大学物理·上册

普通高等学校应用型本科十四五系列教材

“”

大学物理

上册

郝虎在于海宁主编

◎

刘斌李蓉副主编

◎

内容简介

本书根据教育部理工科类大学物理课程教学基本要求针对高等学校应用型

《》,

本科学生的数学与物理基础按照世纪人才培养模式的需要和教学内容改革的要

,21

求编写而成全书分为上下两册上册包括力学热学基础和电磁学三篇内容下册

。、,、;

包括振动和波动光学近代物理基础和能源与电力四篇内容

、、。

本书适合作为高等学校应用型本科各专业大学物理课程的教材也可作为其他

,

各类院校非物理类专业大学物理课程的教材和参考用书

。

图书在版编目CIP数据

()

大学物理上册郝虎在于海宁主编北京中国

./,.—:

铁道出版社有限公司

,2022.2

普通高等学校应用型本科十四五系列教材

“”

ISBN978-7-113-28559-3

大郝于物理学高等学校

Ⅰ.①…Ⅱ.①…②…Ⅲ.①--

教材

Ⅳ.①O4

中国版本图书馆数据核字第号

CIP(2021)236400

书名:大学物理·上册

作者:郝虎在于海宁

策划:潘晨曦编辑部电话:

(010)83552550

责任编辑:钱鹏包宁

封面设计:刘颖

责任校对:孙玫

责任印制:樊启鹏

出版发行:中国铁道出版社有限公司北京市西城区右安门西街号

(100054,8)

网址:

/51eds/

印刷:三河市兴达印务有限公司

版次:年月第版年月第次印刷

202221202221

开本:印张:字数:千

710mm×1000mm1/1620.25397

书号:

ISBN978-7-113-28559-3

定价:元

48.00

版权所有侵权必究

凡购买铁道版图书如有印制质量问题请与本社教材图书营销部联系调换电话

,,。:(010)63550836

打击盗版举报电话

:(010)63549461

前言

“大学物理”是普通高等学校理工科各专业的一门必修基础课,大学物理的

基本概念、基本理论和基本方法是构成学生科学素养的重要组成部分,是科学工

作者和工程技术人员必须具备的基本素质。大学物理的学习过程,是培养学生分

析问题和解决问题的能力,以及培养探索精神和创新意识的过程。本书是为了适

应高等工程教育的培养目标和发展需要,根据教育部《理工科类大学物理课程教

学基本要求》,按照世纪人才培养模式的需要和教学内容改革的要求,依据编

21

者多年从事大学物理教学的教案改编而成的。本书可以作为普通高等学校应用型

本科大学物理课程(学时)的教材,也可作为其他各类院校非物理类

120~130

专业的大学物理课程的教材或教学参考书。自《大学物理》年出版以来,

2018

受到用书师生厚爱,根据读者的意见和建议,我们对教材进行了修订,在修订中

注意了以下几个问题:

考虑中学物理教学改革的实际,尤其部分选修内容的基础缺失,适当增

1.

加了一些必要的基本物理理论知识的回顾与归纳,以便于查阅。

针对普通高等学校应用型本科学生的数学与物理基础,为了加强对物理

2.

基本概念、基本理论的训练,注重了物理模型的建立和数学描述,适当增加例题

的类型与数量。

对部分内容进行了适当取舍,增加了部分理论联系实际、能激发学生学

3.

习兴趣且与后续课程相关的内容、例题与习题,为了方便学生学习增加了习题参

考答案。

在章节安排、讲述方式上,尽量考虑与高等数学的教学进度相适应。

4.

注重应用基本理论分析问题和解决问题,在内容讲述和习题的选择上尽

5.

量避免复杂的理论计算与过程推导。

本书由郝虎在、于海宁任主编,刘斌、李蓉任副主编,关婷、李红玉、

Ⅱ大学物理·上册

··

石家榕、王静、白宇晨、李彦荣参与编写。参加本书编写的教师做了大量认真细

致的工作,详细编写分工如下:刘斌负责编写第、、章;李蓉负责编写第、

1234

章;于海宁负责编写第、、章;关婷负责编写第、章;李红玉负责编

5678910

写第、章;石家榕负责编写第、章;王静负责编写第、章;

