新工科大学物理学教程_黄春晖、冯奎胜、张春玲、刘文武_9787302639695

根据应用型大学，注重应用、通俗易懂、服务培养计划的特点，以及大学物理线上线下混合型教学模式需要，编写新的应用型工科专业的大学物理教材，在70~90学时内完成教学目标。内容划分为：力学、热学、电磁学、振动与波、光学、现代物理与高新技术专题。针对电子信息和计算机专业的需要，强化波动光学的应用，把薄膜干涉、光的衍射（光栅衍射）、光的偏振（立体影像）、激光与光通信、量子保密通信作为课程内容。针对土木工程专业的需要，把力与力矩的平衡条件（包括稳定）作为课程内容。按照金课建设目标，借助科学的物理思想宝库，近代物理学的辉煌成就，物理学家的感人事迹。培养学生实事求是的科学态度，树立科学的世界观、辩证唯物主义观，成为高素质型应用人才。本书适合电子信息类、计算机类和土木工程类的新工科本科生，应用型大学工科学生，尤其是拟参加工程认证的专业的大学物理教材。

　　近20年来，随着中国经济的高速发展和技术的不断升级，对应用型人才的需求急剧上升，同时，通过上大学提升自身素质已经成为青年人的追求。为了适应社会发展的需要，促进中国高等教育的发展，国家对高等教育进行了两次改革：一是扩大招生规模，把高等教育从精英教育向大众化教育发展。除了原有大学扩招外，还新建了一大批地方本科院校、独立学院和私立大学，这批新建的大学大多把办学目标定位为培养应用型人才。二是把本科分为普通本科、应用本科、职业本科，高校也分为普通型高校、应用型高校、职业型高校，且明确要求应用本科在教学内容、培养目标上进行结构上的改革和定位，实现应用型高校的建设和培养目标。
　　建设名副其实的应用本科，首先要明确应用型本科就是应用技术型本科，即以传授应用技术作为办学定位，满足经济社会发展对高层次应用型人才的需要。其次要建立与应用技术型本科相适应的教学体系，包括教材的建设、培养技术的路线、考核的方式，这些都应该以突出应用目标来开展。
　　物理学作为整个自然科学和工程技术的基础，它所阐述的物理学基本知识、基本概念、基本规律和基本方法，不仅是基础学科与工程学科相衔接的关键性知识，还是培养和提高学生科学素质、科学思维方法和科学研究能力的重要内容。目前，大学物理作为应用型工科专业的一门通识课程，除了要培养学生的基本素质外，更重要的是要能够适应学生的知识层次，服务专业培养目标，突出知识的应用；同时，需要合理划分知识模块、采用案例教学模式，各模块能够灵活组合，在有限的课时内，实现各应用型工科专业的培养目标。依据这个宗旨，我们总结长期以来的大学教学经验，梳理课程体系，按照新工科大学物理的教学大纲组织编写《新工科大学物理学教程》。在具体撰写过程中，本书力图体现以下几方面的特点。
　　（1）贴近学情、优化教学体系
　　应用型本科院校办学时间短，学校仍处在创品质的爬坡阶段，社会观望普遍，招生批次比较靠后。同时，在信息时代，社会对人才类型的需求出现了多样化趋势，需要把人才培养与社会生产活动紧密结合起来，为国家经济的发展培养一大批实用型人才。因此，大学物理课程已经列入通识课程，有些学校的计划学时已经压缩到70～90学时。这不仅要求教材内容通俗易懂、贴近学情，而且要优化教学体系，满足少学时的教学计划。本书对内容选择和章节安排进行了优化，把质点运动学和质点动力学合并为质点力学，用气体和液体的基本性质替代气体动理论，把机械振动和机械波两章合并为一章。