大学基础物理学习指导与习题解析（第二版）.pdf

普通高等教育大学物理规划教材 大学基础物理学习指导 与习题解析（第二版）郑勇林 杨 维 朱晓玲 杨 敏 杨 阔 编著 内 容 简 介 本书是与大学基础物理学（上、下）配套的辅导教材。本书从科学技术的发展和工程技术人才培养的总体要求出发，兼顾实用性和先进性，内容覆盖了所有需要掌握的基本理论和方法。书中对每章的教学重点和主要内容进行了梳理和总结，精选例题和习题解析有助于提高读者的理解、分析和解决问题的能力。本书可作为高等学校非物理类专业大学物理课程的辅助教材，也可供相关领域的工程技术人员、研究生学习参考。未经许可，不得以任何方式复制或抄袭本书之部分或全部内容。版权所有，侵权必究。图书在版编目(CIP)数据 大学基础物理学习指导与习题解析/郑勇林等编著.2 版.北京：电子工业出版社，2018.1 ISBN 978-7-121-33049-0 I大 II郑 III物理学高等学校教学参考资料 IVO4 中国版本图书馆 CIP 数据核字(2017)第 280706 号 策划编辑：张小乐 责任编辑：张小乐 特约编辑：刘闻雨 印 刷：装 订：出版发行：电子工业出版社 北京市海淀区万寿路 173 信箱 邮编 100036 开 本：7871 092 1/16 印张：21.75 字数：557 千字 版 次：2014 年 3 月第 1 版 2018 年 1 月第 2 版 印 次：2018 年 1 月第 1 次印刷 定 价：49.80 元 凡所购买电子工业出版社图书有缺损问题，请向购买书店调换。若书店售缺，请与本社发行部联系，联系及邮购电话：(010)88254888，88258888。质量投诉请发邮件至 ，盗版侵权举报请发邮件至 。本书咨询联系方式：(010)88254462，。前 言 本书第一版已出版近 4 年，应出版社之约，本书将出版第二版。读者的反馈意见及教师在教学中的经验反映出第一版内容略显简单，学生完成配套教材作业时还有一定困难，也不易把握知识的重点和难点，因此还有待细化与改善。这次修订整体框架没有大的变化，但对内容做了较大幅度的调整，增加了部分章节及知识点，并做了一定的扩展描述。例如，第 1 章增加了重力、弹力和摩擦力等知识点；新增第 2 章刚体和流体内容；第 4 章将静电场及静电场中的导体、电介质融合为一体，增加了部分知识点，使知识的系统性更强；第 5 章增加了几种常见电流的磁场分布、霍尔效应、有磁介质存在时的磁场等内容；第 7 章将振动、波动联系在一起，增加了横波、纵波以及描述波动的物理量、波的能量、波的叠加原理等知识点；第 8 章增加了几何光学内容；在第 10、11 章中，重写了量子力学和现代高新技术章节中的部分内容。量子力学、分子与固体在近代物理学知识中占有相当的比例，其中研究的范围着重在1021010m区间，而在这个区间固体的结构及电、磁、光、热等的性质的研究都获得了巨大的成功，而且这方面还有巨大的应用潜力，所以，在这部分增加了与现代高科技密切相联系的知识点。修订版最大的亮点是增加了与教材相配套的习题解析，习题解析中有每一题包含的知识点、解题思路及解答过程。习题的选取尽量覆盖对应教材的知识点，习题类型涵盖选择题、填空题、证明题、计算及综合应用题等，部分题目直接与物理实验和实际工程相联系，例如，在分子与固体的习题中有计算固体热容、物体弹性模量的题目。总之，第二版希望能更好地体现作者将知识与应用相结合的思想，希望能更好地帮助读者答疑解惑，巩固和扩展相应的物理知识。本次修订中，杨敏、朱晓玲、郑勇林改写了第 1 章、第 7 章、第 9 章的相关内容并完善了习题解答；王晓茜、郑勇林、杨阔改写了第 2 章的内容并完善了习题解答；杨维改写了第 3 章、第 6 章内容并完善了习题解答；郑勇林、喻文翠改写了第 4 章、第 5 章、第 9章、第 10 章、第 11 章的内容并完善了习题解答；郑勇林、杨敏、杨阔改写了第 8 章并完善了习题解答。郑勇林、杨维对全书进行了审核。