了得網研究生_馬祖爾物理學：原理篇（下）

編輯推薦

基於聲譽卓著的研究和教學工作，艾裡克·馬祖爾（Eric Mazur）教授所著的這套教科書物理內容通達而易懂，其獨特的結構與教學理念讓學生在掌握定量分析的同時，對物理概念能形成真實的理解。主要體現在：
◆全新的框架結構：本書的結構方便學生組織所學的物理知識，便於理解，易於專注。
◆突出近代物理：傳統教材對近代物理的介紹在結構上相對靠後。本書通過突出近代物理思想的基礎性與物理思想的一致性，讓學生對物理形成更加全面深刻的理解。
◆基於教學研究：本書在編寫過程中應用了許多教學研究成果，極大地提高了學習效率。

內容簡介

《馬祖爾物理學》分為《原理篇》和《實踐篇》兩部分: 《原理篇》講授物理知識; 《實踐篇》主要涉及對知識的應用與解題方法的介紹｡
《原理篇》每章分為兩個部分: *部分為基本概念, 通過定性描述與插圖示意, 用淺顯的語言描繪概念框架; 第二部分為定量研究, 用數學工具分析前面提及的物理思想｡
本書主要特點有: 強調守恆原理; 更早強化繫統的概念; 推遲引入矢量的概念; 適時引入物理概念; 整合近代物理; 采取模塊化的組織形式｡

作者簡介

埃裡克·馬祖爾（Eric Mazur）是哈佛大學物理與應用物理學“巴爾坎斯基”教授（Balkanski Professor of Physics and Applied Physics），是光學領域的科學家, 現任美國光學學會主席。
他是一位有影響力的教育教學專家，曾在2014年獲得首屆全球高等教育Minerva獎。其研究發明的“同伴教學法”（Peer Instruction，簡稱PI）改革了傳統課堂教學模式，有效提高了教育教學質量，現已廣泛應用於世界各國和地區，成千上萬不同學科領域的教師正在使用這一方法，眾多學生從中受益，獲得了極大的成功。
馬祖爾教授曾在卡內-基梅隆大學、俄亥俄州立大學、賓夕法尼亞州立大學、普林斯頓大學等多所高校擔任客座教授或傑出講師職務。

