了得網自然科學_大學物理（上冊）

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內容簡介

《大學物理（上冊）》是根據*非物理專業物理基礎課程教學指導委員會**制定的《理工科非物理專業大學物理課程教學基本要求（討論稿）》編寫而成的。《大學物理（上冊）》包括了基本要求中的所有核心內容，可供不同專業選用。
《大學物理（上冊）》分為上、下兩冊。上冊包括力學和電磁學，下冊包括振動、波動、光學、氣體動理論、熱力學基礎、狹義相對論和量子物理簡介等。和《大學物理（上冊）》相配套的還有《大學物理學習指導與習題解答》。

目錄
**章質點運動學 1
**節質點參考繫坐標繫 1
一、參考繫和坐標繫 1
二、質點 2
三、時間和空間 2
第二節位置矢量運動方程 3
一、位置矢量 3
二、運動方程軌跡方程 3
第三節速度和加速度 4
一、位移矢量 4
二、速度 4
三、加速度 5
第四節質點運動學的兩類問題 7
一、**類問題 7
二、第二類問題 8
第五節圓周運動 8
一、平面極坐標 9
二、圓周運動 9
習題一 13
第二章牛頓定律 16
**節牛頓定律 16
一、牛頓**運動定律 16
二、牛頓第二運動定律 17
三、牛頓第三運動定律 18
第二節牛頓運動定律的應用 19
第三節物理量的單位和量綱 22
第四節非慣性參考繫慣性力 22
習題二 24
第三章動量守恆定律能量守恆定律 27
**節動量定理動量守恆定律 27
一、質點的動量定理 27
二、質點繫的動量定理 28
三、動量守恆定律 30
第二節功功率動能定理 31
一、功 31
二、功率 32
三、質點的動能定理 33
第三節保守力與非保守力勢能 35
一、萬有引力、重力、彈性力做功的特點 35
二、保守力和非保守力 37
三、勢能 37
第四節功能原理機械能守恆定律 38
一、質點繫的動能定理 38
二、功能原理 39
三、機械能守恆定律 40
第五節踫撞 41
一、完全彈性踫撞 41
二、完全非彈性踫撞 42
第六節質心質心運動定律 43
一、質心 43
二、質心運動定理 44
三、質心動量守恆定律 45
習題三 45
第四章剛體的轉動 49
**節剛體的定軸轉動 49
一、剛體 49
二、剛體的基本運動 49
三、剛體繞固定軸的轉動 50
第二節力矩轉動慣量和轉動定律平行軸定理 52
一、力矩 52
二、轉動定律 53
三、轉動慣量 54
四、平行軸定理 55
五、剛體的幾種常用轉動慣量 55
第三節角動量角動量守恆定律 57
一、質點的角動量定理和角動量守恆 57
二、剛體繞定軸轉動的角動量定理和角動量定理 60
三、角動量守恆定律 61
第四節力矩的功剛體繞定軸轉動的動能定理 62
一、力矩的功 62
二、轉動動能 62
三、剛體定軸轉動的動能定理 63
習題四 65
第五章靜電場 70
**節電荷的量子化電荷守恆定律 70
一、電荷的量子化 70
二、電荷守恆定律 71
第二節庫侖定律 71
一、點電荷 71
二、庫侖定律 71
三、電荷的連續分布 72
第三節電場強度 72
一、靜電場 72
二、電場強度矢量E 72
三、點電荷的電場強度 73
四、電場強度疊加原理 73
五、電偶極子的電場強度 74
第四節電場強度的通量高斯定理 76
一、電場線 76
