哈佛大学《大学物理学》(第三版)教材评介

1、哈佛大学大学物理学(第三版)教材评介张立彬（南开大学外国教材中心；天津 300071）尹炜恺（南开大学物理科学学院；天津 300071；美国宾州里海大学物理系）内容摘要 通过对哈佛大学理工科物理教材大学物理学的评介与分析，建议国内编写同类教材时参考该书的风格特色：图片精美，颜色鲜明；语言风格多样，吸引读者；知识点全面，理论和实际结合；强调基础理论，结合前沿科学研究；及时更新，增加内容；循序渐进，权威人士编写等。关 键 词 哈佛大学；理工科教材；大学物理学；教材评介；借鉴与启示Physics for Scientists & Engineers(Third Edition)(大学物理学)

2、是美国哈佛大学课程编号为6053的课程“Physical Sciences 2. Mechanics, Elasticity, Fluids, and Diffusion”（物理学2.力学，弹性，流体，扩散）所选用的教材。Physics for Scientists & Engineers(Third Edition)由前言、正文、附录、索引四部分组成。其中正文共45章，544页。本书的作者是美国加州大学伯克利分校的Douglas C. Giancoli教授。1一、出版与作者情况Physics for Scientists & Engineers(Third Edition)一

3、书由Prentice Hall（普伦蒂斯·霍尔）出版社出版。Prentice Hall出版社位于美国的新泽西州。全书正文544页，附录32页，附录以公式和参数为主。本书是由Douglas C. Giancoli教授于2000年撰著的。Douglas C. Giancoli是美国加州大学伯克利分校的教授，撰写了很多和大学物理学相关的书籍。比如，大学物理学的前三版、大学物理实验、物理学原理及应用、学生物理手册、袖珍指南和物理习题集等。Douglas C. Giancoli对物理学有很宽泛的认识，在编著书籍方面受到了读者的一致好评。2二、本书的创作背景和主要内容物理学的发展经历了20世纪的

4、突飞猛进，到了21世纪日益成熟。一本概括所有物理学分支领域的书对于物理学专业和其它的理工科专业的学生来说是很重要的，这样能让他们从基础上了解物理学的知识，对物理产生浓厚的兴趣。Physics for Scientists & Engineers是美国哈佛大学的物理学用书。第二版的Physics for Scientists & Engineers出版十年以后，作者Douglas C. Giancoli教授选择了在原有的基础上进行了改进。这次改进既体现在物理内容上，也体现在表述的方式上。结合这些年来物理学界的最新研究，使本书的第三版有了更多的亮点。本书的内容主要包括了运动学（测量

5、、物体的运动），动力学（牛顿定律、万有引力定律、动能定理、能量守恒定律、动量和角动量），流体力学，波动，声学，热力学（热力学定律），电磁学（电荷和电场、高斯定理、电势、电容、电流、电路、磁场、电磁感应、麦克斯韦方程组），光学（反射和折射、棱镜和光学器件、干涉），狭义相对论，原子物理，量子力学，固体物理，核物理，粒子物理和天体物理等。可以说这本书很全面地概括了物理学的分支，对于非物理学专业的理工科本科生和初步了解物理学的学者来说是一本很好的参考书。三、主要特点本书的内容丰富、图片精美，用生动通俗的方式讲解物理学的基本原理，并涉及大量在生活和工程中的应用，对经典物理和近代物理都有相当全面、系统的介

6、绍。在第二版的基础上，第三版做了很大的改进。第三版分为三部分：传统的部分包括经典物理和狭义相对论以及早期量子理论；扩展的部分包括现代物理，其中分成了九个章节；最后一部分是天体物理和宇宙学。3.1 排版方面的特点这本书在排版方面很特别，图片精美，颜色鲜明，对学生理解内容方面给予了很大帮助。这本书在制作中用了大量不同的颜色。这不仅仅是为了吸引读者，在另一个方面也能更好地描述和体现一些物理量和物理现象。比如说，射线和场。还有矢量的定义，不同的矢量的颜色是不同的。第三版相对于第二版有更多的实验图像和表格，这更能帮助读者理解物理现象和理论。比如说，在光学部分，第三版中有大量的透镜成像。这本书中同样有很多