目錄
譯者的話
致學生
致教師
第1 章緒論 1
1. 1 科學方法 2
1. 2 對稱性 4
1. 3 物質和宇宙 6
1. 4 時間和變化 8
1. 5 表征 9
1. 6 物理量和單位 14
1. 7 有效數字 17
1. 8 解題 20
1. 9 估算 24目錄
譯者的話
致學生
致教師
第1 章緒論 1
1. 1 科學方法 2
1. 2 對稱性 4
1. 3 物質和宇宙 6
1. 4 時間和變化 8
1. 5 表征 9
1. 6 物理量和單位 14
1. 7 有效數字 17
1. 8 解題 20
1. 9 估算 24
第2 章一維運動 29
2. 1 從現實到模型 30
2. 2 位置和位移 31
2. 3 描述運動 33
2. 4 平均速率和平均速度 35
2. 5 標量和矢量 40
2. 6 位置矢量和位移矢量 42
2. 7 速度矢量 46
2. 8 勻速運動 47
2. 9 瞬時速度 49
第3 章加速度 54
3. 1 速度的改變 55
3. 2 重力加速度 57
3. 3 拋體運動 59
3. 4 運動簡圖 60
3. 5 勻加速運動 64
3. 6 自由落體方程 67
3. 7 斜面 70
3. 8 瞬時加速度 71
第4 章動量 76
4. 1 摩擦力 77
4. 2 慣性 77
4. 3 決定慣性的要素 81
4. 4 繫統 82
4. 5 慣性質量標準 87
4. 6 動量 88
4. 7 孤立繫統 90
4. 8 動量守恆定律 95
第5 章能量 102
5. 1 踫撞的分類 103
5. 2 動能 104
5. 3 內能 106
5. 4 封閉繫統 109
5. 5 彈性踫撞 113
5. 6 非彈性踫撞 116
5. 7 能量守恆 117
5. 8 爆破分離 119
第6 章相對性原理 122
6. 1 運動的相對性 123
6. 2 慣性參考繫 125
6. 3 相對性原理 127
6. 4 零動量參考繫 131
6. 5 伽利略相對性 134
6. 6 質心 138
6. 7 可轉化動能 142
6. 8 守恆定律和相對性 146
第7 章相互作用 149
7. 1 相互作用的效果 150
7. 2 勢能 153
7. 3 能量耗散 154
7. 4 源能量 157
7. 5 相互作用範圍 160
7. 6 基本相互作用 162
7. 7 相互作用和加速度 166
7. 8 無耗散相互作用 167
7. 9 地面附近的勢能 170
7. 10 耗散相互作用 173
第8 章力 178
8. 1 動量和力 179
8. 2 力的相互作用 180
8. 3 力的分類 182
8. 4 平動平衡 183
8. 5 分體受力圖 184
8. 6 彈簧和張力 186
8. 7 運動方程 191
8. 8 重力 194
8. 9 胡克定律 195
8. 10 衝量 197
8. 11 二體相互作用 199
8. 12 多體相互作用 201
第9 章功 205
9. 1 力位移 206
9. 2 正功和負功 207
9. 3 能量圖 209
9. 4 繫統的選擇 212
9. 5 對單個質點所做的功 216
9. 6 對多個質點構成的繫統所做的功 219
9. 7 變力與分布力 222
9. 8 功率 226
第10 章平面運動 229
10. 1 直線運動是一個相對概念 230
10. 2 平面矢量 231
10. 3 力的分解 234
10. 4 摩擦力 237
10. 5 功和摩擦力 238
10. 6 矢量代數 241
10. 7 二維拋物運動 243
10. 8 二維踫撞和動量 245
10. 9 功的標量積表達式 246
10. 10 摩擦繫數 251
第11 章圓周運動 257
11. 1 勻速圓周運動 258
11. 2 力與圓周運動 262
11. 3 轉動慣量 264
11. 4 轉動運動學 267
11. 5 角動量 272
11. 6 延伸物體的轉動慣量 277
第12 章力矩 284
12. 1 力矩和角動量 285
12. 2 自由轉動 288
12. 3 擴展性分體受力圖 289
12. 4 轉動的矢量性質 291
12. 5 角動量守恆 296
12. 6 滾動 300
12. 7 力矩和能量 305
12. 8 矢積 307
第13 章引力 311
13. 1 萬有引力 312
13. 2 引力和角動量 317
13. 3 重量 320
13. 4 等效原理 323
13. 5 引力常量 328
13. 6 引力勢能 329
13. 7 天體力學 332
13. 8 球體產生的萬有引力 337
第14 章狹義相對論 340
14. 1 時間的測量 341
14. 2 同時的相對性 344
14. 3 時空間隔 348
14. 4 物質與能量 353
14. 5 鐘慢效應 358
14. 6 尺縮效應 363
14. 7 動量守恆 367
14. 8 能量守恆 371
第15 章周期性運動 377
15. 1 周期性運動和能量 378
15. 2 簡諧運動 380
15. 3 傅裡葉定理 382
15. 4 簡諧運動的回復力 383
15. 5 簡諧振子的能量 388
15. 6 簡諧運動和彈簧 392
15. 7 回復力矩 396
15. 8 阻尼振動 399
第16 章一維波 403
16. 1 波的圖形表示 404
16. 2 波的傳播 407
16. 3 波的疊加 412
16. 4 邊界效應 414
16. 5 波函數 419
16. 6 駐波 424
16. 7 波速 427
16. 8 波的能量傳遞 429
16. 9 波動方程 432
第17 章二維波和三維波 436
17. 1 波陣面 437
17. 2 聲波 439
17. 3 干涉 442
17. 4 衍射 448
17. 5 波的強度 451
17. 6 拍 454
17. 7 多普勒效應 457
17. 8 衝擊波 462
第18 章流體 466
18. 1 流體中的力 467
18. 2 浮力 472
18. 3 流 474
18. 4 表面效應 477
18. 5 壓強與重力 485
18. 6 流體中的壓強 490
18. 7 伯努利方程 494
18. 8 黏度與表面張力 497
第19 章熵 504
19. 1 態 505
19. 2 能量均分 508
19. 3 空間均分 510
19. 4 向概然態演化 512
19. 5 熵與體積的關繫 517
19. 6 熵與能量的關繫 522
19. 7 單原子分子理想氣體的性質 526
19. 8 單原子分子理想氣體的熵 529
第20 章熱能的傳輸 532
20. 1 熱交換 533
20. 2 溫度的測量 537
20. 3 熱容 540
20. 4 PV 圖與熱力學過程 545
20. 5 功與能 550
20. 6 理想氣體的等體過程與絕熱
過程 5

