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导读
引用
Moebs, W., Ling, S. J., & Sanny, J. (2016). University Physics Volume 2. OpenStax. Free official edition: https://openstax.org/details/books/university-physics-volume-2
章节概要
第1章：温度与热
第一单元“热力学”从温度与热平衡（热力学第零定律）、温度计与温标以及热膨胀讲起，接着讨论热量、比热容与量热、伴随潜热的相变，以及传热的三种机制——传导、对流和辐射。
第2章：气体动理论
本章从理想气体状态方程（以及用于实际气体的范德瓦耳斯方程）出发，建立分子模型，用分子运动和方均根速率解释压强和温度；由能量均分定理推导热容，并介绍麦克斯韦—玻尔兹曼分子速率分布。
第3章：热力学第一定律
本章定义热力学系统、膨胀气体所做的功、热量和内能，并陈述第一定律；分析等温、等压、等容和绝热过程，以及理想气体的定容热容和定压热容。
第4章：热力学第二定律
由可逆过程与不可逆过程引出热机、制冷机和热泵、第二定律的开尔文表述与克劳修斯表述，以及作为效率最高循环的卡诺循环。随后从宏观角度引入熵，最后一节则从微观（统计）角度讨论熵。
第5章：电荷与电场
第二单元“电与磁”从电荷、导体与绝缘体、感应起电和库仑定律讲起。本章定义电场，通过积分计算连续电荷分布的电场，并介绍电场线和电偶极子。
第6章：高斯定律
由穿过开曲面和闭曲面的电通量引出高斯定律，并用它求具有球对称、柱对称和平面对称的电荷分布的电场。本章最后讨论静电平衡中导体的性质。
第7章：电势
本章定义电势能和电势，计算点电荷和连续分布的电势，再通过求导由电势求电场。等势面、导体以及静电学的应用（如范德格拉夫起电机和静电复印）为本章收尾；本章以雷击所释放的能量开篇。
第8章：电容
本章讨论常见几何形状电容器的电容、串联和并联、储存在电场中的能量，以及电介质的作用，包括电介质极化的分子模型。
第9章：电流与电阻
本章定义电流和电流密度，介绍基于漂移速度的金属导电模型，然后讨论电阻率及其温度依赖性、欧姆定律、电能与电功率以及超导体，并以核磁共振成像仪中的电磁铁作为引入。
第10章：直流电路
本章内容包括电动势与内阻、电阻的串联与并联、基尔霍夫定律、电流表与电压表、RC 电路的充电与放电，以及家庭布线与用电安全。
第11章：磁力与磁场
在对磁学的历史作简要介绍之后，本章讨论运动电荷所受的磁力、带电粒子在磁场中的运动、载流导线所受的力、电流环所受的力矩与磁偶极矩、霍尔效应，以及质谱仪和回旋加速器等应用。
第12章：磁场的来源
用毕奥—萨伐尔定律（直导线、电流环）和安培环路定理（螺线管和螺绕环）求电流产生的磁场，推导平行电流之间的作用力，最后讨论物质的磁性：顺磁性、抗磁性和铁磁性。
第13章：电磁感应
本章包括法拉第定律和楞次定律、动生电动势、感生电场、涡流、发电机与反电动势，以及电磁感应的应用（从读卡器到无线充电），由此引入随时间变化的场。
第14章：电感
本章讨论互感与自感、磁场中储存的能量、RL 电路、作为弹簧振子电学类比的 LC 电路振荡，以及 RLC 串联电路。
第15章：交流电路
本章借助相量分析交流电路中的电阻、电容和电感，RLC 串联电路的阻抗，平均功率与功率因数，谐振，以及变压器在输电中的作用。
第16章：电磁波
本卷以包含位移电流的麦克斯韦方程组作结，说明它如何预言电磁波。本章描述平面波、电磁波携带的能量和强度、动量与辐射压（以彗星的彗尾为例）以及电磁波谱。
核心概念
第1章：温度与热
- 热力学第零定律：分别与第三个系统处于热平衡的两个系统彼此也处于热平衡，这使温度可以测量。
- 比热容与潜热：使单位质量物体温度改变所需的能量，以及在温度不变的情况下改变其物态所需的能量。
第2章：气体动理论
- 理想气体状态方程：pV = nRT，从微观上可由分子与器壁的碰撞来解释。
- 能量均分定理：每个二次型自由度平均分得 ½kT 的能量，由此可预测热容。
第3章：热力学第一定律
- 第一定律：内能的变化等于吸收的热量减去系统对外所做的功。
- 绝热过程：与外界没有热量交换的过程，对理想气体而言 pV^γ 保持不变。
第4章：热力学第二定律
- 卡诺效率：工作于两个热源之间的任何热机的最高效率 1 − T_c/T_h。
- 熵：孤立系统中总量永不减少的态函数，从微观上可理解为可达微观状态数的度量。
第5章：电荷与电场
- 库仑定律：点电荷之间的作用力与电荷乘积成正比，与距离平方成反比。
- 电场：单位电荷所受的力，对连续分布需通过积分求得。
第6章：高斯定律
- 电通量：电场的曲面积分。
- 高斯定律：穿过闭合曲面的电通量等于其内部电荷除以 ε₀。
第7章：电势
- 电势：单位电荷的电势能，电势之差即电压。
- 由电势求电场：电场等于电势梯度的负值。
第8章：电容
- 电容：单位电势差所储存的电荷，由几何形状和材料决定。
- 电介质：通过极化增大电容的绝缘材料。
第9章：电流与电阻
- 漂移速度：构成电流的传导电子缓慢的平均速度。
- 欧姆定律与电阻率：在欧姆材料中电流与电压成正比，电阻由电阻率和几何形状决定。
