01 / 导读
导读
引用
Moebs, W., Ling, S. J., & Sanny, J. (2016). University Physics Volume 3. OpenStax. Free official edition: https://openstax.org/details/books/university-physics-volume-3
章节概要
第1章：光的本性
第一单元“光学”在第二卷麦克斯韦方程组的基础上，从“光是什么、光如何传播”这两个问题入手。本章讨论光速与折射率、光线模型、反射定律、折射与斯涅尔定律、全反射（包括光纤）、色散、作为通往波动光学桥梁的惠更斯原理，以及包括马吕斯定律和布儒斯特角在内的偏振。
第2章：几何光学与成像
本章借助光路图以及面镜和薄透镜公式，解释平面镜和球面镜、单个折射面和薄透镜所成的像，并关注像差问题。随后把这些思想应用于人眼与视力矫正、照相机、简单放大镜以及显微镜和望远镜。
第3章：干涉
本章从肥皂泡的色彩讲起，介绍杨氏双缝实验以及相长干涉和相消干涉的数学描述、多缝干涉、伴随反射相位变化的薄膜干涉，以及迈克耳孙干涉仪。
第4章：衍射
本章内容包括单缝衍射及其强度（用相量计算）、双缝的综合图样、衍射光栅、圆孔与瑞利分辨判据、晶体的 X 射线衍射以及全息术；本章以泊松亮斑开篇。
第5章：相对论
第二单元“近代物理”从狭义相对论开始，以 GPS 所需的修正作为动机。本章陈述爱因斯坦的两条假设，推导同时的相对性、时间延缓（包括 μ 子寿命和双生子佯谬）、长度收缩、借助时空图和不变间隔的洛伦兹变换、相对论速度变换、光的多普勒效应以及相对论动量和能量。
第6章：光子与物质波
本章追溯早期量子思想：黑体辐射与普朗克能量子、光电效应、康普顿效应、玻尔氢原子模型、德布罗意物质波（以电子显微镜为引例）以及波粒二象性。
第7章：量子力学
波函数与玻恩的概率诠释、归一化与期望值、海森堡不确定性原理、薛定谔方程，以及三个标准应用——箱中粒子、量子谐振子和势垒隧穿——构成了这一入门章节；本章以量子计算机处理器开篇。
第8章：原子结构
本章把量子力学应用于氢原子及其量子数、轨道磁偶极矩与电子自旋、泡利不相容原理与元素周期表、原子光谱与 X 射线，以及激光。
第9章：凝聚态物理
本章把量子思想推广到分子和固体：离子键与共价键、分子的转动光谱和振动光谱、晶体中的结合、金属的自由电子模型与费米能、能带理论、半导体与掺杂、二极管和晶体管等器件，以及基于库珀对的超导电性。
第10章：原子核物理
本章讨论原子核的性质、结合能与质量亏损、放射性衰变与年代测定、核反应、核裂变、核聚变（如太阳中的聚变），以及核辐射的医学应用与生物效应。
第11章：粒子物理与宇宙学
最后一章把最小尺度和最大尺度联系起来：基本粒子的分类、粒子反应中的守恒定律、夸克、加速器和探测器（如大型强子对撞机上的 ATLAS）、标准模型，以及从大爆炸到早期宇宙演化的宇宙学，包括宇宙微波背景辐射、暗物质和暗能量。
核心概念
第1章：光的本性
- 斯涅尔定律：入射角、折射角与两种介质折射率之间的关系。
- 全反射：光从光密介质射向界面且入射角超过临界角时发生的完全反射。
- 偏振：光的电场方向，可被偏振片和反射改变。
第2章：几何光学与成像
- 薄透镜与面镜公式：联系物距、像距和焦距的关系式，配合光路追迹确定像的位置。
- 放大率：像与物大小之比，在显微镜和望远镜中由各透镜的放大率组合而成。
第3章：干涉
- 相长干涉与相消干涉：根据光程差与波长的关系，波相互加强或相互抵消。
- 薄膜干涉：由薄膜上下两个表面的反射产生的色彩，包括反射时的相位变化。
第4章：衍射
- 单缝暗纹：缝宽与衍射角正弦之积等于波长整数倍处出现的暗条纹。
- 瑞利判据：圆孔能够分辨两个点光源的最小角间距。
第5章：相对论
- 狭义相对论假设：物理定律和光速在所有惯性系中都相同。
- 时间延缓与长度收缩：运动的时钟变慢，运动的物体沿运动方向缩短。
- 相对论能量：总能量包含静能 mc²，把质量与能量联系起来。
第6章：光子与物质波
- 光子：能量为 hf 的光量子，可解释光电效应。
- 德布罗意波长：与任何动量为 p 的粒子相联系的波长 h/p。
第7章：量子力学
- 波函数与概率：波函数模的平方给出发现粒子的概率密度。
- 海森堡不确定性原理：位置和动量不能同时以任意精度确定。
- 量子隧穿：粒子穿过高于其能量的势垒的非零概率。
第8章：原子结构