111213141516

白宇晨负责编写第、章;李彦荣负责编写第章;郝虎在负责编写第

17181920

章。郝虎在、于海宁负责全书统稿和校核工作。

由于编者知识有限,时间仓促,缺点和疏漏之处在所难免,诚恳希望读者批

评指正。

编者

年月

202110

目录

第一篇力学

第1章质点运动学…………………

2

质点参考系与坐标系…………………

§1-12

质点运动状态的描述……………………

§1-24

直线运动…………………

§1-312

抛体运动…………………

§1-415

圆周运动…………………

§1-518

相对运动…………………

§1-624

习题……………

26

第2章质点动力学………………

28

牛顿运动定律力………

§2-128

牛顿运动定律的应用……………………

§2-234

动量定理动量守恒定律………………

§2-339

质点角动量定理和角动量守恒定律……

§2-446

功动能动能定理……………………

§2-550

势能机械能守恒定律…………………

§2-655

习题……………

61

第3章刚体的定轴转动…………

67

刚体定轴转动的角量描述………………

§3-167

定轴转动定律……………

§3-270

刚体定轴转动的角动量守恒定律………

§3-378

刚体定轴转动的动能……………………

§3-480

习题……………

81

第二篇热学基础

第4章气体动理论………………

85

平衡态理想气体状态方程……………

§4-185

麦克斯韦分子速率分布律………………

§4-290

Ⅱ大学物理·上册

··

压强与温度的微观解释…………………

§4-396

能量按自由度均分定理理想气体的内能…………

§4-4100

习题……………

106

第5章热力学基础………………

108

热力学第一定律………

§5-1108

理想气体的等值过程…………………

§5-2113

绝热过程………………

§5-3119

循环过程………………

§5-4123

热力学第二定律………

§5-5130

热力学第二定律的统计意义玻尔兹曼熵…………

§5-6134

习题……………

139

第三篇电磁学

第6章真空中的静电场…………

143

电荷库仑定律………

§6-1143

电场电场强度………

§6-2147

电通量真空中静电场的高斯定理…………………

§6-3156

静电场的环路定理电势能…………

§6-4166

电势与电势差…………

§6-5169

等势面场强与电势的微分关系……

§6-6174

习题……………

178

第7章静电场中的导体和电介质………………

181

静电场中的导体………

§7-1181

电容和电容器…………

§7-2191

静电场中的电介质……………………

§7-3197

静电场的能量…………

§7-4204

习题……………

207

第8章真空中的稳恒磁场………

210

稳恒电流与电动势……………………

§8-1210

磁场与磁感应强度……………………

§8-2214

毕奥萨伐尔定律………

§8-3-217

磁场的高斯定理………

§8-4227

安培环路定理…………

§8-5229

习题……………

237

目录Ⅲ

··

第9章磁场对电流和磁介质的作用……………

241

磁场对载流导线的作用………………

§9-1241

磁场对运动电荷的作用………………

§9-2248

磁介质中的磁场………

§9-3254

铁磁质…………………

§9-4258

习题……………

261

第10章电磁感应和电磁场……………………

264

电磁感应现象及其规律………………

§10-1264

动生电动势……………

§10-2271

感生电动势……………

§10-3275

自感与互感……………

§10-4282

磁场能量………………

§10-5288

麦克斯韦电磁场理论…………………

§10-6291

电磁波…………………

§10-7297

习题……………

301

习题参考答案………………………

306

附录…………………

314

附录物理常量表年推荐值……………

A(CODATA2014)314

附录国际单位制的基本单位………………

B314

附录国际单位制的两个辅助单位…………

C315

附录国际单位制中个具有专门名称的导出单位……

D21315

附录元素周期表……………

E316

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ँ第一篇力学

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ँ宇宙中一切物体都在运动着物体的运动形式是多种多样的其中最简ँ

ँ.,ँ

ँ单最常见的一种运动形式是物体间或物体各部分之间相对位置的变动这种ँ

ँ、,ँ

运动称为机械运动星体的运动车辆船只飞机等的运动水空气的流动

ँ.,、、,、,ँ

ँ各种机器的运转等都是机械运动力学是研究机械运动的规律及其应用的学ँ

ँ

ँ,.

ँ科力学是物理学的基础力学中的基本概念和某些规律在物理学的各领域中ँ

,

ँ.ँ

起着重要的作用其他自然科学和工程技术中也常用到力学的基本知识

ँ;.ँ

ँ本篇共三章第一章为质点运动学主要研究质点运动的描述第二章为ँ

ँ:,;ँ

ँ质点动力学主要研究物体间的相互作用以及这些相互作用对物体运动的影ँ

,

ँ响着重介绍牛顿定律和动量角动量能量等概念及相应的守恒定律第三章ँ

ँ,、、;ँ

ँ

ँ为刚体的定轴转动主要介绍刚体定轴转动的运动学和动力学问题

ँ,.ँ

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第1章质点运动学

质点运动学的主要任务是研究物体的运动状态随时间变化的关系而不涉及

,

物体运动产生和改变的原因本章首先定义描述质点运动状态的物理量如位置矢

.,

量位移速度和加速度等并讨论这些状态量之间的关系然后讨论质点的直线运

、、,;

动曲线运动和圆周运动的运动规律及其描述方法

、.