前言

為什麼要寫一本新的物理教材
1993年五月，我應邀參加羅伯特· 內斯尼克的榮休會議。在驅車前往紐約州特洛伊市的路上，我的朋友，馬薩諸塞大學教授，阿爾伯特·艾特曼問我是否熟悉馬赫講授物理的方式。我回應並不了解。馬赫在運動定律之前講授動量守恆，他的力學體繫對愛因斯坦產生了重大影響。
通過實驗觀察而不是牛頓定律以及力的概念介紹動量守恆，這樣的講法立刻使我產生了興趣。畢竟由於力隻用於力學而不出現在量子物理中，多數物理學家並不使用力這個概念。守恆定律貫穿於整個物理，比牛頓定律顯得更加基礎。此外，守恆定律隻涉及代數，而學習牛頓定律需要掌握微分方程。
在我看來，馬赫的作法還可以進一步探討。是否可以在講授動量守恆和能量守恆之後講授力的概念？畢竟物理教學研究表明在學習力的概念時，學生很容易犯錯。此外使用運動學和動力學知識費勁推導出公式，往往通過守恆定律隻需要幾步就可以推導出結果。何不嘗試一番新的思路？
經過多年的教學實踐，我圍繞守恆定律制定了基礎物理的新框架。守恆原理貫穿全書，使得本書的結構顯得更加統一和現代。為什麼要寫一本新的物理教材
1993年五月，我應邀參加羅伯特· 內斯尼克的榮休會議。在驅車前往紐約州特洛伊市的路上，我的朋友，馬薩諸塞大學教授，阿爾伯特·艾特曼問我是否熟悉馬赫講授物理的方式。我回應並不了解。馬赫在運動定律之前講授動量守恆，他的力學體繫對愛因斯坦產生了重大影響。
通過實驗觀察而不是牛頓定律以及力的概念介紹動量守恆，這樣的講法立刻使我產生了興趣。畢竟由於力隻用於力學而不出現在量子物理中，多數物理學家並不使用力這個概念。守恆定律貫穿於整個物理，比牛頓定律顯得更加基礎。此外，守恆定律隻涉及代數，而學習牛頓定律需要掌握微分方程。
在我看來，馬赫的作法還可以進一步探討。是否可以在講授動量守恆和能量守恆之後講授力的概念？畢竟物理教學研究表明在學習力的概念時，學生很容易犯錯。此外使用運動學和動力學知識費勁推導出公式，往往通過守恆定律隻需要幾步就可以推導出結果。何不嘗試一番新的思路？
經過多年的教學實踐，我圍繞守恆定律制定了基礎物理的新框架。守恆原理貫穿全書，使得本書的結構顯得更加統一和現代。
編寫這本教材的另一個目的來自我的教學實踐。許多教材的重點在於知識的獲取以及程序性知識的介紹，而相對忽視概念的理解以及在新的情景下知識的應用。基於這一問題，我對本教材的結構作了適當調整。在編寫過程中，也參考了許多物理教學研究（包括本課題組的工作）的研究成果。
本書的內容淺顯易懂，方便學生自學，這樣教師可以減少授課時間，將更多的課堂時間用於知識的整合，課堂討論以及課堂練習。