二、電場強度通量Φe 77
三、高斯定理 79
四、高斯定理的應用 81
第五節靜電場的環路定理電勢能 83
一、靜電場做功的特點 83
二、靜電場的環路定理 84
三、電勢能 85
第六節電勢 86
一、電勢 86
二、電勢的疊加原理 87
三、電勢的計算、舉例 87
第七節電場強度與電勢梯度 89
一、等勢面 89
二、電場強度與電勢梯度 90
習題五 92
第六章靜電場中的導體與電介質 96
**節靜電場中的導體 96
一、靜電感應 96
二、靜電平衡條件 97
三、靜電平衡狀態下導體的性質 97
四、尖端放電 100
五、靜電屏蔽 101
第二節靜電場中的電介質 102
一、有介質的電容器 102
二、電介質的極化 103
三、極化強度矢量 105
四、極化電荷σ'與自由電荷σ0 的關繫 106
五、電位移矢量 106
第三節有電介質時的高斯定理 107
第四節電容電容器 109
一、孤立導體的電容 109
二、電容器 110
三、電容器的並聯和串聯 110
四、電容器的計算 111
第五節靜電場的能量能量密度 113
一、點電荷繫統的能量 113
二、孤立導體的能量 114
三、電場的能量 115
習題六 116
第七章穩恆磁場 119
**節電流電動勢 119
一、電流及其產生的條件 119
二、電源的電動勢 119
三、電流的各種效應 120
第二節電流強度電流密度矢量 120
一、電流強度 120
二、電流密度矢量 121
第三節磁場磁感應強度 122
第四節畢奧-薩伐爾定律 123
一、畢奧-薩伐爾定律 123
二、畢奧-薩伐爾定律應用舉例 124
三、磁矩Pm 126
四、運動電荷的磁場 126
第五節磁場的高斯定理和安培環路定理 127
一、磁感線 127
二、磁場的高斯定理 128
三、安培環路定理 129
四、安培環路定理的應用舉例 130
第六節磁場對運動電荷的作用 132
第七節磁場對載流導線的作用 135
一、安培定律 135
二、磁場對載流線圈的作用 137
第八節磁介質的磁化 140
一、磁介質的磁化及分類 140
二、磁介質磁化的微觀機理 140
第九節磁化強度和磁化電流 142
一、磁化強度矢量 142
二、磁化電流 142
第十節有磁介質存在時的安培環路定理磁場強度 143
第十一節鐵磁質 146
一、鐵磁質的磁化規律 146
二、鐵磁質的分類 148
三、鐵磁性的起因 148
習題七 149
第八章電磁感應電磁場 154
**節電磁感應的基本定律 154
一、電磁感應現像 154
二、法拉第電磁感應定律 155
三、楞次定律 156
第二節動生電動勢 159
一、動生電動勢 159
二、動生電動勢與洛倫茲力 160
第三節感生電動勢渦旋電場 161
第四節自感和互感 164
一、自感現像和自感繫數 164
二、互感現像和互感繫數 165
第五節磁場的能量和磁能密度 169
一、自感儲能 169
二、磁場能量和磁能密度 169
第六節 RL電路 171
一、電流的增長 171
二、電流的衰減 172
第七節電磁感應現像的應用 173
一、渦流及其應用 173
二、阻尼擺 174
三、電子感應加速器 174
第八節位移電流 175
一、靜電場和靜磁場的基本規律 176
二、位移電流 176
第九節麥克斯韋方程組 179
習題八 181
習題答案 185

