《基础物理学教程 上》李明，肖剑荣主编|(epub+azw3+mobi+pdf)电子书下载

图书名称：《基础物理学教程 上》

【作　者】李明，肖剑荣主编

【页 数】 226

【出版社】 北京：北京邮电大学出版社 , 2021.12

【ISBN号】978-7-5635-6547-4

【价 格】45.00

【分 类】物理学-高等学校-教材

【参考文献】 李明，肖剑荣主编. 基础物理学教程 上. 北京：北京邮电大学出版社, 2021.12.

《基础物理学教程 上》内容提要：

《基础物理学教程 上》内容试读

绪论

§0.1物理学的起源与发展

物理学是研究物质的基本结构、相互作用和物质最基本、最普遍的运动方式及其相互转化规律的学科。

物理学的研究对象具有极大的普遍性，因此，物理学是自然科学的许多领域和工程技术的基础，它的基本理论渗透自然科学的一切领域，应用于生产技术的各个部门。以物理学基础知识为内容的大学物理课程，它所包括的经典物理、近代物理和物理学在科学技术上的应用等知识都是一个高级技术人员所必备的，因此，大学物理是理工类专业学生的一门重要的必修基础课。为此，本章将沿着物理学发展的历程，介绍经典物理学的建立过程，以及20世纪物理学的革命，使读者对物理学的理论体系、研究方法及其作用有一个初步的了解。

0.1.1从自然哲学到物理学

物理学的前身称为自然哲学。古希腊人把所有对自然界的观察和思考，笼统地包含在一门学问里，那就是自然哲学。中国作为发明指南针、火药、造纸术和印刷术的文明古国，在哲学思考上很有特色。战国时期后期墨家的著作《墨经》里面记载了许多关于自然科学问题的研究，其中有一句话：“力，形之所以奋也。”“形”可解释为“物体”，“奋”可解释为“运动的加速”，这与后来的牛顿第二定律极为相似。牛顿划时代的著作名为《自然哲学的数学原理》，指出物理学最直接地关心自然界最基本规律，所以牛顿把当时的物理学叫作自然哲学。

古希腊的亚里士多德(Aristoteles,公元前384一公元前322)是一位百科全书式的学者，系统研究了运动、空间和时间等物理及相关的其他自然科学方面的问题，著有《物理学》《力学问题》《论天》等书籍。他的著作处于古希腊及整个中世纪自然哲学的皇冠地位，其中《物理学》一书，是physics一词最早的起源。他提出了许多概念，但有一些是错误的，如“在地球上重物比轻物落得快”，直到伽利略(Galileo Galilei,1564一1642)在其著作《关于力学和位置运动的

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两门新科学的对话》中通过“实验”推演才纠正过来。又如亚里士多德的“地心说”。他认为地球位于整个宇宙的中心，整个宇宙由环绕地球的七个同心球壳所组成，月亮、太阳、星星在其上做完美的圆周运动。当然，用今天的知识我们很容易指出其错误，但昨天终归不是今天。在两千多年前，亚里士多德敢于主张“地球是球形”，较之远古人的“大地是平坦的”，客观地说，那是人类认识上的一大飞跃，但后来这种说法被神学所利用。

在封建王权和教会的统治下，欧洲中世纪的科学发展十分缓慢。直到15世纪后，文艺复兴解放了人们的思想，为科学实验开展提供了前所未有的条件，带动了科学理论的飞速发展。

0.1.2经典物理学的建立

波兰天文学家哥白尼(N.Copernicus,1473一1543)在他的不朽著作《天体运行论》中，提出“太阳是宇宙的中心，地球是围绕太阳旋转的一颗行星”的日心说，引起了宇宙观的大革命。日心说使教会感到恐慌，因为这打击了教会一直以来构建的意识形态和神学体系，于是“日心说”被称为“邪说”，《天体运行论》被列为禁书。为捍卫真理，当时的科学家进行了不屈不挠、可歌可泣的斗争，如意大利天文学家布鲁诺(G.Bruno,1548一1600)为此付出了生命。这种科学的精神和崇高的胸怀永远让人崇敬，值得我们永远学习。

