新編基礎物理學．上冊是普通高等教育“十一五”國家級規劃教材，2009 年被教育部列為普通高等教育精品教材．新編基礎物理學．上冊依照教育部最新頒布的大學物理課程教學基本要求編寫，新編基礎物理學．上冊系統闡述了大學物理學的基本概念、基本理論和基本方法，并融入作者多年教學經歷所積累的成功經驗．編寫理念上，強調培養學生物理思想和物理方法；內容選取上，根據“保證寬度、加強近代、聯系實際、涉及前沿”的原則，強調精煉適當；編寫風格上，力求深入淺出、簡潔流暢．考慮當前學生學習和教師教學特點，新編基礎物理學．上冊配備了習題分析與解答，學習指導與能力訓練以及電子教案等資源，以備選用．新編基礎物理學．上冊分兩冊，上冊包括力學篇，機械振動、機械波篇和熱學篇；下冊包括電磁學篇，光學篇和量子物理基礎篇．值得一提的是，新編基礎物理學．上冊在有關章節中適當引入計算機數字技術應用案例，以引導學生自主式、研究式學習，以期激發學生的學習興趣；同時在新編基礎物理學．上冊的每章均設置二維碼，讓學生自主掃描獲得動畫、視頻和演示實驗等資料，從而拓展大學物理的教學內容，培養學生探索精神和創新意識．
前 言第一版前言摘錄
第 1篇 力學
第 1章 質點運動學
1.1 參考系.時間和空間的測量 4
1.1.1 參考系 坐標系 4
1.1.2 時間的測量 4
1.1.3 長度的測量 5
1.2 質點運動的矢量描述 5
1.2.1 質點. 5
1.2.2 位矢 運動方程和軌跡方程. 6
1.2.3 速度 加速度 7
1.2.4 .自然坐標系 切向加速度和法.向加速度 11
1.3 相對運動 15
習題 1 16
第 2章 質點動力學
2.1 牛頓運動定律 20
2.1.1 牛頓運動定律 20
2.1.2 國際單位制 量綱 21
2.1.3 常見的力 22
2.1.4 牛頓運動定律的應用 24
*2.1.5 非慣性系 慣性力 28
2.2 動量和動量守恒定律 29
2.2.1 質點和質點系的動量定理 29
2.2.2 動量守恒定律 32
2.3 功、機械能和機械能守恒定律 35
2.3.1 功 功率 35
2.3.2 動能和質點動能定理 40
2.3.3 質點系動能定理 42
2.3.4 勢能和勢能曲線 43
2.3.5 功能原理 機械能守恒定律. 46
2.4 質點的角動量和角動量守恒定律 51
2.4.1 力對參考點的力矩 51
2.4.2 質點角動量 52
2.4.3 質點的角動量定理 52
2.4.4 質點角動量守恒定律 53
2.4.5 .質點系的角動量定理和角動量.守恒定律 55習題 2 56
第 3章 剛體力學基礎
3.1 剛體運動的描述 63
3.1.1 剛體. 63
3.1.2 剛體的自由度 63
3.1.3 剛體運動的幾種形式 63
3.1.4 剛體定軸轉動的描述 64
3.2 剛體定軸轉動定律 角動量守恒定律 65
3.2.1 力矩. 65
3.2.2 定軸轉動定律 轉動慣量 66
3.2.3 .剛體定軸轉動的角動量和角動.量定理 71
3.2.4 定軸轉動剛體的角動量守恒定律 71
3.3 剛體的能量 73
3.3.1 剛體定軸轉動的動能和動能定理 73
3.3.2 剛體的重力勢能 75
*3.4 陀螺的運動 進動 77
3.4.1 不受外力矩作用的陀螺 77
3.4.2 陀螺的進動 78
習題 3 80
第 4章 狹義相對論
4.1 愛因斯坦的兩個基本假設 85
4.1.1 .伽利略相對性原理和牛頓力學.的時空觀 85
4.1.2 邁克耳孫 -莫雷實驗的零結果. 88
4.1.3 愛因斯坦的兩個基本假設 90
4.2 愛因斯坦的時空觀 90
4.2.1 同時性的相對性 91
4.2.2 時間延緩 92
4.2.3 長度收縮 94
4.3 洛倫茲坐標變換和速度變換 98
4.3.1 洛倫茲坐標變換 98
4.3.2 洛倫茲速度變換 101
4.4 幾個經典佯謬 103
4.4.1 因果關系 103
4.4.2 孿生子佯謬 104
4.5 相對論動力學基礎 105
4.5.1 相對論質量和動量 105
