大學物理專題研究

內容概要

　　本書是“課程與教學論·物理”碩士專業(yè)教學計劃中“大學物理專題研究”課程的教材?！按髮W物理專題研究”是“課程與教學論·物理”全日制碩士專業(yè)、教育碩士專業(yè)的學位必修課。本書基于大學物理學研究的課程目標，主要研究普通物理學的基本原理、結構和方法以及現(xiàn)代物理學的量子理論、相對論的物理意義、熵的統(tǒng)計解釋等一些新概念、新理論和新的實驗現(xiàn)象。本書將有助于提升碩士研究生和高年級本科生的大學物理學理論素養(yǎng)；有助于提升新一輪基礎教育課程改革中物理教師專業(yè)理論素養(yǎng)。
　　本書可以作為“課程與教學論·物理”碩士專業(yè)、物理教育碩士和物理教育本科專業(yè)的物理教育研究課程方面的教科書，也可以供中學物理教師和從事物理教育研究的專業(yè)人員參考。

書籍目錄

前言
第一章 物理學方法論
　第一節(jié) 物理學方法論概述
　　一、方法與方法論
　　二、物理學方法論的研究對象和內容
　第二節(jié) 實驗方法
　　一、實驗方法
　　二、物理實驗及其特點
　　三、物理實驗的類型
　　四、物理實驗設計的方法
　　五、物理實驗的地位和作用
　第三節(jié) 理想化方法
　　一、理想化方法的概述
　　二、理想模型
　　三、理想實驗
　第四節(jié) 比較與分類
　　一、比較
　　二、分類
　第五節(jié) 類比與模擬方法
　　一、類比
　　二、模擬法
　第六節(jié) 歸納與演繹
　　一、歸納和演繹
　　二、歸納與演繹的相互關系
　　三、歸納方法和演繹方法在物理學研究中的應用
　第七節(jié) 分析與綜合
　　一、分析方法
　　二、綜合方法
　　三、分析與綜合的關系
　第八節(jié) 假說
　　一、什么是假說
　　二、假說的特征
　　三、假說的形成過程
　　四、假說在科學發(fā)展中的作用
　　五、假說的應用領域
　第九節(jié) 數(shù)學方法
　　一、數(shù)學的本質與特點
　　二、數(shù)學是物理學的表述形式
　　三、數(shù)學是創(chuàng)立和發(fā)展物理學理論的主要工具
　　四、物理學理論的應用要借助數(shù)學工具
　　五、物理學促進數(shù)學的發(fā)展
　　六、數(shù)學物理方程
第二章 物理學七個基本量
　第一節(jié) 長 度
　　一、米制前的長度單位
　　二、米的定義
　　三、長度測量應用舉例
　第二節(jié) 質 量
　　一、國際千克原器
　　二、質量的物理意義
　　三、物體質量的測量方法
　第三節(jié) 時 間
　　一、時間和時間單位的最新定義
　　二、 時間符號和時間相關量的換算關系
　　三、幾種常見測時儀的使用方法
　　四、計量的新應用
　　五、時間的發(fā)展方向
　第四節(jié) 溫 度
　　一、溫度的概念
　　二、溫標及建立溫標的幾個要素
　第五節(jié) 電流(強度)
　　一、電流強度的物理意義
　　二、電流強度的單位
　第六節(jié) 發(fā)光強度
　　一、定義發(fā)光強度單位的發(fā)展歷史
　　二、發(fā)光強度單位的最新定義
　　三、發(fā)光強度的測量及其單位“坎德拉”的復現(xiàn)、傳遞實驗
　第七節(jié) 摩 爾
　　一、物質的量及其最新定義
　　二、摩爾和摩爾相關量的換算關系
　　三、摩爾研究新進展
第三章 牛頓定律與力學守恒定律
　第一節(jié) 力的概念及其分類
　　一、力學發(fā)展的歷史
　　二、 自然界的四種基本力
　　三、力的分類
　第二節(jié) 關于牛頓定律的話題
　　一、牛頓第一定律
　　二、牛頓第一定律與牛頓第二定律的關系
　　三、牛頓第二定律
　　四、牛頓第三定律
　第三節(jié) 關于非慣性參照系
　　一、平動非慣性參照系中的慣性力
　　二、轉動非慣性參照系的慣性力
　　三、地球上的科里奧利力學現(xiàn)象
　第四節(jié) 關于摩擦力的話題
　　一、人類對摩擦力探索的歷史
　　二、摩擦的機理
　　三、身邊的摩擦現(xiàn)象
　第五節(jié) 自行車的受力分析
　　一、 自行車前進的動力
　　二、 自行車的動態(tài)穩(wěn)定性
　　三、 自行車的極限速度
　第六節(jié) 力學三個守恒定律及其成立的條件
　　一、動量守恒定律
　　二、機械能守恒定律
　　三、角動量定理和角動量守恒定律
　第七節(jié) 受迫振動中的位移共振與速度共振
　　一、受迫振動
　　二、位移共振與速度共振的對比
　　三、總結
　第八節(jié) 為什么彈性介質波的動能與勢能是同步的
　　一、介質中質點振動能量的計算問題
　　二、機械波的能量
　　三、波的能量密度
　　四、波動中的質點與彈簧振子簡諧振動的對比
　　五、機械簡諧波的波形及其傳播示意圖
　第九節(jié) 經典力學的成就和局限性
　　一、經典力學的偉大成就
　　二、經典力學的局限性
　　三、經典力學的適用范圍
第四章 熱力學系統(tǒng)與熵
　第一節(jié) 熱力學系統(tǒng)的基本概念
　　一、熱學發(fā)展史簡介
　　二、熱力學與統(tǒng)計物理學
　　三、熱力學物質形態(tài)的基本概念
　　四、熱力學的基本原理及概念