全书由郑勇林统稿。本书的修订出版要感谢电子工业出版社和本书的责任编辑张小乐，没有其鼓励很难完成这项工作。要感谢成都大学教务处的支持和教务处长杨明娜教授的支持和鼓励。这次修订中长江师范学院、阿坝师范学院、四川交通职业技术学院的老师提了很多中肯的意见和宝贵的建议，在此表示感谢。还要感谢在第一版中做了大量工作的刘鸿、赵茂娟、戴松晖、卢孟春、孙婷雅等老师。长江师范学院周晏副教授为本书做了大量工作，在此表示感谢。由于编者水平有限，书中仍可能存在不妥甚至错误之处，敬请批评指正。郑勇林 2017 年 10 月于碧落湖 第一版前言 为了更好地适应我国高等教育发展，满足目前社会对一般高等学校大众化教育背景下人才培养的各项要求，进一步探索和完善我国高等学校应用型人才培养体系，积极探索适应 21 世纪人才培养的教学模式，我们根据教育部非物理类专业物理基础课程教学指导分委员会制定的理工科非物理类专业大学物理课程教学基本要求（后简称“纲要”）的思想和精神，编写了大学基础物理学（上、下）（郑勇林、杨维、卢孟春、赵茂娟等编著）教材及大学基础物理学习指导辅导教材。大学基础物理是工科大学生学习其他后续课程的基础课，是一门全面、系统地培养学生综合素质的课程。大学基础物理课程的学习，可以培养学生科学的思维方式和研究问题的方法，能开阔学生思路，激发学生的探索和创新精神，提高学生科学素养，增强社会适应能力。同时，相应的学习指导和习题又是帮助学生理解和掌握物理学基本概念、基本规律、基本方法的必要手段，也是培养学生掌握科学的学习方法，培养独立获取知识和解决问题的能力的有效途径。为了帮助学生更好地学好大学物理基础知识和解题方法，我们根据多年的教学经验编写了本书。本书共 11 章，与大学基础物理学（上、下）教材配套使用，但本书在章节的编排上相对教材具有一定独立性，以体现学习指导书的特征，同时也能对不使用配套教材的读者学习大学基础物理学提供学习指导。本书符合一般院校大学物理课程的教学要求并方便课堂教学，覆盖了需要掌握的基本理论和方法，精选了大学物理课程教学内容的知识点，每章按学习要求、内容提要、重点难点分析、精选例题与习题解答等几部分编写。学习要求部分，遵照“纲要”精神分为了解、理解、掌握和熟练掌握 4 个层次对学生提出不同要求，为教学不同的对象提供了理论依据。内容提要概述了本章需要掌握的基本概念、基本公式、定律和方法，重要的知识点等内容，从易于学生理解的角度给出一定的分析阐述。重点难点分析部分，一是指导教学双方理清思路，抓住主线，正确把握相关知识内容的教与学；二是对本章难点之处进行分析讨论，提出具体的解决方法。精选例题与习题解答部分主要从本章难于理解的知识点入手，对相关知识的应用给出一定的解题方法及关键步骤，旨在帮助学生学会运用基本理论分析解决实际问题。题目中考查了基本概念、知识点的一般应用、综合应用等。本书第 13 章由赵茂娟、王晓茜、戴松晖编写，第 48 章由刘鸿、杨维、朱晓玲、陆智编写，第 911 章由郑勇林、卢孟春、孙婷雅、朱晓玲编写，李伯恒、陆智参加了例题、习题的编写及本书的讨论。全书由郑勇林统稿。本书在编写过程中得到了成都大学教务处、长江师范学院教务处的大力支持，编者在此致以衷心的感谢。西南大学郑瑞伦教授仔细审阅了书稿并提出许多修改意见，在此表示感谢。VI 成都大学汪令江教授，长江师范学院周晏副教授为本书编写做了大量工作，在此表示感谢。本书编写中参考了其他出版社的同类资料，在此一并致谢。由于编者水平有限，书中可能存在不妥甚至错误之处，敬请批评指正。