4.5.2 相對論能量 107
習題 4 111
第 2篇 機械振動 機械波
第 5章 機械振動
5.1 簡諧運動 116
5.1.1 簡諧運動的特征及其運動方程 116
5.1.2 .簡諧運動方程中的三個基本.物理量 117
5.2 簡諧運動的旋轉矢量表示法 119
5.2.1 旋轉矢量表示法 119
5.2.2 旋轉矢量圖的應用 120
5.3 單擺和復擺 122
5.3.1 單擺. 122
5.3.2 復擺. 123
5.4 振動的能量 124
5.5 簡諧運動的合成 126
5.5.1 .同方向、同頻率的兩個簡諧運.動的合成 126
5.5.2 .同方向、不同頻率的兩個簡諧.運動的合成 拍 128
*5.5.3 .相互垂直的兩個簡諧運動的.合成. 130
5.6 阻尼振動 受迫振動 共振 132
5.6.1 阻尼振動 132
5.6.2 受迫振動 共振 133
習題 5 136
第 6章 機械波
6.1 機械波的產生、傳播和描述 140
6.1.1 機械波的形成 140
6.1.2 橫波與縱波 140
6.1.3 波的幾何描述 141
6.1.4 波速 波長 周期 (頻率 ). 142
6.2 平面簡諧波的波函數 143
6.2.1 .平面簡諧波波函數的建立和.意義. 143
*6.2.2 波動方程. 146
6.3 波的能量 148
6.3.1 波動能量的傳播 148
6.3.2 能流和能流密度 150
6.3.3 波能量的吸收 151
6.4 惠更斯原理波的衍射、反射和折射 152
6.4.1 惠更斯原理 152
6.4.2 波的衍射 152
6.4.3 波的反射和折射 153
6.5 波的干涉 155
6.5.1 波的疊加原理 155
6.5.2 波的干涉條件和公式 155
6.6 駐波 158
6.6.1 駐波的產生 158
6.6.2 駐波方程 159
6.6.3 駐波的能量 161
6.6.4 半波損失 161
6.6.5 振動的簡正模式 162
6.7 多普勒效應 163
6.7.1 .波源靜止，觀察者以 uR相對于.介質運動 164
6.7.2 .觀測者靜止，波源以 uS相對于.介質運動 165
6.7.3 .波源以 uS運動，觀測者以 uR.運動 (相向為正 ) 166
*6.8 聲波 超聲波 次聲波 167
6.8.1 音量、音調和音色 167
6.8.2 聲壓. 168
6.8.3 次聲波 169
6.8.4 超聲波 169
習題 6 171
第 3篇 熱學
第 7章 氣體動理論
7.1 熱力學系統 平衡態 狀態參量 178
7.1.1 熱力學系統 178
7.1.2 平衡態 178
7.1.3 狀態參量 179
7.2 理想氣體狀態方程 180
7.3 理想氣體的壓強 183
7.3.1 理想氣體的微觀模型 183
7.3.2 平衡狀態氣體的統計假設 183
7.3.3 理想氣體的壓強公式 184
7.4 理想氣體的溫度公式 186
7.5 能量均分定理 理想氣體內能 187
7.5.1 自由度 188
7.5.2 能量均分定理 189
7.5.3 理想氣體的內能 189
7.6 麥克斯韋速率分布律 191
7.6.1 速率分布和分布函數 191
7.6.2 .理想氣體分子的麥克斯韋速率.分布律 192
7.6.3 三種速率 193
7.6.4 麥克斯韋速率分布的實驗驗證 194
*7.7 玻爾茲曼分布 196
7.7.1 玻爾茲曼分布律 196
7.7.2 重力場中微粒按高度的分布. 197
7.8 氣體分子的平均自由程和碰撞頻率 197
*7.9 氣體的內遷移現象 200
7.9.1 內摩擦現象 200
7.9.2 熱傳導現象 202
7.9.3 擴散現象 203
*7.10 真實氣體 范德瓦耳斯方程 203
7.10.1 真實氣體 203
7.10.2 范德瓦耳斯方程 205
習題 7 207
第 8章 熱力學基礎
8.1 準靜態過程 功 熱量 211
8.1.1 準靜態過程 211
8.1.2 準靜態過程壓力的功 211