通过上述体系的优化，可以适当压缩篇幅、紧凑知识衔接，便于模块组合。本书内容突出应用，增加了非谐振动和共振、眼睛视觉等应用案例，案例贴近实际应用。为了适应学情和专业考核，本书适当精简数学推导，对一些工程学科学生不需要的繁杂数学推导进行了删减，避免让学生感到力不从心；同时，为避免和中学物理内容重复，适当提高了起点，让学生一接触大学物理就能对矢量和微积分的处理方法产生重视，且在附录中提供了常用的数学公式。这样的内容安排符合教学需要，学生好学，教师好教。
　　（2）培养科学素养和正确的世界观
　　大学物理课程内容受众较多，传授自然界物质的结构、性质、相互作用及其运动的基本规律时，蕴含着大量思政的思辨内容，例如，物理学的发展历程，科学家在追求真理时忘我拼搏的精神，都是培养学生树立正确的世界观、人生观和价值观的典型范例，是课程思政的天然载体。本书在相关内容后都提供名人堂和附加读物，介绍著名科学家的故事。同时，需注意不同专业间的差异，两者融合需因地制宜，将正确价值观、育人元素贯穿于专业课程教学全过程，从而实现专业知识与立德树人的有效融通。
　　考虑到对培养应用型、技术型人才的需要，我们把近代物理与无碳能源、多维度信息传输紧密结合起来，以专著形式单独出版，供大学物理专题讲座使用。这样的内容安排，可以将近代物理的观点和原在现代工程技术中的应用有机地渗透到相关学科，进一步讲述无碳能源和信息传输的工程技术及研究进展，以激发工科学生学习物理的积极性。
　　（3）教学模式的改革
　　大学物理由力、热、光、电、声、磁等部分组成，而大部分理工科专业是在这几部分知识基础上建立起的科学体系。在进行大学物理课程学习时，教学中将涉及部分专业课程的教学内容，为开展专业教育奠定必要的基础。因此，当大学物理教学中涉及专业课程的基础内容时，应该对内容进行适当扩展，对其应用进行简单介绍，以增加学生学习积极性并适时提醒学生注意掌握相关知识内容。对于电子信息类和计算机类专业的学生，建议把教学重点放在电磁学、波动光学和熵等与信息科学相关的章节；对于土木工程类专业的学生教学重点应放在质点力学、刚体力学、振动与波动、电磁学等相关章节。
　　为了满足多元化教学的需要，便于教师组织教学和鼓励学生创新学习，本书提供了形式多样的习题。其中，填空题和计算综合题作为作业，检测学生运用知识的能力；思考题用来检测学生预习和复习的学习效果，可以通过课堂提问和网上讨论使用，让教师了解学生对基本概念和定理、定律的理解情况。选择题可以作为随堂练习。作为应用型本科通识课程，本书为了满足课程优化需要，各章节内容相对独立。
　　本书由阳光学院黄春晖教授/博士主编，由冯奎胜、张春玲、刘文武等教师参编。其中，黄春晖教授根据自己长期积累的教学经验和资料收集，结合新工科大学的大学物理教学大纲要求，拟定了全书的教学内容和教学目标，负责绪论、第1～4章及第7章的编写、全书的统稿、审阅和校定及习题配套；冯奎胜副教授负责编写第6章和第8章；张春玲负责编写第9章；刘文武负责编写第5章。陈娴和张玲两位老师参与了教材立项论证，并提供了部分资料，在此表示感谢。
　　本书在组织编写过程中得到了阳光学院的立项资助和人工智能学院的大力支持。课程组全体成员和相关兄弟院校的同仁对本教材的编写提出了宝贵建议，在此表示感谢。在编写过程中，我们广泛参考了国内新近出版的大学物理教材，不一一列出，在此一并表示感谢。
　　由于时间仓促，书中难免有错误之处，敬请读者指正。