　第二節(jié) 熱力學溫度及其物理意義
　　一、溫度的宏觀定義
　　二、溫度的微觀定義
　　三、負絕對溫度的概念
　第三節(jié) 不可逆過程和熵
　　一、非平衡系統(tǒng)的局域平衡假設
　　二、熱流和熵產生率
　　三、結論
　第四節(jié) 熱熵與信息熵
　　一、熱熵
　　二、信息熵
　第五節(jié) 熱寂學的批判
　　一、熱寂學的觀點
　　二、熱寂學的批判
　　三、對熱寂學批判的質疑
第五章 電磁學中的場與路
　第一節(jié) 三種電場的比較
　　一、三種電場的物理基礎的比較
　　二、三種電場產生條件的比較
　　三、三種電場的場方程式及場性質的比較
　　四、三種電場的物理圖像——電場線的比較
　　五、三種電場的場強公式的比較
　　六、三種電場的電勢的比較
　　七、結論
　第二節(jié) 位移電流及其熱效應
　　一、位移電流的產生機制和規(guī)律
　　二、束縛電荷電流的產生機制和規(guī)律
　　三、位移電流的熱效應問題
　　四、結論
　第三節(jié) 抗磁性的微觀解釋
　　一、電子軌道運動在磁場中進動產生附加磁矩的解釋
　　二、電磁感應附加磁矩的解釋
　　三、結束語
　第四節(jié) 電場與磁場的相對性
　　一、從靜參考系k來分析
　　二、從動參考系k'來分析
　第五節(jié) 電磁學中的場與路
　　一、什么是場
　　二、場與路的比較
　第六節(jié) 麥克斯韋方程組
　　一、麥克斯韋方程組的實驗基礎
　　二、麥克斯斯韋方程組的思維方法
　　三、麥克斯韋方程組的建立過程
　　四、麥克斯韋方程組的偉大意義
第六章 光的干涉與時間相干性、空間相干性
　第一節(jié) 相干光的必要條件
　　一、光波的電磁波特性
　　二、光矢量的疊加
　　三、相干必要條件的論證
　　四、相干革命的補充條件
　　五、結論
　第二節(jié) 時間相干性
　　一、普通光源的發(fā)光特點
　　二、相干長度和相干時間
　　三、獲得有限波列相干光的兩種方法：分割波振面法和分割振幅法
　　四、小結
　第三節(jié) 空間相干性
　　一、光源線度b對干涉條紋影響
　　二、b一定，l和d對干涉條紋影響分析
　　三、結論
　第四節(jié) 邁克爾遜干涉儀
　　一、邁克爾遜干涉儀的結構和基本原理
　　二、干涉條紋
　　三、白光干涉及補償板的作用
　　四、使用邁克爾遜干涉儀的注意事項
　　五、邁克爾遜干涉儀的應用
　第五節(jié) 多光束干涉與自由光譜程
　　一、法布里—珀羅干涉儀的組成結構和工作原理
　　二、關于法布里—珀羅干涉圖樣的特點的分析
　　三、分辨本領
　　四、法布里—珀羅干涉儀的應用
第七章 光的衍射與全息照相
　第一節(jié) 從惠更斯原理到惠更斯—菲涅耳原理
　　一、惠更斯原理的提出
　　二、惠更斯原理的應用
　第二節(jié) 費馬原理與幾何光學的等光程性
　　一、光程
　　二、費馬原理
　　三、用費馬原理推導幾何光學規(guī)律
　　四、費馬原理與幾何光學的等光程性
　　五、費馬原理的應用
　第三節(jié) 巴比涅原理與互補屏衍射
　　一、巴比涅原理
　　二、巴比涅原理的應用
　第四節(jié) 干涉與衍射的區(qū)別
　　一、楊氏雙縫干涉
　　二、夫瑯和費單縫衍射
　　三、干涉和衍射的區(qū)別
　第五節(jié) 衍射與幾何光學儀器的分辨本領
　　一、圓孔衍射
　　二、光學成像儀器的分辨本領
　第六節(jié) 三基色原理與彩色電視系統(tǒng)
　　一、光的色散
　　二、三基色原理
　　三、三基色原理的應用
　第七節(jié) 衍射與全息照相
　　一、全息照相與傳統(tǒng)照相的區(qū)別
　　二、全息照相原理
　　三、全息照相實驗
　　四、全息照相技術的應用
　第八節(jié) 菲涅耳公式與布儒斯特定律
　　一、光的偏振
　　二、菲涅耳公式
　　三、半波損失的條件
　　四、布儒斯特定律
第八章 光的波粒二象性與光速
　第一節(jié) 光的粒子性的三個典型實驗
　　一、黑體輻射
　　二、光電效應
　　三、康普頓效應
　第二節(jié) 關于光的波粒二象性中的辯證思維
　　一、光的波動說與光的粒子說的發(fā)展史
　　二、光的電磁說
　　三、光的粒子性
　　四、光的波粒二象性
　第三節(jié) 激光原理與激光器
　　一、激光產生的原理
　　二、激光器
　第四節(jié) 非線性光學與現(xiàn)代光學技術
　　一、非線性光學
　　二、現(xiàn)代光學技術
　第五節(jié) 關于光速的話題
　　一、光速的定義
　　二、光速的測量
　　三、光速不變嗎
　　四、超光速的有趣話題
第九章 相對論與宇宙學
　第一節(jié) 邁克爾遜—莫雷實驗
　　一、邁克爾遜進行以太漂移實驗的起因
　　二、邁克爾遜—莫雷實驗
　　三、邁克爾遜—莫雷實驗的意義
　第二節(jié) 狹義相對論
　　一、經典物理學面臨的挑戰(zhàn)
　　二、狹義相對論的建立
　　三、狹義相對論的基本原理
　　四、狹義相對論的意義
　第三節(jié) 廣義相對論
　　一、發(fā)展歷史
　　二、基本原理、理論結構
　　三、廣義相對論的意義
　第四節(jié) 宇宙學與大爆炸理論
　　一、發(fā)展歷史
　　二、基本原理、理論結構
　　三、關于宇宙學的假設與猜想