8.1.3 熱量和熱容量 212
8.2 熱力學第一定律 213
8.2.1 內能. 213
8.2.2 熱力學第一定律的表述 213
8.3 熱力學第一定律對理想氣體等值過程的應用 215
8.3.1 等體過程 215
8.3.2 等壓過程 216
8.3.3 等溫過程 217
8.4 絕熱過程 *多方過程 219
8.4.1 .熱力學第一定律在絕熱過程中.的應用 219
8.4.2 絕熱方程 219
8.4.3 絕熱線和等溫線的比較 221
*8.4.4 多方過程. 222
8.5 循環過程 卡諾循環 224
8.5.1 循環過程 224
8.5.2 熱機和熱機循環 225
8.5.3 制冷機和制冷系數 226
8.5.4 卡諾循環 228
8.6 熱力學第二定律 卡諾定理 231
8.6.1 可逆過程與不可逆過程 232
8.6.2 熱力學第二定律 233
8.6.3 卡諾定理 234
8.7 熱力學第二定律的統計意義和熵的概念 235
8.7.1 熱力學第二定律的統計意義. 235
8.7.2 熵和熵增加原理 236
8.7.3 熵的熱力學表示 238
8.7.4 熵的計算 239習題 8 241參考答案參考文獻
附錄
附錄1 希臘字母表 252
附錄2 常用天文量 253
附錄3 基本物理常量 254
附錄4 常用物理量單位 255
名詞索引
第1章 力學
自然界中一切物質都在永不停息地運動著，這是所有物質的一個共同特征，而運動的形式多種
多樣，如機械運動、分子熱運動、電磁運動、原子和原子核運動以及其他微觀粒子的運動等，但其 中最簡單、最基本而又最常見的運動形式是機械運動．所謂機械運動 (mechAnicAl motion) 是指，物 體相對于其他物體的位置 ( 距離和方向 ) 的變化以及物體各部分之間的相對運動 ( 如形變 )．在物理 學中，專門研究物體的機械運動及其規律的學科分支就是力學 (mechAnics)．
力學的歷史悠久，是人類最早建立的學科之一．英國物理學家牛頓 (IsAAc Newton，1642~1727) 總結、分析了亞里士多德、伽利略、開普勒、笛卡兒和惠更斯等的實驗和理論后，于 1687 年發表 了《自然哲學的數學原理》一書，提出了著名的運動三定律和萬有引力定律，從而奠定了經典力學 的基礎．至此，力學進入了所謂的牛頓力學時代，這是力學發展史上的一個重要里程碑．此后，牛 頓建立的力學體系又經過伯努利、拉格朗日和達朗貝爾等的推廣和完善，形成了系統的理論，取得 了廣泛的應用并發展出了流體力學、彈性力學和分析力學等分支．隨著科技的發展，到了 20 世紀初， 相繼建立了研究物體在高速運動時規律的相對論力學和研究微觀客體運動規律的量子力學，使牛頓 力學得以進一步擴展和修正．近代物理學的研究揭示了經典力學只適用于宏觀低速的情況，盡管如 此，經典力學仍然能在相當廣闊的尺度和速率范圍內使用．在自然科學和工程技術領域，牛頓力學 仍然能夠較精確地解決許多理論和實際問題．
力學的研究內容是力與物體運動的關系．通常我們把力學分成運動學 (kinemAtics)、動力學
(dynAmics) 和狹義相對論 (speciAl relAtivity) 三部分．運動學研究的是物體在運動過程中位置和時間 的關系，不追究運動發生的原因；而動力學研究的是物體的運動與物體間相互作用的內在聯系和規 律；狹義相對論主要介紹相對論時空觀、運動學基本問題和狹義相對論質點動力學的初步知識，從 而使讀者盡早感受到經典物理和近代物理的適當融合，以拓展視野．
力學是物理學的起點，也是整個物理學的“基石”，因此，掌握力學對學好物理學的其他部分 是極其重要的．
第1 章 質點運動學
點運動學的任務是研究和描述做機械運動的物體在空
間的位置隨時間變化的關系，并不追究運動發生的原 因 . 本章在引入參考系、坐標系、質點等概念的基礎上，定 義描述質點運動的物理量，如位置矢量、位移、速度和加速 度等，進而討論這些量隨時間的變化以及相互關系，然后討 論曲線運動中的切向加速度和法向加速度，最后將介紹相對 運動 .