在15世纪以后，科学得到空前发展，逐步建立了比较完整的系统理论。物理学先驱伽利略研究了落体和斜面运动，发展了科学实验方法，并提出了物质惯性等重要概念。到17世纪，杰出的英国物理学家牛顿(I.Newton,1643一1727)在前人工作的基础上，于1678年发表了他的名著《自然哲学的数学原理》，提出牛顿运动定律，这成为经典力学的理论基石。后来，他在开普勒(J.Kepler,15711630)提出的行星运动三定律的基础上，提出了万有引力定律，这是牛顿对物理学的两大杰出的贡献。牛顿还是位数学家，他和莱布尼茨同时创立了微积分，并应用于力学，使力学与数学不断结合。后来，欧拉、拉格朗日等人进一步使力学沿分析方向发展，建立了分析力学。至此，宏观物体的机械运动所遵循的规律—经典力学已建立起来了。我们常把经典力学称为牛顿力学，它的建立被认为是第

一次科学革命，这是现代意义下的物理学的开端。牛顿也被誉为科学史上的一位巨人，因为他代表了整整一个时代。

19世纪中期，在实验的基础上，人们确立了能量守恒定律，其另

一种表达形式是热力学第一定律，这和进化论及细胞学说并列为当时的三大自然发现。能量的转化和守恒是一回事，但能量的可利用性是另一回事，对可利用能的研究引发了热力学第二定律的建立。后来，通过对低温的研究，人们了解到“绝对零度”（约为一273.15℃）

绪

论

是不可能达到的，这就是热力学第三定律。同时，物理学家意识到热平衡的基本规律是热现象的基础，是一切热现象的出发点，应列入热力学定律。因为这时热力学第一和第二定律都已有了明确的内容和含义，有人提出这应该是第零定律。于是，热力学形成了一个以四个定律为基础的系统完整的体系。这样，从18世纪到19世纪，在大量实验的基础上，卡诺、焦耳、开尔文、克劳修斯等建立了宏观的热力学理论，克劳修斯、麦克斯韦、玻耳兹曼等建立了说明热现象的气体分子动理论，并逐渐发展建立了统计物理学。

从美国的富兰克林(B.Franklin,1706一1790)首次用风筝把“天电”引人实验室，到英国的卡文迪许(H.Cavendish,1731一1810)精密地用实验证明了静电力与距离的平方成反比，再经过法国人库仑(C.A.Coulomb,1736一1806)的研究，最后静电学的基础库仑定律才得以确立。电荷的流动显现为电流，电流会对周围产生磁的效应。电能生磁，那磁能否生电呢？英国物理学家法拉第(M.Faraday,1791一1867)于1831年发现并确立了电磁感应定律，这一划时代的伟大发现是今天广泛应用电力的开端。完整地总结电和磁关系的工作是由麦克斯韦(J.C.Maxwell,1831一1879)完成的，他建立了“麦克斯韦方程组”，是19世纪物理学最辉煌的成就。经过库仑、奥斯特、安培、法拉第、麦克斯韦的努力，至此，电磁学理论才较完整地建立了。

光的现象是一类重要的物理现象。光的本质是什么一直是物理学要回答的问题。17世纪，人们对光的本质提出了两种假说：一种是牛顿的微粒说，认为光是发光物体射出的大量的微粒；另一种是荷兰科学家惠更斯(Christian Huygens,1629一1695)的波动说，认为光是发光物体发出的波。两种假说的支持者们展开了旷日持久的论战。开始由于牛顿在科学界的威望，以及光在均匀介质中的直线传播、折射与反射现象等实验的支持，微粒说占据有利地位。后来，随着光的干涉、衍射现象的发现，波动说得到了强有力的支持。最后，在19世纪麦克斯韦确认了光实际上是一种电磁波，波动光学由此建立。