作者
2023年5月

第1章质点力学
1.1质点运动与参考系
1.1.1质点参考系
1.1.2位移速度加速度
1.1.3质点的运动状态参量特性
1.1.4伽利略相对性原理和伽利略变换
名人堂伽利略·伽利雷的科学探索趣事
1.2圆周运动及其描述
1.2.1平面极坐标系
1.2.2单位矢量的时间导数
1.2.3圆周运动
1.3牛顿运动定律和力
1.3.1牛顿运动定律
1.3.2常见力和基本力
*1.3.3非惯性系和惯性力
名人堂艾萨克·牛顿的科学故事
1.4冲量、动量和角动量
1.4.1冲量动量定理
1.4.2质心系的运动定理与动量守恒定理
1.4.3碰撞
1.4.4角动量守恒定律
名人堂空气动力学家钱学森
1.5功动能定理与机械能守恒定律
1.5.1功和动能定理
1.5.2保守力做功
1.5.3功能原理
1.5.4机械能守恒定律
本章小结
习题

第2章刚体力学
2.1刚体及其运动
2.1.1刚体的概念
2.1.2刚体运动及其分类
2.2刚体动力学
2.2.1力矩
2.2.2刚体的转动动能
2.2.3刚体的转动惯量
2.2.4力矩的功定轴转动的动能定理
名人堂西拉鸠斯·阿基米德
2.3刚体定轴转动的角动量守恒定律
2.3.1刚体对转轴的角动量
2.3.2刚体对转轴的角动量定理
2.3.3刚体对转轴的角动量守恒定律
2.4陀螺
2.4.1陀螺的特性
2.4.2陀螺的应用
本章小结
习题

第3章机械振动和机械波
3.1简谐振动
3.1.1简谐振动函数及其特征
3.1.2描述简谐振动的物理参量
3.1.3简谐振动的旋转矢量表示法
3.1.4简谐振动的能量
*3.2非谐振动
3.2.1阻尼振动
3.2.2受迫振动共振
3.3简谐振动的合成
3.3.1同方向的简谐振动的合成
3.3.2相互垂直的简谐振动的合成
3.4机械波的基本概念
3.4.1机械波的两个要素振源和介质
3.4.2机械波的传播
3.4.3简谐波的特征参量
3.5简谐波的能量和强度
3.5.1简谐波的能量
3.5.2简谐波的强度
名人堂克里斯蒂安·惠更斯
3.6惠更斯原理波的叠加与干涉驻波
3.6.1惠更斯原理
3.6.2波的反射、折射与衍射
3.6.3波的叠加原理波的干涉驻波
*3.7声（音）波超声波次声波
3.7.1声音
3.7.2超声波次声波
3.7.3多普勒效应
本章小结
习题

第4章气体和液体的基本性质
4.1温度热力学第零定律
4.1.1平衡态
4.1.2热力学第零定律温标
4.1.3理想气体状态方程
4.2气体的压强和温度
4.2.1理想气体分子的性质和压强
4.2.2温度的微观解释
4.2.3实际气体
4.3能量均分定理理想气体的内能
4.3.1自由度
4.3.2能量均分定理
4.3.3理想气体的内能
4.4麦克斯韦分布分子输运现象
4.4.1气体分子的速率分布麦克斯韦分布函数
4.4.2分子速率的三个统计值
4.4.3分子平均碰撞次数和平均自由程
4.5流体的物理性质
4.5.1理想流体
4.5.2实际流体
4.6理想流体的流动
4.6.1流体的连续性方程
4.6.2伯努利方程
4.6.3伯努利方程的应用
*4.7生物流体力学
4.7.1生物流体的分类
4.7.2黏性流体的运动
名人堂奥斯本·雷诺
本章小结
习题

第5章热力学基础
5.1热力学第一定律
5.1.1准静态过程
5.1.2准静态过程的特性
5.1.3热力学第一定律
5.2热力学过程
5.2.1等体过程
5.2.2等压过程
5.2.3等温过程
5.2.4绝热过程
*5.2.5热力学多方过程
5.3卡诺循环热机效率
5.3.1循环过程
5.3.2卡诺循环
5.3.3卡诺制冷机及其制冷系数
5.4热力学第二定律
5.4.1可逆过程和不可逆过程
5.4.2热力学第二定律的两种表述
*5.5卡诺定理
附加读物热机发明造福人类
5.6熵增加原理
5.6.1熵的概念
5.6.2熵增加原理和热力学基本关系式
5.7热力学第三定律
本章小结
习题