1.1 參考系 時間和空間的測量
1.1.1 參考系 坐標系
自然界中所有的物體都在不停地運動著，絕對靜止的物體是沒有的， 這就是運動的絕對性．同時，運動還具有相對性．描述一個物體的運動 時，首先要選定某一物體作為參考物體，選定的參考物體不同，運動的描 述也就可能不同，這種被選作參考的物體稱為參考物．與參考物固連的空 間稱為參考空間．而參考空間和與之固連的時間組合稱為參考系 (reference system)．但習慣上，常把參考物簡稱為參考系，并不特別指出與之相連的 參考空間和鐘．參考系選定后，為了定量地描述物體相對于參考系的位置， 還必須在參考系上建立適當的坐標系 (coordinAte system)．因此，坐標系 是參考系的數學表示．盡管坐標系的選取是完全任意的，然而一旦選定坐 標系，物體運動的描述便隨之確定．常用的坐標系有直角坐標系 ( 又稱笛 卡兒坐標系 )、平面極坐標系、球坐標系和柱坐標系等．今后若不特別指 明，我們均采用直角坐標系．需要說明的是，物體的運動狀態與選擇的參 考系密切相關 ( 運動是相對的 )，而與選取何種類型的坐標系無關．同時 必須注意，求解運動學問題時，需將各類物理量變換到同一參考系中分析 求解．
通常按慣例約定：若不明確指出選用什么物體為參考系，就是選取 地面為參考系．
1.1.2 時間的測量
描寫物體的運動，要用到時間 (time) 和空間 (spAce) 這兩個概念．雖 然在生活中我們對時間和空間已經比較熟悉，但是要問你什么是時間、 什么是空間，卻又不容易找到恰當的答案．所謂時間，是用以表述事件 之間的先后順序性和持續性 ；空間是用以表述事物相互之間的位置和廣 延性．盡管對時間和空間沒有滿意的“嚴格”的理論定義，但這并不影 響二者在物理學中的使用．因為，物理學是一門基于實驗的科學，首要 應考慮的問題不是它們的定義，而是了解它們是怎樣度量的．
一切周期運動都可以用來度量時間．太陽的升起和降落表示天 ( 日 )， 四季的循環表示年，月亮的盈虧是農歷的月，這些均已為我們所熟悉，因 而年、月、日一直是世界各民族計量時間的單位和標準．為了更精細地量 度時間，我國古代將 1 日分為 12 個時辰，1 個時辰又分為 4 刻；近代將 1 日分為 24 個小時，1 小時分為 60 分鐘，1 分鐘分為 60 秒．
目前，國際通用的時間單位是秒 (s)．1967 年 10 月在第十三屆國際度
量衡會議上決定采用原子的躍遷輻射作為計時標準，規定 1 秒為位于海平
面上的 133Cs 原子的基態的兩個超精細能級在零磁場中躍遷輻射的周期 T 的
9 192 631 770 倍．此時間標準稱為原子時． 在 自 然 界 中， 任 何 現 象 都 有 一 個 時 間 尺 度． 如 宇 宙 的 年 齡 大 約
是 6×1017 s，即 200 億年；地球自轉一周約為 8.64×104 s；μ 子的壽命是
2×10-6 s；一個分子里的一個原子完成一次典型的振動需要 10-14 ～ 10-13 s. 目前，物理學中涉及的最長的時間是 1038 s，它是質子壽命的下限；涉及 的最小的時間是 10-43 s，稱為普朗克時間．普朗克時間被認為是最小的 時間，比普朗克時間還要小的范圍內，時間的概念可能就不再適用了．
在物體的運動描述中，通常我們把某一瞬時稱為時刻，用 t 表示．選 定的計時起點為 t = 0 時刻，同時把兩個時刻間的一段時間 Δt = t2-t1 稱 為時間間隔，簡稱為時間．顯然，時刻與物體的某一空間位置相對應， 時間與物體運動的空間位移相對應．
1.1.3 長度的測量