到19世纪末，经典物理学理论已经系统、完整地建立，它包括经典力学、热力学、统计物理学、电磁学（光学）。至此，经典物理学理论体系的辉煌的科学大厦巍然耸立。

0.1.320世纪初物理学的革命

经过力学、热力学与统计物理学、电磁学和光学各分支学科的迅猛发展，到19世纪末，物理学的理论看来似乎已经很完善了。英国物理学家开尔文(W.Thomson,Lord Kelvin,1824一1907)在著名的题为《在热和光的动力理论上的19世纪乌云》的演说中说：“在已

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经基本建成的科学大厦中，后辈物理学家似乎只要做一些零碎的修补工作就行了；但是，在物理学晴朗天空的远处，还有两朵令人不安的乌云。”开尔文所说的一朵乌云指的是热辐射的“紫外灾难”，它冲击了电磁理论和统计物理；另一朵乌云指的是迈克耳孙-莫雷实验的“零结果”，它否定了“以太”的存在。开尔文没料到，正是这两朵小小的乌云，引发了物理学史上又一场伟大的革命。

1905年，著名物理学家爱因斯坦(A.Einstein,1879一1955)对高速物体运动进行研究，创立了狭义相对论。爱因斯坦以其独特的思维方式，发动了一场关于时空观的革命。从低速到高速，从小宇宙到大宇宙，爱因斯坦于1915年建立了广义相对论，使人们视野扩展到广阔无垠的宇宙空间。爱因斯坦因他的相对论，做出了划时代的贡献。

在研究黑体辐射时，普朗克(M.Planck,1858一1947)发现：若假设光子能量是量子化的，则理论与实验结果相符。这之后，在爱因斯坦、玻尔、德布罗意、海森伯、薛定谔、玻恩等多人的努力下，量子论和量子力学得以创立，这是近代物理学的理论基础，

20世纪初，相对论和量子力学的创立完成了近代物理学的一场深远的革命，从而把物理学的伟大革命推向了一个高潮，把人类认识世界的能力提升到了前所未有的高度，为实践应用开辟了广阔的道路，为20世纪层出不穷、不断涌现的高科技、新学科、新技术的发展准备了基础。19世纪两朵令人不安的乌云转化为近代物理学诞生的彩霞。

今天，随着科学的发展，从物理学中不断地分化出诸如粒子物理、原子核物理、原子分子物理、凝聚态物理、激光物理、电子物理、等离子体物理等名目繁多的分支学科，从物理学和其他学科的杂交中又生长出天体物理、地球物理、化学物理、生物物理等众多交叉学科。物理学不仅仍然是自然科学基础研究中最重要的前沿学科之

一，而且已发展成为一门应用性极强、渗透性极强的学科。今天的物理学决不仅是少数物理学家关起门来埋头研究的专门学问，而是生机勃勃地向一切科学技术渗透的一种力量，它已经，而且正在继续改变我们这个世界！

§0.2为什么要学习物理学

0.2.1物理学是整个自然科学的基础

人类在历史上经历了三次工业革命的变革，这三次工业革命的发生都与物理学的一次次重大的突破相关。

绪

论

18世纪，力学和热学的应用促使蒸汽机被发明，而蒸汽机是第

一次工业革命的主要标志。第一次工业革命时，采煤业、运输业、钢铁工业、工业制造业等迅速发展，人类进入了机器工业社会。

19世纪，电磁学的发展使电力技术被广泛开发和应用，这是第

二次工业革命的主要表现。发电机、供电系统、电报、电话、电灯等发明使人类进入了“电气时代”。

20世纪，以相对论量子物理学的应用与核能、晶体管、计算机、电子技术相继出现为代表的第三次工业革命（又称第三次科技革命)发生。核电站、登月、激光、超导、机器人、互联网、空间站、受控核聚变、纳米技术、基因工程等技术也是以物理学为基础的。

数学、物理两门学科一般被认定为是自然科学的基础。物理学以它的普遍性、基础性和与其他学科的相关性（提供理论基础、研究方法和实验手段)在自然科学中占有独特的地位。在19世纪，力学、热学、电磁学从少得惊人的几条基本原理出发，引出了众多意义深远的推论，加强了物理学同数学、天文学、化学和哲学的密切联系。近代科学的发展，使物理学进一步与其他学科融合，如量子力学是物理化学和结构化学的理论基础。在这个过程中又产生了许多交叉学科，如生物物理学、量子生物学和生物磁学等。现代计量学多采用物理现象来定义它的基本单位（如时间、长度等），甚至连考古、艺术等学科，也采用了近代物理学的成就和方法。可见，物理学不仅加速了人类了对自然界的探索，同时也对人类的社会进步做出了巨大的贡献。

