普通高等學校應用型本科十四五系列教材

“”

大學物理

上冊

郝虎在于海寧主編

◎

劉斌李蓉副主編

◎

內容簡介

本書根據教育部理工科類大學物理課程教學基本要求針對高等學校應用型

《》,

本科學生的數學與物理基礎按照世紀人才培養模式的需要和教學內容改革的要

,21

求編寫而成全書分為上下兩冊上冊包括力學熱學基礎和電磁學三篇內容下冊

。、,、;

包括振動和波動光學近代物理基礎和能源與電力四篇內容

、、。

本書適合作為高等學校應用型本科各專業大學物理課程的教材也可作為其他

,

各類院校非物理類專業大學物理課程的教材和參考用書

。

圖書在版編目CIP數據

()

大學物理上冊郝虎在于海寧主編北京中國

./,.—:

鐵道出版社有限公司

,2022.2

普通高等學校應用型本科十四五系列教材

“”

ISBN978-7-113-28559-3

大郝于物理學高等學校

Ⅰ.①…Ⅱ.①…②…Ⅲ.①--

教材

Ⅳ.①O4

中國版本圖書館數據核字第號

CIP(2021)236400

書名:大學物理·上冊

作者:郝虎在于海寧

策劃:潘晨曦編輯部電話:

(010)83552550

責任編輯:錢鵬包寧

封面設計:劉穎

責任校對:孫玫

責任印制:樊啟鵬

出版發行:中國鐵道出版社有限公司北京市西城區右安門西街號

(100054,8)

網址:

/51eds/

印刷:三河市興達印務有限公司

版次:年月第版年月第次印刷

202221202221

開本:印張:字數:千

710mm×1000mm1/1620.25397

書號:

ISBN978-7-113-28559-3

定價:元

48.00

版權所有侵權必究

凡購買鐵道版圖書如有印制質量問題請與本社教材圖書營銷部聯系調換電話

,,。:(010)63550836

打擊盜版舉報電話

:(010)63549461

前言

“大學物理”是普通高等學校理工科各專業的一門必修基礎課,大學物理的

基本概念、基本理論和基本方法是構成學生科學素養的重要組成部分,是科學工

作者和工程技術人員必須具備的基本素質。大學物理的學習過程,是培養學生分

析問題和解決問題的能力,以及培養探索精神和創新意識的過程。本書是為了適

應高等工程教育的培養目標和發展需要,根據教育部《理工科類大學物理課程教

學基本要求》,按照世紀人才培養模式的需要和教學內容改革的要求,依據編

21

者多年從事大學物理教學的教案改編而成的。本書可以作為普通高等學校應用型

本科大學物理課程(學時)的教材,也可作為其他各類院校非物理類

120~130

專業的大學物理課程的教材或教學參考書。自《大學物理》年出版以來,

2018

受到用書師生厚愛,根據讀者的意見和建議,我們對教材進行了修訂,在修訂中

注意了以下幾個問題:

考慮中學物理教學改革的實際,尤其部分選修內容的基礎缺失,適當增

1.

加了一些必要的基本物理理論知識的回顧與歸納,以便于查閱。

針對普通高等學校應用型本科學生的數學與物理基礎,為了加強對物理

2.

基本概念、基本理論的訓練,注重了物理模型的建立和數學描述,適當增加例題

的類型與數量。

對部分內容進行了適當取舍,增加了部分理論聯系實際、能激發學生學

3.

習興趣且與后續課程相關的內容、例題與習題,為了方便學生學習增加了習題參

考答案。

在章節安排、講述方式上,盡量考慮與高等數學的教學進度相適應。

4.

注重應用基本理論分析問題和解決問題,在內容講述和習題的選擇上盡

5.

量避免復雜的理論計算與過程推導。

本書由郝虎在、于海寧任主編,劉斌、李蓉任副主編,關婷、李紅玉、

Ⅱ大學物理·上冊

··

石家榕、王靜、白宇晨、李彥榮參與編寫。參加本書編寫的教師做了大量認真細

致的工作,詳細編寫分工如下:劉斌負責編寫第、、章;李蓉負責編寫第、

1234

章;于海寧負責編寫第、、章;關婷負責編寫第、章;李紅玉負責編

5678910

寫第、章;石家榕負責編寫第、章;王靜負責編寫第、章;