長度 (length) 是空間的一個基本性質．對于長度的測量，在古代常常 以人體的某部分作為單位和標準，這顯然不能取作統一的標準．以客觀存 在的不變事物作為長度的標準是一種必然的趨勢．目前國際通用的長度單 位是米 (m)．1960 年以前，用鉑銥米尺作為標準尺，規定米的大小．1960 年以后，改用光的波長作為標準．在第十一屆國際計量大會上規定 1 米等
于 86Kr 原子 2p
和 5d5
能級之間躍遷時所對應的輻射在真空中的波長的
1 650 763.73 倍．1983 年，第十七屆國際計量大會上又通過了米的新定義：
米是光在真空中經歷 1/299 792 458 s 的時間間隔內所傳播的路程長度． 按這種新的定義，光速是一個固定的常數，從而將長度標準和時間標準 統一了起來，并使長度計量的精度提高到與時間計量相同的精度．
目前，物理學中涉及的最大長度是 1028 m，它是宇宙曲率半徑的下限； 已達到的最小長度為 10-20 m，它是弱電統一的特征尺度．普朗克長度約 為 10-35 m，被認為是最小的長度，意思是說，在比普朗克長度更小的范 圍內，長度的概念可能就不再適用了．
1.2 質點運動的矢量描述
1.2.1 質點
牛頓力學中的運動學，就是研究如何描述物體位置隨時間的變化， 我 們 首 先 討 論 一 種 被 稱 為 質 點 (mAss point，pArticle) 的 物 體， 即 具 有 質量而大小為幾何點的物體．我們知道，任何實際物體都有一定的大 小、 形 狀和內部結構，沒有任何一個真實物體與質點等價．但是，當
我們僅考察物體的整體運動，物體本身的大小比所考察運動的線度又
小得多時，就可以不計物體各部分運動情況的差別而將它抽象為一個 質點．
質點是一種理想的力學模型，它突出了物體具有質量和占有空間位置 這兩個主要因素，而忽略了形狀、大小及內部運動等次要因素．在物理上， 這種突出研究對象的主要特征而忽略其次要特征的理想模型是常用的，如 剛體、點電荷、理想氣體、理想流體等．
1.2.2 位矢 運動方程和軌跡方程
圖 1 1 位置矢量
設質點做曲線運動，在坐標系建立以后，物體的運動情況便可以進
行定量描述．如圖 1-1 所示，設某時刻質點在 P 點，在中學里我們已經 學過 P 點的位置可以用直角坐標 (x，y，z) 來確定，現在我們將學習確定 質點位置的另一種方法——位置矢量法．定義 P 點的位置矢量 (position
vector) r 的大小為有向線段 OP 的長度，而方向是從原點 O 指向 P，位置 矢量又簡稱為位矢或徑矢 (rAdius vector)．用這樣一個矢量 r 就完全確定 了該時刻質點的位置．于是位置矢量 r 的矢端在直角坐標系三個坐標軸 上的坐標就是 xP，yP，zP，于是 r 可以寫為
r = x i + y j + z k (1-1)
P P P
式中，i，j，k 分別為 x，y，z 軸上的單位矢量．
當質點運動時，它相對于坐標原點 O 的位矢 r 是隨時間變化的，因此，
r 是時間 t 的函數，即
r = r(t) = x(t)i + y(t)j + z(t)k (1-2)
或
x = x (t)
*y = y (t)
z = z (t)
這就是質點的運動學方程 (kinemAticAl equAtion)；而 x(t)，y(t) 和 z(t)
則是運動方程的分量式，從中消去參數 t 便可得到質點運動的軌跡方程或
軌道方程．若軌跡為直線，則稱質點做直線運動，若軌跡為曲線則稱質 點做曲線運動．
位矢的大小、方向分別為
r = r = x2 + y2 + z2
(1-3)
cosα =
x ， cosβ =
y ， cosγ = z
(1-4)
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