在線試讀

章質點運動學
在力學中先研究運動的描述，即物體的位置如何隨時間變化，這叫運動學。然後進一步研究運動的規律，即在怎樣的條件下發生怎樣的運動，這叫動力學。質點動力學的基本規律是牛頓三定律(英國物理學家牛頓在其1686年出版的《自然哲學之數學原理》中提出的機械運動的三條基本規律)。這一章講述質點運動學和牛頓運動定律。
節質點參考繫坐標繫
一、參考繫和坐標繫
宇宙間一切物體都在永恆不停地運動著，江水奔流、車輛行駛，人造衛星環繞地球轉動，就連看來是靜止不動的高山峻嶺、高樓大廈也是晝夜不停地隨著地球、太陽繫和銀河繫運動。
運動的輪船上一個靜止的物體，對於坐在輪船上的人來說是靜止的，而對於岸上的觀察者來說是運動的。在勻速運動的車廂內觀察一個豎直上拋的物體，看到物體在做直線運動，而在地面上觀察到它在做拋物線運動。由此可見，要描述一個物體的運動，必須指明是相對於哪一個物體而言的。這個被選作參考的物體稱為參考繫，亦稱參照繫。參考繫不同，對物體運動所作出的描述就不同，這就叫運動描述的相對性。參考繫的選擇是任意的。通常在研究地球的運動時，以太陽為參考繫；在研究地面上物體的運動時，一般以地球為參考繫。
為了定量的表示出一個物體在各個時刻相對於參考繫的位置，還需要建立一個坐標繫。坐標繫固定在作為參考繫的物體上，運動物體的位置就由它在坐標繫中的坐標值決定。根據問題的需要，可以選取直角坐標繫、自然坐標繫、極坐標繫、柱坐標繫和球坐標繫。一般常用的是直角坐標繫，選用哪種坐標繫、坐標原點設在何處、坐標軸的取向如何，應以問題的處理簡化為準。
二、質點
實際物體都有一定的大小和形狀，而且一般來說物體運動時可以既有移動又有旋轉和變形，運動情況很復雜。例如，地球除了繞自身的軸線自轉外，還繞太陽公轉；從槍口射出的子彈，它在空中向前飛行的同時，還做復雜的轉動；有些雙原子分子，除了分子的平動、轉動外，分子內各個原子還在振動。這些事實說明，物體上各點運動情況是不同的，要想對物體的實際運動作出全面地描述是困難的。但是，如果我們隻研究某一物體整體平移運動規律，可以忽略那些與整體運動關繫不大的次要運動，把物體上各點的運動都看成是完全一樣的。這樣就不需要考慮物體的大小和形狀，物體的運動可以用一個點的運動來代表。這種把物體看成沒有大小和形狀，隻具有物體全部質量的幾何點稱為質點。章質點運動學

在力學中先研究運動的描述，即物體的位置如何隨時間變化，這叫運動學。然後進一步研究運動的規律，即在怎樣的條件下發生怎樣的運動，這叫動力學。質點動力學的基本規律是牛頓三定律(英國物理學家牛頓在其1686年出版的《自然哲學之數學原理》中提出的機械運動的三條基本規律)。這一章講述質點運動學和牛頓運動定律。

節質點參考繫坐標繫

一、參考繫和坐標繫

宇宙間一切物體都在永恆不停地運動著，江水奔流、車輛行駛，人造衛星環繞地球轉動，就連看來是靜止不動的高山峻嶺、高樓大廈也是晝夜不停地隨著地球、太陽繫和銀河繫運動。

運動的輪船上一個靜止的物體，對於坐在輪船上的人來說是靜止的，而對於岸上的觀察者來說是運動的。在勻速運動的車廂內觀察一個豎直上拋的物體，看到物體在做直線運動，而在地面上觀察到它在做拋物線運動。由此可見，要描述一個物體的運動，必須指明是相對於哪一個物體而言的。這個被選作參考的物體稱為參考繫，亦稱參照繫。參考繫不同，對物體運動所作出的描述就不同，這就叫運動描述的相對性。參考繫的選擇是任意的。通常在研究地球的運動時，以太陽為參考繫；在研究地面上物體的運動時，一般以地球為參考繫。

為了定量的表示出一個物體在各個時刻相對於參考繫的位置，還需要建立一個坐標繫。坐標繫固定在作為參考繫的物體上，運動物體的位置就由它在坐標繫中的坐標值決定。根據問題的需要，可以選取直角坐標繫、自然坐標繫、極坐標繫、柱坐標繫和球坐標繫。一般常用的是直角坐標繫，選用哪種坐標繫、坐標原點設在何處、坐標軸的取向如何，應以問題的處理簡化為準。