7、的旁注，相对于其它的物理学书籍，这本书的旁注能提醒读者那些还会出现的物理量和很容易忘记的物理量。一些很重要的定理和公式在这本书中体现的很好。定律一般会有明显的旁注或者被矩形的方框包围。一些重要的公式会加上很亮的背景，以作强调。这本书的每章开篇都会有一幅图，这样能很明显的告诉读者这一章的内容，也可以认为是这一章的一个总结，有的时候这也是对读者的一种挑战。3.2 内容方面的特点这本书的内容丰富，用生动通俗的方式讲解物理学的基本原理，并涉及大量在生活和工程中的应用，对经典物理和近代物理都有相当全面、系统的介绍。具体来说：介绍了新的发现：比如对行星围绕恒星转、哈勃太空望远镜、粒子物理和宇宙学（宇宙的年

8、龄）等方面做了更新。新加入了物理学课题：进行估量的新方法；越来越多的使用对称性；更多的表格表述密度、质量、体积等；空间曲线的万有引力以及黑洞；发动机效率无滑滚动和有滑滚动以及其他关于转动的细节；桥、拱门以及圆屋顶的受力；方波；麦克斯韦分布的应用；奥托循环；自由膨胀中熵的计算；电介质在连接电容器和非连接电容器中的作用；接地避免电危害；三相AC；电磁波中电场和磁场的同能量；辐射压、电磁波；镜头和平面镜成像；组合棱镜；新的辐射标准；希格斯玻色子和超对称。介绍了现代物理学：空间曲线的万有引力和黑洞；行星绕很远的恒星的旋转；相对速率的动能；核碰撞；恒星崩塌；星系红移和多普勒效应；原子的理论；热膨胀的原子

9、理论；氢原子的质量；气体中的分子和原子；分子速率；能均分定律和摩尔比热；恒星的尺寸；阴极射线管；导线中的电子；超导；电子的发现和性质和荷质比；油滴实验；霍尔效应；电子的磁矩；质谱仪；选速器磁物质中的电子自旋；光和电磁波发光；光谱。提出了新的教育模式：这本书通过提出一些很有意义的问题，激发读者对各个知识点的思考，从而更清楚地了解物理学的知识。比如：利用对称性；哪个物体从山上滚下速度最快；洞的热膨胀等。重视知识点的应用：基本在每一章都有一小节是关于这章知识点的应用。这也是这本物理学用书的一大特点。换句话说，这让读者重新去思考为什么学习物理这个问题。本书也在第二版的基础上加了很多其他的应用。比如说，

10、电梯和秤锤；地球同步卫星；恒星崩塌；泰坦尼克；泵；汽车弹簧；减震器；阻尼器防止地震；电视和收音机；电容滤波器；光纤；相机；望远镜；显微镜；半导体等等。四、学术价值Physics for Scientists & Engineers这本书虽然内容浅显，在专业程度上不如其它物理学的专业领域书籍，但是在学术价值上也有其独到之处。这本书对于那些初涉物理学的本科生来说是一本很好的参考书。这本书很好地把理论和实际联系起来，让学生在学习物理的过程中找到乐趣，并不仅仅是枯燥的理论学习和研究。这本书中甚至还提到了很多最近出现的研究和应用，比如说安全气囊、防锁定制动系统、地球同步卫星、恒星崩塌、减震器、光