§1-1质点参考系与坐标系

一、质点

任何物体都有一定的大小形状和内部结构通常情况下物体运动时内部各

、.,,

点的运动情况常常是不同的因此要精确描述物体的运动并不是一件容易的事为

..

使问题简化可以采用抽象的办法如果物体的大小和形状在所研究的问题中不起

,:

作用或所起的作用可以忽略不计就可以近似地把此物体看作一个只有质量而没

,,

有大小和形状的理想物体称为质点

,.

质点是一个理想化模型质点仍然是一个物体它具有质量同时它已被抽象

.,,

化为一个几何点即质点是实际物体在一定条件下的抽象引入理想化模型在物理

,.

学中是一种常见的重要的科学分析方法在以后的课程中还将引入一系列理想化

、,

模型例如刚体理想气体点电荷等把物体抽象为质点的方法具有很大的实际意

,、、.

义和理论价值例如在天文学中把庞大的天体抽象为质点的方法已获得极大的成

.,

功从理论上讲可以把整个物体看成由无数个质点所组成的质点系从分析研究

.,,

这些最简单的质点入手就可能把握整个物体的运动所以质点运动是研究物体运

,,

动的基础

.

在应用质点的概念时首先要注意同一个物体在一个问题中可抽象为质点

,,,

在另一个问题中则不一定能简化为质点例如研究地球绕太阳公转时由于地球

.,,

至太阳的平均距离约为8比地球的半径约为大得多地球

(1.5×10km)(6370km),

上各点相对于太阳的运动可以近似看作相同的可以把地球当作质点但研究地球

,;

自转时地球上各点的运动情况就大不相同地球就不能当作质点处理了其次要

,,.

注意区别质点与小物体物体再小如原子核的线度约为-15也有大小和形

.(10m)

状而质点为一几何点它只有质量没有大小但在空间占有确切的位置

,,,,.

二、运动的绝对性与运动描述的相对性

宇宙间一切物体都在不停地运动不可能找到一个绝对静止不动的物体大到

,.

第1章质点运动学3

··

太阳地球等天体小到分子原子和各种基本粒子都处于永恒的运动之中放在

、,、,.

桌上的书对于桌面是静止的但它却随地球一起绕太阳运动太阳也在运动整个

,;,

太阳系是在绕着银河系中心运动同时银河系也在运动这就是运动的绝对性

;,.

对于某一个具体的物体如一个从运行列车的桌子上掉下的杯子它是怎样运

,,

动的这个问题可以有不同的答案列车上的甲认为杯子做竖直向下的自由落体

?:

运动而站台上的乙却认为杯子做抛物线运动列车上的甲的参照物是车厢而站

,,,

台上的乙的参照物是地面因此描述一个物体的运动时必须选择另外一个或几

.,,

个相互保持静止的物体作为参照物选择的参照物不同对同一个物体运动的描述

,,

也就可能不同这就是运动描述的相对性

,.

三、参考系与坐标系

在物理学中把描述一个物体运动所选择的参照物称为参考系在后续章节

,.

中我们在物理定律中使用的一些物理量必须是相对同一参考系的所以在处理

,,,,

问题时一定要明确描述物体运动所选择的参考系不同参考系的物理量需要变换

,,

到同一参考系中才能求解有关问题在运动学中参考系的选择具有任意性在具

.,,

体问题中选择什么参考系取决于所研究问题的性质一般情况下如果研究地面

,.,

上物体的运动往往以地球地面为参考系如果研究地球月球的运动往往以太

,();、,

阳为参考系

.

为了定量地描述一个物体不同时刻相对于参考系的位置需要在此参考系上

,

建立一个固定的坐标系如图所示坐标系建立后简化为质点的物体相对于

,1-1.,

坐标系的运动也就是质点相对于参考系的运动运动物体的位置由质点在坐标系

,.

中的坐标值决定坐标系是参考系的一种数学抽象所以当提到坐标系时指的也

.,,

是与它固定在一起的参考系

.

常用的坐标系有图所示的三维直角坐标系xyz以及图所示的

1-2(,,),1-3

三维球面坐标系rθφ等对二维平面运动常用图所示的二维直角坐标系

(,,).,1-4

xy或图所示的二维极坐标系rθ究竟选用什么坐标系为好应以研究

(,)1-5(,).,

问题能够最为简捷方便为准直线运动使用一维直线坐标系描述

..

图参考系与坐标系图三维直角坐标系xyz

1-11-2(,,)

4大学物理·上册

··

图三维球面坐标系rθφ图二维直角坐标系xy图二维极坐标系rθ

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

§1-2质点运动状态的描述

一、位置矢量

我们习惯于将空间任一点P的位置用一组坐标xyz来表示即Pxy

(,,),(,,

zP点的位置也可以用从坐标原点O向P点作的一条有方向的线段r来表示如

).,

图所示矢量r称为位置矢量简称位矢

1-6.,