0.2.2学好物理学，我们将终身受益

学好物理学知识，可以为后继的专业课程打好基础；俗话说得好：“学好数理化，走遍天下都不怕”。学好物理学方法，可以掌握科学的学习方法、科学的思维方法、科学的研究方法。真正学会物理，能很好地提高科学素质和能力（发现和提出问题的能力、分析和解决问题的能力、创新思维能力等)，为今后的发展奠定基础。

在物理的学习中，我们还能得到美的享受。几百年来，人们对物理学中的“简单、和谐、统一”感到赏心悦目，并赞叹不已。物理规律在各自适用的范围内有其普遍的适用性、统一性和简单性，这本身就是一种深刻的美。表达物理规律的语言是数学语言，而且往往是非常简单的数学表达式，这又是一种微妙的美。如完整地总结电和磁关系的麦克斯韦方程组，形式极为对称、和谐和优美，被誉为物理学中“最美的一首诗”；爱因斯坦的质能关系式一E=mc2,形式极为简单，却揭示了一种巨大的能量一原子核能可从核内释放出来的深刻理论，促进了人们利用原子能的进程，因而质能关系式后被称为“改变世界的方程”。

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§0.3物理学的方法及思想

回顾物理学的发展，我们会感到：当今物理学成果实在是太丰富了！一系列重大的突破性成果的取得，充分体现了物理学家勇于探索、不畏艰难的精神，更得益于物理学家的创造性思维及正确科学方法的运用。科学家们以广博的学识、深邃的洞察力、创造性的思维，系统运用了分析、综合、模型、假设、类比等系列科学方法，掀起了一场场科学研究方法的变革。我们学习物理学，不应该只是掌握其知识内容，更重要的是掌握其物理思想和物理方法，这才是物理学的精华之所在。对那些杰出的物理学家的丰富的物理思想、绝妙的物理方法，我们不应该只是赞叹不止，更重要的是好好领悟，并力求做到掌握。下面仅就重要的典型物理思想及方法进行简介。

1.模型方法

物理学研究中发展出一种十分成功的研究方法，叫作模型方法。它是一种抓住主要矛盾，暂时除去次要矛盾，从而使问题简化的方法。它具有三大特性：简单性、形象性、近似性。它突出本质，亦更深刻、更正确、更完全地反映着自然，这也是物理学建立模型的目的之所在。实际上，物理学的全部原理、定律都是对于一定的模型行为的刻画。如力学中的质点、刚体、弹性体等模型；在原子结构研究中，相继出现了汤姆孙“西瓜”模型（发现电子），卢瑟福原子核模型（α散射实验），玻尔原子模型（原子光谱实验规律），液滴模型、费米气体模型、壳层模型、集体模型（强子高激发态谱和高能深度非弹性散射实验)，夸克模型（引发了一个到现在仍然无法解决“夸克囚禁”的核力问题)，这一个个模型的产生，引发了一个个新理论的建立：量子力学、原子物理学、原子核物理、粒子物理学，把物理学推向了一个个新高峰。

2.类比方法

类比方法是物理学研究中常用的一种逻辑推理方法，是根据两个或两类对象之间某些方面的相似性，从而推理出它们在其他方面也可能相似的方法。

例如，电磁学中电与磁的相似性不仅反映了自然界的对称美，而且也说明电与磁之间有一种内在联系，法拉第正是从电与磁的对称性出发，由电能生磁大胆猜想磁能生电，发现了电磁感应现象；海森伯、玻恩从物质的粒子图像出发，采用矩阵代数方法构筑的矩阵力学建立了量子力学，而薛定谔从物质的波动图像出发，用以偏微分方程形式表达理论的波动力学建立了量子力学，两者殊途同归，

···试读结束···