設定新的標準
由於惰性和因熟悉而產生的偏好，教材的標準一直難以改變。教基礎課是一項繁重的工作，一旦課程形成，改變起來就很難。不少人認為，標準課程適合於我們自己，當然也適合於我們的學生。
的教育研究顯示上面的說法是不正確的。我們的學生和我們並不相同，他們大部分學習物理僅僅是培養計劃的要求，許多學生在學習基礎物理學之後不再接觸任何物理課程。物理教育研究顯示標準教材並不適用於這些同學的學習。
由於物理繫對非物理專業物理教育的壓力的增加，物理教學正在發生改變。這些變化反過來需要我們編寫一本從形式到內容都符合新教育理念的教材。

關於本書內容的組織
在思考基礎力學教學的方案之後，我覺得傳統的教學計劃確實需要反思。比如，在標準的教材中，一些概念被反復定義，引起學生思維的混亂（例如標準教材中功的定義就和熱力學定律不搭配；在近代物理部分，能量也被重新定義）。
另一個困擾我的問題是對經典物理和近代物理的人為區分。對於大多數教材，一般在前三十多章介紹二十世紀以前的物理學，將“近代物理”部分放在課程的後。這樣的區分完全沒有必要，我們的目標是基於目前對物理的理解，以適合的方式向學生講授物理知識。所有的物理知識都是近代的。
和標準教材的內容組織相比，本書的內容具有以下特點：
強調守恆原理正如前面談到的，本書更早介紹守恆原理，並把它們作為知識框架的基礎。這樣做的優點很多。首先，避免了許多講授力的概念時容易出現的理解錯誤。自然而然的得到力的二體屬性和相關運動定律。其次，通過守恆原理，學生不使用微積分計算也可以解決許多問題。事實上，對於復雜繫統，運用守恆原理解題往往是直接（）的方法。後，通過實驗觀察得到守恆原理，更容易建立相關原理與現實的聯繫。
我和其他幾個老師采取了這一思路授課，通過諸如力學基本題庫的測試題考察，發現學生解決動量和能量的問題的能力有了顯著的改善。

更早強化繫統的概念多數物理模型需要從環境中分離出繫統。物理學家對於這一點十分熟悉，標準教材也就往往忽視這一步驟。本教材在守恆原理中引入繫統的概念，並在後續內容中不斷使用繫統這一概念。

推遲引入矢量的概念多數基礎物理教材都會討論一維條件下的物理問題，並將多維問題通過矢量標記分解成若干個一維問題。在這種情況下，一維問題顯得格外重要。標準教材過早的引入矢量，增加了學生學習運動學的難度。
在本書中，基於一維運動完整的構建了運動學與動力學框架。僅在介紹轉動時，討論二維運動。這樣學生可以將注意力集中在對物理概念的理解上。

即時引入物理概念隻要條件允許，本書僅在必要的情況下引入物理概念。這樣學生可以及時將概念運用於練習之中，方便知識的融合。

整合近代物理有關教學計劃的調查顯示，在美國少於一半的基於微積分的物理課程涉及近代物理。本書將近代物理的內容整合在全書內容中。例如，在力學的後，第十四章介紹了狹義相對論。在第三十二章，電子學部分，介紹了半導體與半導體器件。在第三十四章，波動光學與量子光學中，包含了有關量子化與光子的內容。

模塊化本書采取模塊化的組織形式，方便不同教學大綱的使用
本書內容涉及兩個較（力學與電磁學）和五個較。兩個較將近代物理的基本概念嵌入物理學基本圖像的教學之中，可用於支撐兩個學期或三個小學期的教學。剩下的內容可以在課時更多的課程或快班教學中引入。五個較盡管和

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