11、子晶体光纤、电容滤波器等。以上提到的应用和研究都是很前沿的，而本书让那些初涉物理学的读者在学习基础知识的同时也了解到了物理学前沿的研究进展。相信这样的特点在引起读者兴趣的同时，也会推动物理学研究的进展。可以认为这也是此书的一大特色。五、适用对象从读者的角度来看，这本书很适合于理工科和初涉物理科学的本科生，能够让他们理解物理界的美妙，激发他们对物理学课题的思考，很容易让读者对物理学产生兴趣。作为物理学的学生，也可以把这本书看成是自己知识体系的完善和回忆。这本书同时很全面的概括了物理学的各个分支，把理论和应用紧密结合，让人们认识到为什么学物理。读者通过阅读这本书也会认识到学科之间的联系。实际上，中

12、国的高校也可以试用这本教材，这样可以通过阅读原汁原味的英语，直接吸收国外原版书中先进的教育思想和注重实际应用、综合素质培养的教育理念，加深对物理学知识的理解。 六、对国内编写物理同类教材的启示由于我国和国外对物理学的研究确实存在一定的差距，从而不可避免地导致在高校教材编写质量上有较大差异。教材的编写是一个艰辛努力的工作，也在一定程度上体现了最顶尖人才的能力。本书为美国著名大学的教材，对我国高等教育教材建设有着很大的启示，主要有以下几点：6.1 图片精美，颜色鲜明。不同鲜艳的颜色是对读者的一种刺激和注意力的吸引。在教材的制作中运用大量不同的颜色，不仅能吸引读者，在另一个方面能更好地描述和体现一些

13、物理量和物理现象。每一章的图片能很明显的告诉读者这一章的内容，有的时候这也是对读者的一种指引。6.2语言风格多样，吸引读者。语言风格多样是吸引读者深入阅读且适应不同读者群的客观需要。现在国内的理论物理教材，在语言上过于刻板，缺少风趣。我们可以吸收国外著名教材的不同写作风格，增加物理学教材的趣味性。这样能拉近读者与作者的距离，从而对读者知识的积累也是很好的催化剂。6.3知识点全面，理论和实际结合。国内很多物理学的书籍只是一味的强调记住理论知识，从而用于做题，忽略了理论知识在实际生活中的应用。这本书基本在每一章都有一小节是关于这章知识点的实际应用。这也是这本物理学用书的一大特点。理论和实际结合能让

14、读者认识到学习物理不只是为了做题，从而重新去思考为什么学习物理。6.4 强调基础理论，结合前沿科学研究。在基础物理理论书籍中，国内作者可以提一些该理论在当今物理学界的前沿研究。这样能让那些初涉物理学界的读者在学习基础知识的同时也了解到物理学前沿的研究进展。相信这样的特点也在引起读者兴趣的同时，会推动物理学研究的进展。6.5及时更新，增加内容。这本书的第三版在2000年问世。相比10年前的第二版，在各方面都有很大的改进和提高。考虑到出版过程中不可避免的错误和知识点的争议性，当今国内的高等教育需要作者定期对教材更新，这样能使读者得到最新的和最权威的知识。因而，教材内容要与时俱进，让读者在理论方法和

15、实验手段上都能及时掌握最先进的知识。6.6 循序渐进，权威人士编写。这本书虽然只是一本综述性的理工科本科生用书，没有太深奥的知识点，但是这本书的作者Douglas C. Giancoli教授却是物理学界的权威人士。Douglas C. Giancoli教授对物理界有自己独到的认识，也编写了很多非物理学专业的物理学用书。我国高等教育的教材建设要上一个新台阶，必须也需要这样的学术权威来撰写教材。七、章节目录1. 介绍，测量和估量 4-8 问题解决一个主要的方法1-1 科学的本质 5. 牛顿定律的进一步应用1-2 模型，理论和定律 5-1 牛顿定律在摩擦运动的应用1-3 测量和不确定度 5-2 匀速

