大学物理 第2版

引用

Urone, P. P., & Hinrichs, R. (2022). College Physics 2e. OpenStax. Free official edition: https://openstax.org/details/books/college-physics-2e

章节概要

全书共34章，约1,650页，附有三个数据附录和一份答案。前半部分以力学为主干，后半部分以电磁学为主干；序言指出，波动、光学和现代物理各自成为独立单元，教师可以调整其位置。每一节开头列出学习目标，每章末尾有术语表、逐节小结、概念问题以及习题。

第1章：引论：科学与物理学的本质

先说明物理学研究什么、定律和理论如何形成，再准备基本工具：国际单位制、单位换算、准确度与精密度、有效数字和数量级估算。

第2–3章：运动学；二维运动学

先讲直线运动（位移、速度、加速度、匀加速运动公式、自由落体、运动图像），再讲用作图法和分量法合成矢量、抛体运动和相对速度。瞬时量的引入不借助微积分。

第4–5章：动力学：力与牛顿运动定律；牛顿定律的进一步应用：摩擦力、阻力与弹性

牛顿三定律、受力分析图、支持力与张力、一节专讲解题策略，以及关于四种基本相互作用的拓展专题；随后讨论摩擦力、流体阻力以及应力与应变。

第6–8章：匀速圆周运动与万有引力；功、能量与能源；线动量与碰撞

向心力、科里奥利力、万有引力与开普勒定律；功、动能定理、保守力与非保守力、能量守恒、功率、人体中的能量以及世界能源消耗；动量、冲量、一维和二维碰撞以及火箭推进。

第9–10章：静力学与力矩；转动与角动量

把平衡的两个条件应用于稳定性、简单机械以及肌肉和关节；通过与直线运动类比建立转动运动学和动力学，进而讨论转动惯量、角动量和陀螺效应。

第11–12章：流体静力学；流体动力学及其在生物学和医学中的应用

密度、压强、帕斯卡原理与阿基米德原理、表面张力以及人体内的压强；流量、伯努利方程、黏性与泊肃叶定律、湍流、扩散与渗透，血流是贯穿其中的例子。

第13–15章：温度、分子动理论与气体定律；热与传热方式；热力学

温度、热膨胀、理想气体定律、分子动理论、相变和湿度；热容、潜热以及传导、对流和辐射；热力学第一定律、热机、卡诺热机、热泵和熵，最后给出第二定律的统计解释。

第16–17章：振动与波；听觉物理学

胡克定律、简谐运动、单摆、阻尼、共振、波与叠加；随后是声速与声强、多普勒效应、空气柱中的驻波、听觉以及医用超声。

第18–21章：电荷与电场；电势与电场；电流、电阻与欧姆定律；电路与直流仪表

电荷、库仑定律、电场与电场线、生物体中的电力；电势差、等势线与电容器；电流、欧姆定律、电功率、交流电、触电危险与神经传导；电阻网络、电动势、基尔霍夫定律、电表和RC电路。

第22–24章：磁学；电磁感应、交流电路与电气技术；电磁波

作用在运动电荷和电流上的磁力、霍尔效应、电动机以及电流产生的磁场；法拉第定律与楞次定律、发电机、变压器、用电安全、电感和RLC电路；用文字表述的麦克斯韦方程组、电磁波的产生、电磁波谱以及波的能量。

第25–27章：几何光学；视觉与光学仪器；波动光学

反射、折射、全反射、色散与成像；眼睛、视力矫正、色觉、显微镜、望远镜和像差；干涉、衍射、分辨率、薄膜和偏振。

第28–30章：狭义相对论；量子物理；原子物理

爱因斯坦的假设、时间膨胀、长度收缩、相对论动量与能量；黑体辐射、光电效应、光子、物质波与不确定性原理；原子的发现、玻尔模型、X射线、激光、量子数与泡利不相容原理。

第31–32章：放射性与核物理；核物理的医学应用

放射性、探测器、核衰变、半衰期、结合能与隧道效应；医学成像、电离辐射的生物效应、放射治疗、食品辐照、核聚变、核裂变与核武器。

第33–34章：粒子物理；物理学前沿

交换粒子、四种基本相互作用、加速器、夸克和大统一理论；随后概览宇宙学、广义相对论、超弦、暗物质、混沌、高温超导体以及尚未解决的问题。

核心概念

第1–10章：力学

• 矢量分量：把运动和力分解为相互独立的垂直分量，这是处理抛体运动的方法基础。
• 受力分析图：画出作用于系统的全部外力，是运用牛顿第二定律的出发点。
• 能量守恒与动量守恒：无需逐步追踪各个力即可得出结果的原理。
• 力矩与平衡：平衡的第二个条件，用于结构和人体。