111213141516

白宇晨負責編寫第、章;李彥榮負責編寫第章;郝虎在負責編寫第

17181920

章。郝虎在、于海寧負責全書統稿和校核工作。

由于編者知識有限,時間倉促,缺點和疏漏之處在所難免,誠懇希望讀者批

評指正。

編者

年月

202110

目錄

第一篇力學

第1章質點運動學…………………

2

質點參考系與坐標系…………………

§1-12

質點運動狀態的描述……………………

§1-24

直線運動…………………

§1-312

拋體運動…………………

§1-415

圓周運動…………………

§1-518

相對運動…………………

§1-624

習題……………

26

第2章質點動力學………………

28

牛頓運動定律力………

§2-128

牛頓運動定律的應用……………………

§2-234

動量定理動量守恒定律………………

§2-339

質點角動量定理和角動量守恒定律……

§2-446

功動能動能定理……………………

§2-550

勢能機械能守恒定律…………………

§2-655

習題……………

61

第3章剛體的定軸轉動…………

67

剛體定軸轉動的角量描述………………

§3-167

定軸轉動定律……………

§3-270

剛體定軸轉動的角動量守恒定律………

§3-378

剛體定軸轉動的動能……………………

§3-480

習題……………

81

第二篇熱學基礎

第4章氣體動理論………………

85

平衡態理想氣體狀態方程……………

§4-185

麥克斯韋分子速率分布律………………

§4-290

Ⅱ大學物理·上冊

··

壓強與溫度的微觀解釋…………………

§4-396

能量按自由度均分定理理想氣體的內能…………

§4-4100

習題……………

106

第5章熱力學基礎………………

108

熱力學第一定律………

§5-1108

理想氣體的等值過程…………………

§5-2113

絕熱過程………………

§5-3119

循環過程………………

§5-4123

熱力學第二定律………

§5-5130

熱力學第二定律的統計意義玻爾茲曼熵…………

§5-6134

習題……………

139

第三篇電磁學

第6章真空中的靜電場…………

143

電荷庫侖定律………

§6-1143

電場電場強度………

§6-2147

電通量真空中靜電場的高斯定理…………………

§6-3156

靜電場的環路定理電勢能…………

§6-4166

電勢與電勢差…………

§6-5169

等勢面場強與電勢的微分關系……

§6-6174

習題……………

178

第7章靜電場中的導體和電介質………………

181

靜電場中的導體………

§7-1181

電容和電容器…………

§7-2191

靜電場中的電介質……………………

§7-3197

靜電場的能量…………

§7-4204

習題……………

207

第8章真空中的穩恒磁場………

210

穩恒電流與電動勢……………………

§8-1210

磁場與磁感應強度……………………

§8-2214

畢奧薩伐爾定律………

§8-3-217

磁場的高斯定理………

§8-4227

安培環路定理…………

§8-5229

習題……………

237

目錄Ⅲ

··

第9章磁場對電流和磁介質的作用……………

241

磁場對載流導線的作用………………

§9-1241

磁場對運動電荷的作用………………

§9-2248

磁介質中的磁場………

§9-3254

鐵磁質…………………

§9-4258

習題……………

261

第10章電磁感應和電磁場……………………

264

電磁感應現象及其規律………………

§10-1264

動生電動勢……………

§10-2271

感生電動勢……………

§10-3275

自感與互感……………

§10-4282

磁場能量………………

§10-5288

麥克斯韋電磁場理論…………………

§10-6291

電磁波…………………

§10-7297

習題……………

301

習題參考答案………………………

306

附錄…………………

314

附錄物理常量表年推薦值……………

A(CODATA2014)314

附錄國際單位制的基本單位………………

B314

附錄國際單位制的兩個輔助單位…………

C315

附錄國際單位制中個具有專門名稱的導出單位……

D21315

附錄元素周期表……………

E316

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?第一篇力學

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?宇宙中一切物體都在運動著物體的運動形式是多種多樣的其中最簡?

?.,?

?單最常見的一種運動形式是物體間或物體各部分之間相對位置的變動這種?

?、,?

運動稱為機械運動星體的運動車輛船只飛機等的運動水空氣的流動

?.,、、,、,?

?各種機器的運轉等都是機械運動力學是研究機械運動的規律及其應用的學?

?

?,.

?科力學是物理學的基礎力學中的基本概念和某些規律在物理學的各領域中?

,

?.?

起著重要的作用其他自然科學和工程技術中也常用到力學的基本知識

?;.?

?本篇共三章第一章為質點運動學主要研究質點運動的描述第二章為?

?:,;?

?質點動力學主要研究物體間的相互作用以及這些相互作用對物體運動的影?

,

?響著重介紹牛頓定律和動量角動量能量等概念及相應的守恒定律第三章?

?,、、;?

?

?為剛體的定軸轉動主要介紹剛體定軸轉動的運動學和動力學問題

?,.?

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第1章質點運動學

質點運動學的主要任務是研究物體的運動狀態隨時間變化的關系而不涉及

,

物體運動產生和改變的原因本章首先定義描述質點運動狀態的物理量如位置矢

.,

量位移速度和加速度等并討論這些狀態量之間的關系然后討論質點的直線運

、、,;

動曲線運動和圓周運動的運動規律及其描述方法

、.

§1-1質點參考系與坐標系

一、質點

任何物體都有一定的大小形狀和內部結構通常情況下物體運動時內部各

、.,,

點的運動情況常常是不同的因此要精確描述物體的運動并不是一件容易的事為

..