16、圆周运动的动力学1-4 单位，标准和SI系统 5-3 公路曲线1-5 单位转换 5-4 非匀速圆周运动1-6 数量级：快速估计 5-5 依赖速度的力，收尾速度1-7 尺寸和三维分析 6. 万有引力和牛顿的推理2. 描述运动：一维运动学 6-1 牛顿万有引力定律2-1 参考系和位移 6-2 万有引力定律的矢量形式2-2 平均速度 6-3 地球表面的重力2-3 瞬时速度 6-4 卫星和无重力2-4 加速度 6-5 开普勒定律和牛顿的推理2-5 恒定加速度下的运动 6-6 重力场 2-6 解决问题 6-7 自然界中力的种类2-7 落下的物体 6-8 引力质量和惯性质量2-8 微积分的利用，变加速度

17、6-9 黑洞 3. 二维动力学；矢量 7. 功和能量3-1 矢量和标量 7-1 恒力的功3-2 矢量相加图解法 7-2 两个向量的数量积3-3 矢量相减，标量和矢量相乘 7-3 变力的功3-4 矢量组成相加 7-4 动能和功能定理3-5 单位矢量 7-5 高速下的动能3-6 矢量运动学 8. 能量守恒3-7 抛体运动 8-1 保守力和非保守力3-8 解决抛体运动问题 8-2 势能3-9 匀速圆周运动 8-3 机械能和机械能守恒3-10 相对速度 8-4 用机械能守恒解决问题4. 动力学：牛顿运动定律 8-5 能量守恒定律4-1 力 8-6 能量守恒解决问题4-2 牛顿第一定律 8-7 重力势能

18、和逃离速度4-3 质量 8-9 势能图；稳定平衡和非稳定平衡4-4 牛顿第二定律 9. 动量和碰撞4-5 牛顿第三定律 9-1 动量和力4-6 重量和惯性力 9-2 动量守恒4-7 解决牛顿定律问题：自由体图 9-3 碰撞和冲量9-4 碰撞中的能量守恒和动量守恒 13-4 帕斯卡原理 9-5 一维弹性碰撞 13-5 压强的测量；表面和气压计9-6 非弹性碰撞 13-6 浮力和阿基米德原理9-7 二维和三维碰撞 13-7 流体运动；流速和连续方程9-8 质心 13-8 伯努利方程9-9 质心和平动 13-9 伯努利原理的应用9-10 变质量系统和火箭发射 13-10 粘度 10. 定轴转动 13

19、-11 流管 10-1 角度大小 13-12 表面张力和毛细管10-2 恒定加速度转动下的动能方程 13-13 泵 10-3 无滑滚动 14. 振动 10-4 角度的矢量本质 14-1 弹簧的振动 10-5 力矩 14-2 简谐振动10-6 转动动力学；力矩和转动惯量 14-3 简谐振子的能量10-7 转动动力学解决问题 14-4 匀速圆周运动的简谐运动10-8 转动惯量的测定 14-5 单摆 10-9 角动量守恒 14-6 物理摆和扭摆10-10 转动动能 14-7 阻尼运动10-11 转动和平动运动 14-8 强迫振动；共振10-12 滚动球体为什么会减速？ 15. 波动11. 普遍转动

20、15-1 波动的特点11-1 向量叉积 15-2 波的类型11-2 力矩矢量 15-3 波的能量传输11-3 粒子的角动量 15-4 动态波的数学描述11-4 粒子系统的角动量和力矩 15-5 波的方程11-5 刚体的角动量和力矩 15-6 重叠原理11-6 转动非平衡 15-7 反射和透射11-7 角动量守恒 15-8 干涉11-8 自旋 15-9 驻波和共振11-9 惯性力 15-10 折射11-10 科氏效应 15-11 衍射12. 静力平衡；弹性和断裂 16. 声学 12-1 静力学力的平衡 16-1 声音的特点12-2 平衡条件 16-2 纵波的数学描述12-3 解决静力学问题 16