第11–17章：流体、热、振动与声

• 伯努利方程：流动流体的能量守恒，把压强、速度和高度联系起来。
• 分子动理论：用分子运动解释压强和温度。
• 热力学第二定律：通过熵来表述热机效率的上限。
• 共振：以固有频率驱动系统时出现的大幅响应。

第18–27章：电、磁与光

• 电势：单位电荷的势能，以电压来测量。
• 基尔霍夫定律：把电荷守恒和能量守恒应用于电路的节点和回路。
• 电磁感应：变化的磁通量会感应出电动势。
• 干涉与衍射：显示光的波动性的现象。

第28–34章：现代物理

• 时间膨胀：对于看到时钟在运动的观察者来说，运动的时钟走得较慢。
• 光子：能量与频率成正比的光量子。
• 半衰期：放射性样品衰变掉一半所需的时间。

评析

优点

• 结构固定的例题。 全书共有289道编号例题。正如序言所说明的，每道例题先用文字提出问题，再用“策略”部分说明所涉及的概念，然后给出解答并讨论结果。
• 多样的练习。 除概念问题和常规习题外，各章还有综合多个主题的综合概念题、前提会导致荒谬答案并要求找出原因的“不合理结果”题、没有唯一答案的自编题，以及本版新增的多步骤批判性思维题。书末答案收录奇数号习题。
• 生物学和医学应用写进正文。 肌肉与关节、人体内的压强、血流、神经传导与心电图、听觉与超声、视力矫正，以及专讲核物理医学应用的一整章，都是正式的小节。序言说明，由于这门课的许多学生将来要学医，本版扩充了这些内容。
• 辅助栏目。 有纠正常见误解的“误解提醒”、可以在家完成的动手探究、PhET模拟的链接，以及在正式讲授现代物理之前就用原子层面的过程解释日常现象的“大与小”专栏。

局限

• 有意不用微积分。 需要微积分的结果只给出结论而不推导；正文在讲电容器充电曲线和毕奥-萨伐尔定律时就是这样说明的。麦克斯韦方程组只用文字表述，高斯定律也没有独立的小节，因此日后学习基于微积分的课程时，电磁学的许多内容需要重新建立。
• 篇幅很长。 约1,650页的内容超过两个学期所能讲完的量。
• 最后几章较单薄。 第33–34章对统一理论、超弦和宇宙学各只用几节，属于概览而非可用的工具。
• 没有数学复习。 本书假定读者掌握代数和一些三角学，附录收录的是数据而不是数学复习。

在课程中的定位

在这份大学物理入门书单中，College Physics 2e 是一部完整的基于代数的教材。它介于把数学降到最低的休伊特 Conceptual Physics 与基于微积分的综合教材之间，后者包括杨的 University Physics、哈里德的 Fundamentals of Physics、蒂普勒与莫斯卡的 Physics for Scientists and Engineers，以及瑟韦与朱厄特的 Principles of Physics。如果课程以代数为基础，例如许多面向生命科学和医学预科学生的课程，就适合选用本书；日后修读基于微积分课程的读者，可以借助那些教材补上本书省略的推导。

克莱普纳与科伦科的 An Introduction to Mechanics（一本要求很高、基于微积分的力学教材）、The Feynman Lectures on Physics（以概念为主线的第二遍学习），以及纳迪格、霍涅克与赖利的 200 Puzzling Physics Problems（注重物理洞察的难题集），最好留到用本书这类教材学完第一遍之后再读。

如何使用本书

本书适合基于代数的两学期课程，也适合具备高中代数和一些三角学基础的自学者。常见的安排是第一学期学第1–17章，第二学期学第18–30章。

• 核心： 第2–4章、第6–8章、第15章、第16章和第18–23章。
• 按专业选择： 生命科学专业的学生从9.6节、11.9节以及第12、17、20、26、32章中获益最多；第5章和第21章适合偏向工程的读者。拓展专题（4.8节、27.9节）可以略读。
• 现代物理： 第28–31章构成一个简短单元；第33–34章作为概览阅读。

学习每一节时，先读学习目标，遮住解答自己做例题，再对照章末小结检查。概念问题与计算题搭配练习，并且每章至少做一道“不合理结果”题：能看出一个答案为什么不可能成立，是考试会考到的能力。奇数号习题可以在书末答案中核对；序言提到 Student Solution Guide 给出部分习题的详细解答。学习场和波时可以借助PhET模拟。

版本与来源

本指南依据 OpenStax 出版的 College Physics 2e 官方免费PDF（第二版，2022年首次出版，CC BY-NC-SA 4.0 许可），网址为 https://openstax.org/details/books/college-physics-2e。阅读范围包括序言、完整目录、各章引言和章末逐节小结、书末答案，以及部分小节（包括讲麦克斯韦方程组的24.1节）。