二、質點

實際物體都有一定的大小和形狀，而且一般來說物體運動時可以既有移動又有旋轉和變形，運動情況很復雜。例如，地球除了繞自身的軸線自轉外，還繞太陽公轉；從槍口射出的子彈，它在空中向前飛行的同時，還做復雜的轉動；有些雙原子分子，除了分子的平動、轉動外，分子內各個原子還在振動。這些事實說明，物體上各點運動情況是不同的，要想對物體的實際運動作出全面地描述是困難的。但是，如果我們隻研究某一物體整體平移運動規律，可以忽略那些與整體運動關繫不大的次要運動，把物體上各點的運動都看成是完全一樣的。這樣就不需要考慮物體的大小和形狀，物體的運動可以用一個點的運動來代表。這種把物體看成沒有大小和形狀，隻具有物體全部質量的幾何點稱為質點。

質點是一種理想化模型，是對實際物體的一種科學抽像和簡化。通過這樣的科學抽像，可以使問題的研究大大簡化而不影響所得到的主要結論。能否把物體看做質點，取決於物體運動的具體情況。例如，當我們研究地球的公轉時，可以把地球看做質點。但是，在研究地球的自轉時，地球上各點的運動情況大不相同，就必須考慮其大小和形狀，因而不能再把地球當作質點處理。

當然，在很多問題當中物體的大小和形狀不能忽略，這時就不能把整個物體看成質點，但是質點的概念仍然十分有用。因為可以把整個物體看成由許許多多組成，每都小到可看做質點來處理，整個物體就可以看成由若干質點組成的繫統，通過分析這些質點的運動，便可弄清整個物體的運動。所以研究質點運動是研究物體(例如以後學習剛體)更為復雜運動的基礎。

三、時間和空間

描述一個物體的運動，就要確定在每一瞬間該物體的位置，這就涉及距離和時間的測定。對於我們生活所在的空間和一瞬即逝的時間，我們都有直觀的概念，並習慣於將自己與空間坐標聯繫起來，而將時間坐標與某一件事件聯繫起來。這種習慣的認識是不嚴密的，特別是當我們把變化的時間視作與空間坐標無關的量來考慮的時候。這個概念是非相對論經典力學的基礎，正如牛頓在《自然哲學之數學原理》一書中所說:“純粹的數學的時間，就其本性來說，均勻的流逝而與任何外在的事物無關。空間就其本性來說與任何外在事物無關，始終保持著相同和不動。”這種關於時間和空間的認識，稱為時空觀。時空觀認為時間和空間是兩個獨立的觀念，彼此之間沒有聯繫，分別具有性。時空觀認為時間與空間的度量與慣性參照繫的運動狀態無關。時間和空間的性是經典力學或牛頓力學的基礎。以後我們將介紹，當相對運動的速度接近光速時，時間和空間的測量將依賴於相對運動的速度。隻是由於牛頓力學所涉及物體的運動速度遠遠小於光速，所以在牛頓力學的範圍內，時間和空間的測量可以看做與參考繫的選取無關，是的。

第二節位置矢量運動方程

圖1-2-1

一、位置矢量

質點在空間的位置可以用一個矢量來表示。這個矢量由固定在參考繫上的坐標原點引向質點所在位置，以符號r 來表示，叫做質點的位置矢量，簡稱位矢。如圖1-2-1所示，在直角坐標繫中，r 為質點P 的位置矢量，i、j、k 分別表示沿x、y、z 軸正方向的單位矢量，那麼位置矢量(位矢)r 可寫成

位矢大小

位矢方向可由方向餘弦確定

式中，α、β、γ 分別是r 與Ox 軸、Oy 軸、Oz 軸之間的夾角。

二、運動方程軌跡方程

當質點運動時，它相對於坐標原點O 的位矢r 是隨時間而變化的，因此，r 是時間的函數，在直角坐標繫中質點的位置坐標與時間的函數關繫，稱為直角坐標繫的運動方程。即

r=x(t)i+y(t)j+z(t)k (1-2-3)