第10章：直流电路
- 基尔霍夫定律：节点处的电荷守恒以及沿回路一周的能量守恒。
- RC 时间常数：决定电容器充放电快慢的乘积 RC。
第11章：磁力与磁场
- 运动电荷所受的磁力：F = qv × B，与速度和磁场都垂直。
- 霍尔效应：磁场中载流导体两侧出现的横向电压，可用于判断载流子类型。
第12章：磁场的来源
- 毕奥—萨伐尔定律：给出小电流元所产生磁场的定律。
- 安培环路定理：B 沿闭合路径的线积分等于 μ₀ 乘以所包围的电流。
第13章：电磁感应
- 法拉第定律：变化的磁通量产生感应电动势。
- 楞次定律：感应电流的方向总是阻碍引起它的磁通量变化。
第14章：电感
- 自感：器件自身电流变化在该器件中感应出的电动势。
- LC 振荡：能量以固有角频率 1/√(LC) 在电容器与电感器之间往复转换。
第15章：交流电路
- 电抗与阻抗：电容和电感对电流随频率变化的阻碍作用，以及在 RLC 电路中它与电阻的合成。
- 谐振：驱动频率等于电路固有频率时电流达到最大。
第16章：电磁波
- 位移电流：麦克斯韦补充的项，表明变化的电场会产生磁场。
- 辐射压：电磁波因携带动量而施加的压强。
评析
优点
- 以微积分为基础而又易于入门。 连续电荷分布的电场、电势和毕奥—萨伐尔定律都通过循序渐进的例题用积分求出，每道例题都遵循“思路、解答、意义”的格式；按 PDF 统计，书中约有 160 道例题和 120 多道“检验理解”问题。
- 清晰的单元结构。 热力学（第1–4章）和电磁学（第5–16章）是各自独立的单元，电磁学按照从电荷与电场到电势、电路、磁学、电磁感应再到麦克斯韦方程组的合理顺序展开。
- 应用融入正文。 各章开篇和各节涉及雷电、核磁共振成像磁体、家庭布线与安全、硬盘、读卡器、无线充电、变压器输电以及彗星所受的辐射压，把抽象定律与熟悉的技术联系起来。
- 有力的章末支持。 每章复习部分列出关键术语、关键公式和逐节小结，随后是概念题、习题、补充题和挑战题，答案部分给出奇数题的答案。
局限
- 没有用矢量分析表述电磁学。 麦克斯韦方程组以积分形式给出，不使用散度和旋度，因此没有微分形式、边值问题，也没有更深入的电磁学教材意义上的势的讨论。
- 与热力学同处一卷。 对电磁学课程而言，前四章无关，而电磁学内容虽然覆盖面广，深度却停留在入门水平。
- 对介质中的场讨论有限。 电介质和磁性材料各只有一节（8.5 节和 12.7 节），没有讨论 D 场和 H 场意义上的束缚电荷与束缚电流。
- 只有答案而无解法。 答案部分只给出奇数题的最终答案，自学的学生需要借助其他资料检查解题方法。
在课程中的定位
University Physics Volume 2 是使用微积分的电磁学概论教材。Fleisch 的 A Student's Guide to Maxwell's Equations 根据其介绍专注于讲解麦克斯韦方程组本身；它引入了 OpenStax 教材所略去的微分形式，可补充本书第6、12、13 和 16 章。Purcell 和 Morin 的 Electricity and Magnetism 是用矢量分析更深入讨论同样主题的自然下一步。
Griffiths 的 Introduction to Electrodynamics、Jackson 的 Classical Electrodynamics 和 Bittencourt 的 Fundamentals of Plasma Physics 是面向高年级本科生和研究生的教材。学生在挑战 Griffiths 之前，应先学完本书第5–16章（或相当的第一门课程）并掌握矢量分析，Jackson 和 Bittencourt 则更在其后。本书最好在这些教材之前使用，而不能取代它们。
如何使用本书
本书面向以微积分为基础的物理课程第二学期的学生，他们已学完力学（第一卷或同等内容）并掌握一元微积分；从第6章开始，熟悉曲面积分和线积分会有帮助。电磁学课程应按顺序阅读第5–16章：第5–7章（电场、高斯定律、电势）和第11–13章（磁力、磁场的来源、电磁感应）是核心，第8–10章和第14–15章讨论电路元件和电路，第16章用麦克斯韦方程组把一切统一起来。第1–4章服务于热力学单元，在电磁学课程中可以跳过。
把关于高斯定律、安培环路定理和基尔霍夫定律的“解题策略”专栏当作检查清单，每道例题之后完成“检验理解”问题，并在进入下一节之前做完本节习题。如果课程接下来要学 Griffiths 或 Purcell，建议把第16章与介绍麦克斯韦方程组微分形式的资料配合阅读。
版本与来源
本导读依据从 OpenStax 官方页面 https://openstax.org/details/books/university-physics-volume-2 下载的 University Physics Volume 2 免费 PDF（2016 年首次出版；现行 PDF © 2026 Rice University，采用 CC BY-NC-SA 4.0 许可；主要作者为 William Moebs、Samuel J. Ling 和 Jeff Sanny）。本导读参考了前言、完整目录，以及全部 16 章的开篇图片和引言、各节大纲和章末小结，并统计了例题数量、核查了特定主题。