编 者 2014 年 8 月于成都 目 录 前言 第 1 章 质点运动学 质点动力学 1 1.1 学习要求 1 1.2 内容提要 2 1.3 重点难点分析 13 1.4 精选例题与习题解答 13 第 2 章 刚体和流体 44 2.1 学习要求 44 2.2 内容提要 45 2.3 重点难点分析 51 2.4 精选例题与习题解答 51 第 3 章 气体动理论 热力学基础 73 3.1 学习要求 73 3.2 内容提要 74 3.3 重点难点分析 84 3.4 精选例题与习题解答 84 第 4 章 静电场 102 4.1 学习要求 102 4.2 内容提要 103 4.3 重点难点分析 116 4.4 精选例题与习题解答 117 第 5 章 稳恒磁场 147 5.1 学习要求 147 5.2 内容提要 147 5.3 重点难点分析 154 5.4 精选例题与习题解答 154 第 6 章 麦克斯韦电磁场理论 175 6.1 学习要求 175 6.2 内容提要 175 6.3 重点难点分析 182 VIII 6.4 精选例题与习题解答 183 第 7 章 振动 波动 197 7.1 学习要求 197 7.2 内容提要 198 7.3 重点难点分析 212 7.4 精选例题与习题解答 213 第 8 章 光学*波动光学 244 8.1 学习要求 244 8.2 内容提要 245 8.3 重点难点分析 257 8.4 精选例题与习题解答 258 第 9 章 狭义相对论基础 279 9.1 学习要求 279 9.2 内容提要 280 9.3 重点难点分析 284 9.4 精选例题与习题解答 285 第 10 章 量子力学基础 300 10.1 学习要求 301 10.2 内容提要 301 10.3 重点难点分析 311 10.4 精选例题与习题解答 311 第 11 章 分子与固体 现代高新技术 324 11.1 学习要求 324 11.2 内容提要 324 11.3 重点难点分析 333 11.4 精选例题与习题解答 333 第 1 章 质点运动学 质点动力学 物质最普遍、最基本的运动形式包括机械运动、分子热运动、电磁运动、原子和原子核运动以及其他微观粒子运动等。宏观物体之间（或物体内各部分之间）的相对位置变动，称为机械运动。物理学中研究机械运动的规律及其应用的部分称为力学。通常把力学分为运动学、动力学和静力学。运动学描述物体的位置随时间的变化或运动轨道问题而不涉及引起运动和运动变化的原因；动力学则研究物体的运动与物体间相互作用的内在联系；静力学研究物体在相互作用下的平衡问题。质点运动学，从最简单的质点模型出发，研究描述质点运动的物理量（位置矢量、位移、速度和加速度、质点运动方程、切向加速度和法向加速度）、运动的叠加性和相对运动及物体位置随时间的变化或运动轨道等问题。引入了数学上的导数运算和积分运算，从而可以对运动的相对性、瞬时性和矢量性等基本性质进行清晰的阐述。质点动力学，是以牛顿运动定律为基础，研究物体运动状态发生改变时所遵守的规律的科学。宏观物体的运动一定程度上遵循这些规律。物体间的相互作用称为力。某物体受力作用后，其运动状态就会发生相应的变化。在大学物理中可以从两个不同的角度研究力对物体作用的影响：一是力作用的时间累积作用效果，从而引出动量定理、角动量定理；二是研究力的空间累积作用效果，从而引出动能定理。当作用在物体上的力等于零时，反映出动量守恒、角动量守恒定律及能量守恒定律。这些定律是自然界最基本、最普遍的规律，需要认真去理解。1.1 学习要求 1质点运动的描述（1）理解质点模型及参考系的概念。（2）掌握位置矢量、位移、速度、加速度等描述质点运动的物理量；理解平面曲线运动的角位移、角速度、角加速度、切向加速度、法向加速度等概念。（3）能在直角坐标系下计算质点空间运动时的速度、加速度；理解自然坐标系，能计算质点圆周运动的角速度、角加速度、切向加速度、法向加速度。理解伽利略相对性原理，会利用伽利略坐标、速度变换式分析相对运动问题。2牛顿运动定律（1）掌握牛顿三定律及其适用条件，熟练运用隔离法和整体法分析物体受力；会分析三种基本力万有引力、弹性力和摩擦力。（2）熟练掌握运用微积分方法求解一维变力作用下的简单质点的动力学问题。大学基础物理学习指导与习题解析(第二版)2（3）正确理解质量、力等基本概念；理解质心概念和质心运动定律；理解质点系的内力和外力。（4）了解惯性