论中着重介绍了统计规律外，在其他各章对功、热的实质、热力学第一定

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