使問題簡化可以采用抽象的辦法如果物體的大小和形狀在所研究的問題中不起

,:

作用或所起的作用可以忽略不計就可以近似地把此物體看作一個只有質量而沒

,,

有大小和形狀的理想物體稱為質點

,.

質點是一個理想化模型質點仍然是一個物體它具有質量同時它已被抽象

.,,

化為一個幾何點即質點是實際物體在一定條件下的抽象引入理想化模型在物理

,.

學中是一種常見的重要的科學分析方法在以后的課程中還將引入一系列理想化

、,

模型例如剛體理想氣體點電荷等把物體抽象為質點的方法具有很大的實際意

,、、.

義和理論價值例如在天文學中把龐大的天體抽象為質點的方法已獲得極大的成

.,

功從理論上講可以把整個物體看成由無數個質點所組成的質點系從分析研究

.,,

這些最簡單的質點入手就可能把握整個物體的運動所以質點運動是研究物體運

,,

動的基礎

.

在應用質點的概念時首先要注意同一個物體在一個問題中可抽象為質點

,,,

在另一個問題中則不一定能簡化為質點例如研究地球繞太陽公轉時由于地球

.,,

至太陽的平均距離約為8比地球的半徑約為大得多地球

(1.5×10km)(6370km),

上各點相對于太陽的運動可以近似看作相同的可以把地球當作質點但研究地球

,;

自轉時地球上各點的運動情況就大不相同地球就不能當作質點處理了其次要

,,.

注意區別質點與小物體物體再小如原子核的線度約為-15也有大小和形

.(10m)

狀而質點為一幾何點它只有質量沒有大小但在空間占有確切的位置

,,,,.

二、運動的絕對性與運動描述的相對性

宇宙間一切物體都在不停地運動不可能找到一個絕對靜止不動的物體大到

,.

第1章質點運動學3

··

太陽地球等天體小到分子原子和各種基本粒子都處于永恒的運動之中放在

、,、,.

桌上的書對于桌面是靜止的但它卻隨地球一起繞太陽運動太陽也在運動整個

,;,

太陽系是在繞著銀河系中心運動同時銀河系也在運動這就是運動的絕對性

;,.

對于某一個具體的物體如一個從運行列車的桌子上掉下的杯子它是怎樣運

,,

動的這個問題可以有不同的答案列車上的甲認為杯子做豎直向下的自由落體

?:

運動而站臺上的乙卻認為杯子做拋物線運動列車上的甲的參照物是車廂而站

,,,

臺上的乙的參照物是地面因此描述一個物體的運動時必須選擇另外一個或幾

.,,

個相互保持靜止的物體作為參照物選擇的參照物不同對同一個物體運動的描述

,,

也就可能不同這就是運動描述的相對性

,.

三、參考系與坐標系

在物理學中把描述一個物體運動所選擇的參照物稱為參考系在后續章節

,.

中我們在物理定律中使用的一些物理量必須是相對同一參考系的所以在處理

,,,,

問題時一定要明確描述物體運動所選擇的參考系不同參考系的物理量需要變換

,,

到同一參考系中才能求解有關問題在運動學中參考系的選擇具有任意性在具

.,,

體問題中選擇什么參考系取決于所研究問題的性質一般情況下如果研究地面

,.,

上物體的運動往往以地球地面為參考系如果研究地球月球的運動往往以太

,();、,

陽為參考系

.

為了定量地描述一個物體不同時刻相對于參考系的位置需要在此參考系上

,

建立一個固定的坐標系如圖所示坐標系建立后簡化為質點的物體相對于

,1-1.,

坐標系的運動也就是質點相對于參考系的運動運動物體的位置由質點在坐標系

,.

中的坐標值決定坐標系是參考系的一種數學抽象所以當提到坐標系時指的也

.,,

是與它固定在一起的參考系

.

常用的坐標系有圖所示的三維直角坐標系xyz以及圖所示的

1-2(,,),1-3

三維球面坐標系rθφ等對二維平面運動常用圖所示的二維直角坐標系

(,,).,1-4

xy或圖所示的二維極坐標系rθ究竟選用什么坐標系為好應以研究

(,)1-5(,).,

問題能夠最為簡捷方便為準直線運動使用一維直線坐標系描述

..

圖參考系與坐標系圖三維直角坐標系xyz

1-11-2(,,)

4大學物理·上冊

··

圖三維球面坐標系rθφ圖二維直角坐標系xy圖二維極坐標系rθ

1-3(,,)1-4(,)1-5(,)

§1-2質點運動狀態的描述

一、位置矢量

我們習慣于將空間任一點P的位置用一組坐標xyz來表示即Pxy

(,,),(,,

zP點的位置也可以用從坐標原點O向P點作的一條有方向的線段r來表示如

).,

圖所示矢量r稱為位置矢量簡稱位矢

1-6.,