第6章电荷与静电场
6.1电荷库仑定律
6.1.1电荷电荷分布点电荷
6.1.2库仑定律
6.2电场强度电通量
6.2.1电场强度
6.2.2电通量
6.3高斯定理及应用
6.3.1高斯定理
名人堂卡尔·弗里德里希·高斯的故事
6.3.2高斯定理的应用
6.4电场力的功电势能电势
6.4.1电场力的功
6.4.2电势能
6.4.3电势电势差等势面
6.5静电场中的导体和电介质
6.5.1静电场中的导体
6.5.2静电场中的电介质
6.5.3电介质中的高斯定理
6.6电容电容器
6.7静电场的能量
本章小结
习题

第7章稳恒电流与稳恒磁场
7.1基本磁现象
7.2稳恒电流电动势
7.2.1稳恒电流
7.2.2电动势
7.3磁感应强度毕奥萨伐尔定律
7.3.1磁感应强度
7.3.2毕奥萨伐尔定律
科学家的故事通力合作的典范电流磁效应研究
7.4磁场的高斯定理和安培环路定理
7.4.1磁场的高斯定理
7.4.2安培环路定理
7.5安培力载流线圈磁矩
7.5.1安培力
*7.5.2四个安培示零实验
7.5.3载流线圈的磁矩
7.6洛伦兹力霍耳效应
7.6.1洛伦兹力
7.6.2霍耳效应
*7.6.3磁场力的应用
7.7磁场中的磁介质
7.7.1抗磁性和顺磁性的产生机理
7.7.2磁介质的分类与磁化
7.7.3磁化强度与磁介质中的安培环路定理
7.7.4铁磁质
7.7.5磁屏蔽
*7.8电子回旋加速器
本章小结
习题

第8章变化的电磁场
8.1电磁感应定律
8.1.1法拉第电磁感应定律
8.1.2楞次定律
8.2感应电动势
8.2.1感生电场与感生电动势
8.2.2动生电动势
8.3涡流和趋肤效应
8.3.1涡流
8.3.2趋肤效应
8.4自感与互感
8.4.1自感
8.4.2互感
8.5磁场的能量
8.5.1自感磁能
8.5.2磁场的能量
8.6麦克斯韦电磁场方程组
8.6.1位移电流
8.6.2麦克斯韦方程组
*8.7电磁波的产生和传播
8.7.1从电磁振荡到电磁波
8.7.2偶极振子发射的电磁波
8.7.3电磁场的发射与接收实验
8.7.4光波与电磁波的统一
名人堂詹姆斯·克拉克·麦克斯韦
本章小结
习题

第9章波动光学
9.1光的反射与折射
9.1.1费马原理
9.1.2反射定律和折射定律
名人堂皮埃尔·德·费马
9.2光的相干性
9.2.1光源和光的单色性
9.2.2光的相干性
9.3杨氏双缝干涉
9.3.1杨氏双缝干涉实验
9.3.2实验结果与讨论
名人堂托马斯·杨
9.4光程和光程差的计算
9.4.1光程和光程差
9.4.2薄透镜的等光程性
科学趣事污膜之谜薄膜干涉
9.5薄膜干涉
9.5.1等倾干涉
9.5.2等厚干涉
9.5.3增透膜与增反膜
9.6迈克耳孙干涉仪
9.7光的衍射光栅衍射
9.7.1光的衍射
9.7.2惠更斯菲涅耳原理
9.7.3单缝夫琅禾费衍射
9.7.4光栅衍射
9.8光的偏振
9.8.1自然光与偏振光
9.8.2起偏和检偏马吕斯定律
9.8.3反射和折射时光的偏振布儒斯特定律
附加读物高锟与光纤通信
*9.9光学仪器
9.9.1投影仪
9.9.2照相机
9.9.3眼睛
9.9.4放大镜
9.9.5显微镜
本章小结
习题
参考文献

附录1物理量和常用物理基本常量
附录2高等数学基础

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