21、-3 声音的强度；分贝12-4 稳定和平衡 16-4 声音的来源；振弦和空气柱12-5 弹性力；压力和拉力 16-5 音质和噪音12-6 断裂 16-6 声波干涉和拍12-7 桁梁和桥梁 16-7 多普勒效应12-8 拱门和圆顶 16-8 冲击波及其产生的音爆13. 流体 16-9 应用；超声13-1 密度和具体重力 17. 温度，热膨胀和理想气体定律13-2 流体中的压力 17-1 物质的原子原理13-3 大气压力和表面压力 17-2 温度和温度计17-3 温度平衡和热力学第一定律 21-6 电场17-4 热膨胀 21-7 连续电荷分布的电场17-5 热压力 21-8 电场线17-6 气体定

22、律和绝对温度 21-9 电场和导体17-7 理想气体定律 21-10 带电粒子在电场中的运动17-8 理想气体定律解决问题 21-11 电偶极子17-9 分子的理想气体定律 22. 高斯定理 17-10 理想气体的温度标准 22-1 电通量18. 气体的运动理论 22-2 高斯定理18-1 理想气体定律和温度的分子解释 22-3 高斯定理的应用18-2 分子的速率分布 22-4 高斯和库仑定律的实验依据18-3 真实气体和相变 23. 电势18-4 蒸发温度和湿度 23-1 电势和电势差18-5 状态的范德瓦尔斯方程 23-2 电势和电场的关系18-6 平均自由程 23-3 等势面18-7 扩

23、散 23-4 电子电压，能量单位19. 热量和热力学第一定律 23-5 点电荷和电势19-1 能量传导的热 23-6 电偶极子19-2 内能 23-7 任何电荷分布的电压19-3 比热 23-8 电压决定的电场19-4 热量测定解决问题 23-9 静电场势能19-5 潜热 23-10 阴极射线管，电视电脑控制器19-6 热力学第一定律 24. 电容，电介质和电能储存19-7 应用热力学第一定律；计算功 24-1 电容19-8 气体的摩尔比热和能量平均分配 24-2 测定电容19-9 气体的绝热膨胀 24-3 串联和并联电容器19-10 热传导：传导和辐射 24-4 电能存储20. 热力学第二定

24、律；热机 24-5 电介质20-1 热力学第二定律介绍 24-6 电介质的分子解释20-2 热机 24-7 电介质的高斯定理20-3 可逆和不可逆过程；卡诺热机 25. 电流和电阻20-4 冰箱，空调和热泵 25-1 电池20-5 熵 25-2 电流20-6 熵和热力学第二定律 25-3 欧姆定律20-7 有序到无序 25-4 电阻系数20-8 可利用能量；热寂 25-5 电功率20-9 熵和第二定律的统计解释 25-6 家庭电路的功率20-10 绝对零度和热力学第三定律 25-7 交流电21. 电荷和电场 25-8 电流的微观观点21-1 静电场；电荷和电荷守恒 25-9 超导体21-2 原

25、子中的电荷 25-10 电动危害；漏电21-3 绝缘体和导体 26. DC电路21-4 诱导电荷；验电器 26-1 电动势和路端电压21-5 库仑定律 26-2 串联电阻和并联电阻26-3 基尔霍夫定律 31-3只含有电感L的AC回路26-4 RC电路 31-4只含有电容C的AC回路26-5 DC电流表和电压表 31-5 LRC系列的AC回路26-6 传感器 31-6 AC回路共振；振荡器27. 磁场 31-7 阻抗匹配27-1 磁和磁场 31-8 三相AC27-2 电流产生磁场 32. 麦克斯韦方程组和电磁波27-3 磁场中的力；磁感应强度的定义 32-1 变化电场产生磁场和安培定律27-4