- 量子数：确定原子中电子状态的 n、l、m 和自旋。
- 泡利不相容原理：原子中任意两个电子不能具有完全相同的量子数，这解释了元素周期表。
第9章：凝聚态物理
- 能带：固体中电子可取的能量范围，能隙把导体、半导体和绝缘体区分开来。
- 掺杂：向半导体中加入杂质以形成 n 型或 p 型材料。
第10章：原子核物理
- 结合能：与原子核质量亏损相当的能量，解释了裂变和聚变为何释放能量。
- 放射性衰变定律：样品以半衰期为特征的指数衰减。
第11章：粒子物理与宇宙学
- 标准模型：关于夸克、轻子和传递相互作用的玻色子的理论。
- 大爆炸宇宙学：宇宙从高温高密的早期状态演化而来并不断膨胀的模型。
评析
优点
- 一卷涵盖广泛的近代物理。 在四章光学之后，本卷依次讲述相对论、早期量子论、量子力学、原子、凝聚态、原子核和粒子，最后到宇宙学，一本免费教材即可覆盖一整个学期的近代物理。
- 作为入门教材，对相对论的讨论较为细致。 第5章推导洛伦兹变换，引入时空图和不变间隔，并讨论双生子佯谬以及 μ 子寿命、GPS 修正等实验检验，而不只是给出时间延缓公式。
- 包含实际计算的量子力学。 第7章对波函数进行归一化、计算期望值，并求解箱中粒子和谐振子，为学生提供了可以实际运用的起点，而非纯粹的描述性介绍。
- 系列一贯的教学设计。 例题采用“思路、解答、意义”的格式（按 PDF 统计约有 110 道例题和 75 道“检验理解”问题），每章最后都有关键术语、关键公式、分节小结和分级习题。
局限
- 相对论只占一章。 没有四矢量，没有系统地运用时空几何，广义相对论也只是顺带一提；需要概念性或几何化讲解的学生须另找专门教材。
- 量子主题停留在入门深度。 氢原子只通过结果来介绍，而没有在球坐标中完整求解（正文自己也说明这留给更高阶的课程），算符、自旋形式体系和微扰论都没有展开。
- 节奏不均。 第9–11章各用几十页概述凝聚态、原子核物理、粒子物理与宇宙学等庞大领域，因而以描述为主。
- 光学与近代物理合为一册。 只讲近代物理的课程会跳过前四章；光学课程则会发现，除 8.6 节外没有傅里叶光学或激光物理的内容。
在课程中的定位
University Physics Volume 3 是与 Taylor 和 Wheeler 的 Spacetime Physics 并列的、使用微积分的近代物理概论。二者相辅相成：本卷涵盖整个近代物理、只用一章讲相对论，而 Spacetime Physics 专讲狭义相对论，以间隔和世界线为基础。学生可以先读本书第5章，再转向 Spacetime Physics 深入学习。Krane 的 Modern Physics 以及 Thornton、Rex 和 Hood 的 Modern Physics for Scientists and Engineers 作为完整的近代物理教材，是从本书第5–11章更上一层楼的自然选择。
Schutz 的 A First Course in General Relativity 和 Carroll 的 Spacetime and Geometry 是广义相对论教材；本卷只提供它们所预设的狭义相对论背景，应在接触它们之前很早就读完。
如何使用本书
本书适用于以微积分为基础的物理课程第三学期，在力学和电磁学（第一、二卷或同等内容）之后学习；第7章要求熟悉微分方程，至少能求解简单的二阶方程。对于近代物理与相对论课程，先读第5章，再把第6–8章作为量子物理的核心，第9–11章则按课程侧重点作为概论阅读。第1–4章服务于光学单元，在近代物理课程中可以省略，不过讲干涉和衍射的第3–4章有助于理解第6章的物质波。
每道例题之后完成“检验理解”问题，并利用各章的关键公式整理复习。对于讲得较简略的主题——广义相对论、氢原子的求解、标准模型——可把本书的介绍当作入门指引，再到课程书单中更完整的近代物理教材里深入学习。
版本与来源
本导读依据从 OpenStax 官方页面 https://openstax.org/details/books/university-physics-volume-3 下载的 University Physics Volume 3 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 11 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、核查了第5章的特定主题。