也可寫成x=x(t)， y=y(t)， z=z(t) (1-2-4)

x=x(t)，y=y(t)，z=z(t)分別是r 在Ox 軸、Oy 軸、Oz 軸的分量表達式。

式(1-2-4)又稱為參數方程，從式(1-2-4)中消掉時間t，得出x、y、z 之間的方程，這就是質點運動的軌跡方程。

例如，平面上運動質點的運動方程為x=t，y=t2，則其軌跡方程為y=x2(拋物線)。

第三節速度和加速度

一、位移矢量

運動著的質點，其位置在軌道上連續變化，設t 時刻位於A 點，它的位置矢量

圖1-3-1是r1，經過Δt時間後，於t+Δt時刻到達B 點，相應的位置矢量是r2(如圖1-3-1所示)。則Δt時間內位矢變化為Δr 為該時間間隔內質點的位移矢量，簡稱位移。

它反映了在時間Δt內質點位矢的變化。

在直角坐標繫下，位移可寫成

大小為

應當注意，位移是描述質點位置變化的物理量，它隻反映出一段時間始末質點位置的變化，並非質點所經歷的路程。如圖1-3-1所示，質點從A 點運動到B 點所經過的曲線路徑Δs(弧長)的長度大於位移Δr 的長度|Δr|。隻有當Δt趨於零的極限情況下，即B 點無限接近於A 點時位移的大小|dr|=ds。

二、速度

1。平均速度

由上述討論可知，質點在Δt的時間內，其位移為Δr，則ΔrΔt表示它在該時間內位移的平均變化率，即平均速度。即

v =ΔrΔt (1-3-3)

在直角坐標繫下平均速度也是矢量，其中vx，vy，vz是平均速度v 在Ox 軸、Oy 軸、Oz 上的分量。

2。瞬時速度

質點的平均速度隻能粗略地反映一段時間內的運動情況，而不能描述質點運動的細節以及質點在某時刻(或某位置)的真實運動狀態。當Δt→0時，平均速度的極限值叫做瞬時速度，簡稱速度，用v 表示，即

上式表明，質點的速度等於位矢對時間的一階導數，即位矢隨時間的變化率。在直角坐標繫下dt分別為v 在Ox 軸、Oy 軸和Oz 軸上的三個分量。

v 的大小為速度的方向沿所在位置的切線。在國際單位制中，速度的單位是m/s-1(米/秒-1)。

3。平均速率與瞬時速率

若質點在Δt時間內走過的路程為Δs(弧長)，則定義，v=ΔsΔt為平均速率。為了精確描述質點任一時刻運動的快慢，我們定義，v=lim Δt→0

dt為t 時刻質點的瞬時速率，簡稱速率。當Δt→0時，Δr=dr，Δs=ds，且|dr|=ds，於是有

可見瞬時速率即為該時刻速度的大小。

三、加速度

上面已經指出，速度是一個矢量，所以，無論是速度的大小還是其方向發生改變，都表示速度發生了變化。為了描述質點速度變化的快慢，從而引進加速度的概念。如圖1-3-2所示，質點在Oxy 平面內做曲線運動，設在時刻t，質點位於A 點，其速度為v1，在t+Δt，質點位於B 點，其速度為v2，則在Δt時間內，質點速度的增量為Δv =v2-v1。

1。平均加速度

質點速度增量Δv 與其所經歷的時間Δt之比，稱為這一段時間內質點的平均加速度，即

a=ΔvΔt =v2-v1 Δt

平均加速度隻能對質點速度隨時間變化的情況作一粗略地描述。

2。瞬時加速度

為了精確描述質點運動速度變化的細節，可將時間Δt 無限減小，並使之趨近於0，平均加速度的極限值為質點在時刻t 的瞬時加速度，簡稱加速度，用a 表示，即

由於v =drdt，故有a=dvdt =d2rdt

上式表明，加速度等於速度對時間的一階導數或位矢對時間的二階導數，即速度隨時間的變化率。

在直角坐標繫下

上式中ax、ay、az 分別稱為a 在Ox 軸、Oy 軸、Oz 軸的分量表達式。

a 的大小為

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