章節(jié)摘錄

版權頁：插圖：我們知道，物理學是一門以實驗為基礎的定量科學，所以，在觀察與實驗方法的基礎上，運用數(shù)學方法進行定量演繹探討，運用邏輯方法進行思維提煉和升華，從而建立物理學的理論體系。科學理論思維貫穿于物理學研究的始終，科學思維的具體方法則隨著物理學的發(fā)展而日趨豐富。系統(tǒng)地了解物理學研究方法，具體地認識物理學理論是怎樣概括總結出來的，對物理學的教學和研究工作有著啟發(fā)和幫助的作用。本章系統(tǒng)地介紹了物理學方法論的基本概念、研究的對象和物理學方法論的基本內容，討論了物理學方法論的作用和意義。第一節(jié) 物理學方法論概述雖然物理學的研究對象是物質最低級的運動形式，但是其研究途徑卻是一種高度復雜的實踐與思維過程。隨著研究的深入和物理學的廣泛應用，物理學已經形成許多新的分支，由此隨之產生了許多特殊的研究方法。一、方法與方法論自從人類進入文明社會以來，對方法這一概念有不完全相同的定義和理解?！胺椒ā币辉~起源于希臘詞“μεγα”（沿著、順著的意思）和（“道路”的意思），它的字面意義是沿著（正確的）道路運動。（一）方法所謂方法，就是為了解決某一具體問題從實踐或理論上所采取的手段的總和。方法起源于人類的實踐活動。人類通過方法這種工具與客觀發(fā)生關系，所以，方法是屬于主觀范疇的。例如，日月運行，晝夜交替，這些存在的本身是無方法可言的，但是，我們要認識它們就要涉及方法。而且，不同的人去解決同一問題往往會有不同的方法。例如，測一圓周的長，可以用繩子沿圓周繞一圈然后測繩長；也可以用小滾輪沿圓周滾一周，用滾動的圈數(shù)乘以小滾輪的周長；還可以測出它的直徑用計算的方法求出周長等。眾所周知，美國試爆第一顆原子彈時，費米想親自測定原子彈爆炸的威力。于是他將一把事先準備好的紙片拋向空中，然后根據(jù)自己離開爆炸中心的距離和紙片被沖擊波吹過的距離，迅速推算出原子彈爆炸的威力，計算結果竟然和儀器測量結果相差無計。當然，要是他缺乏有關專業(yè)知識，就難以進行這樣的計算。這也說明，目標相同，方法可以不同。只要潛心研究，就能找到簡單而合理的新方法。

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