26、 电荷在磁场中运动的受力 32-2 磁场的高斯定理27-5 电流线圈的力矩；磁偶极矩 32-3 麦克斯韦方程组27-6 应用：检流计，发动机，扬声器 32-4 电磁波的产生27-7 电子的发现和性质 32-5 电磁波和速度27-8 霍尔效应 32-6 光和电磁光谱27-9 质谱仪 32-7 电磁波的能量；坡印亭矢量28. 磁场的来源 32-8 辐射压28-1 直导线的磁场 32-9 收音机和电视28-2 两平行导线之间的力 33. 光的反射和折射28-3 安培和库伦的定义 33-1 光的模式28-4 安培定律 33-2 光速和折射率28-5 螺线管和环转体的磁场 33-3 反射；平面镜成像28

27、-6 比萨定律 33-4 球面镜成像28-7 磁材料铁磁体 33-5 折射28-8 电磁和螺线管 33-6 可见光谱和散射28-9 磁材料中的磁场 33-7 全反射；光纤28-10 顺磁性和抗磁性 33-8 球面镜的折射29. 电磁感应和法拉利定律 34. 棱镜和光学器件29-1. 感应电动势 34-1 薄透镜；光束追踪29-2 法拉利感应定律；楞次定律 34-2 棱镜方程29-3 运动中导体的感应电动势 34-3 组合棱镜解决问题29-4 发电机 34-4 棱镜制造方程29-5 反电动势；涡流 34-5 相机29-6 变压器和传输功率 34-6 人眼；校正棱镜29-7 变化的磁场产生电场 3

28、4-7 放大镜29-8 感应的应用：声音系统，地动仪 34-8 望远镜30. 电感和电磁振荡 34-9 组合显微镜30-1 互感 34-10 镜头畸变30-2 自感 35. 光的波特性；干涉30-3 磁场的能量 35-1 波动和粒子；惠更斯原理30-4 LR回路 35-2 惠更斯原理和折射定律30-5 LC回路和电磁振荡 35-3 干涉杨氏双缝干涉实验30-6 LRC回路 35-4 连续性31. AC回路 35-5 双缝干涉的强度31-1 介绍：AC回路 35-6 薄膜干涉31-2 只含有电阻R的AC回路 35-7 迈克尔逊干涉仪35-8 光强 39-5 一维薛定谔方程36. 衍射和极化 39

29、-6 时间依赖薛定谔方程36-1 单缝衍射 39-7 自由粒子；平面波和波包36-2 单缝衍射的强度 39-8 势井中的粒子36-3 双缝衍射实验 39-9 隧道障碍36-4 分辨率限制；圆孔 40. 原子的量子力学36-5 望远镜和显微镜的分辨率；波长限制 40-1 原子的量子力学理论36-6 人眼的分辨率 40-2 氢原子：薛定谔方程和量子数36-7 衍射光栅 40-3 氢原子波函数36-8 光谱仪和光谱学 40-4 复杂原子；不相容原理36-9 衍射光栅的峰值宽度和分辨率 40-5 元素周期表36-10 X射线和X射线衍射 40-6 X射线光谱和原子数36-11 极化 40-7 磁矩；全

30、角动量36-12 大气中的光散射 40-8荧光和磷光37. 狭义相对论 40-9 激光和全息照相37-1 伽利略-牛顿相对论 41. 分子和固体37-2 迈克尔逊-莫雷实验 41-1 分子结合37-3 狭义相对论的假设 41-2 分子的势能37-4 同时性 41-3 弱结合37-5 时间膨胀和孪生子佯谬 41-4 分子光谱37-6 尺寸压缩 41-5 固体结合37-7 四维时间空间 41-6 金属的自由电子理论37-8 伽利略和洛仑兹变换 41-7 固体的能带理论37-9 相对质量和动量 41-8 半导体37-10 极限速度 41-9 半导体二极管和晶体管37-11 E=mc2；质量和能量 42. 核物理和反射性37-12 狭义相对论的影响 42-1 原子核的构造和性质38. 早期量子理论和原子模型 42-2 束缚能和核力量38-1 普朗克的量子假设 42-3 放射性38-2 光的光子理论和光电效应 42-4 Alpha衰变38-3 光子和康普顿效应 42-5 Beta衰变38-4 光子相互作