六大思想构建物理学·第2卷：R单元·物理学规律是协变的 E单元·电场和磁场是统一的（影印版 原书第2版） epub pdf mobi txt 电子书 下载 2024

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内容简介

　　本书是对大学物理是课程重新设置的一个尝试，它突破了基础物理课程以“编年史”介绍的教学模式，采用了一个全新的教学理念来讲授物理学，即按照物理学发展过程中不可替代的六个重大物理思想来介绍物理学，突出了物理学的骨架，这种做法适应目前物理学科的发展，可以解决由于物理学学科的发展引起的知识量剧增和物理教育在选择教学内容时无从下手的困难。毫无疑问，这种突出物理学理论“骨架”的物理教学方法，无疑是以后物理课程教学改革的一个方向，用这种方法来处理物理学的教学内容，可以克服学生对入学后感到自己所学习的物理学都是过去二三百年的物理知识，没有新鲜感的问题。如本书介绍了各种各样的能量和守恒定律，虽然讲的都是牛顿力学为主的内容，但给人一种耳目一新的感觉，让人感到牛顿力学不单单是处理简单的运动问题，学生的视野一下子扩展到了多个领域，把传统的热学、化学等方面的问题拿到一块讲，做到了很好的融合。

作者简介

　　托马斯 A. 摩尔，1976年毕业于卡尔顿学院。由于成绩优异而获得了当年的丹佛斯奖学金，并在这笔奖学金的资助下，开始了在耶鲁大学的研究生学习，于1981年获得博士学位。毕业后，摩尔先后在卡尔顿学院和路德学院从事教学工作，并于1987年加入波莫纳学院。1991年，摩尔获得了波莫纳学院的威戈优异教学奖。1987年到1995年间，摩尔是美国大学基础物理课程项目（IUPP）指导委员会成员。本书的编纂即来源于他于1989年为该委员会所开设的一个示范课程。该委员会从所有成果中选择了四个项目来进一步发展和实验，摩尔的这个示范课程就是其中之一。　　摩尔发表了很多有关引力波的天体物理源、引力波的探测、物理教学新方法等方面的论文，以及一本有关狭义相对论的书——《时空旅行指南》（麦格劳－希尔出版公司出版，1995年）。他还担任了《美国物理学杂志》的审稿人和副主编。他目前和他的妻子、两个上大学的女儿一起居住在加利福尼亚州的克莱蒙特镇。除教学之外，摩尔还从事相对论天体物理方面的研究和写作。他很喜欢阅读、徒步旅行、斯库巴潜水、在成人教会学校讲授希伯来圣经、跳舞和演奏传统的爱尔兰小提琴音乐等。　　作者简介托马斯　A. 摩尔，1976年毕业于卡尔顿学院。由于成绩优异而获得了当年的丹佛斯奖学金，并在这笔奖学金的资助下，开始了在耶鲁大学的研究生学习，于1981年获得博士学位。毕业后，摩尔先后在卡尔顿学院和路德学院从事教学工作，并于1987年加入波莫纳学院。1991年，摩尔获得了波莫纳学院的威戈优异教学奖。1987年到1995年间，摩尔是美国大学基础物理课程项目（IUPP）指导委员会成员。本书的编纂即来源于他于1989年为该委员会所开设的一个示范课程。该委员会从所有成果中选择了四个项目来进一步发展和实验，摩尔的这个示范课程就是其中之一。　　摩尔发表了很多有关引力波的天体物理源、引力波的探测、物理教学新方法等方面的论文，以及一本有关狭义相对论的书——《时空旅行指南》（麦格劳－希尔出版公司出版，1995年）。他还担任了《美国物理学杂志》的审稿人和副主编。他目前和他的妻子、两个上大学的女儿一起居住在加利福尼亚州的克莱蒙特镇。除教学之外，摩尔还从事相对论天体物理方面的研究和写作。他很喜欢阅读、徒步旅行、斯库巴潜水、在成人教会学校讲授希伯来圣经、跳舞和演奏传统的爱尔兰小提琴音乐等。　　作者简介托马斯　A. 摩尔，1976年毕业于卡尔顿学院。由于成绩优异而获得了当年的丹佛斯奖学金，并在这笔奖学金的资助下，开始了在耶鲁大学的研究生学习，于1981年获得博士学位。毕业后，摩尔先后在卡尔顿学院和路德学院从事教学工作，并于1987年加入波莫纳学院。1991年，摩尔获得了波莫纳学院的威戈优异教学奖。1987年到1995年间，摩尔是美国大学基础物理课程项目（IUPP）指导委员会成员。本书的编纂即来源于他于1989年为该委员会所开设的一个示范课程。该委员会从所有成果中选择了四个项目来进一步发展和实验，摩尔的这个示范课程就是其中之一。　　摩尔发表了很多有关引力波的天体物理源、引力波的探测、物理教学新方法等方面的论文，以及一本有关狭义相对论的书——《时空旅行指南》（麦格劳－希尔出版公司出版，1995年）。他还担任了《美国物理学杂志》的审稿人和副主编。他目前和他的妻子、两个上大学的女儿一起居住在加利福尼亚州的克莱蒙特镇。除教学之外，摩尔还从事相对论天体物理方面的研究和写作。他很喜欢阅读、徒步旅行、斯库巴潜水、在成人教会学校讲授希伯来圣经、跳舞和演奏传统的爱尔兰小提琴音乐等。

目录

前言
《六大思想构建物理学》要目
作者简介
R单元
E单元
Preface
Table of Contents for Six Ideas That Shaped Physics
About the Author
Unit R
Unit E
关于R单元的几点说明（中文）
学生学习指导（英文）
第R1章
相对论原理10
本章概览10
R1.1 原理介绍12
R1.2 事件和时空坐标14
R1.3 参考系15
R1.4 惯性参考系18
R1.5 最终的相对性原理20
R1.6 牛顿相对论21
两分钟测试24
习题25
习题答案27
第R2章
同步时钟28
本章概览28
R2.1 电磁波的问题30
R2.2 相对论的时钟同步33
R2.3 SR单位35
R2.4 时空图37
R2.5 时空图电影40
R2.6 雷达方法40
两分钟测试43
习题43
习题答案47
第R3章
时间的本质48
本章概览48
R3.1 三类时间50
R3.2 坐标时间是依赖参考系的50
R3.3 雷达方法给出同样的结果52
R3.4 几何类比54
R3.5 固有时和时空间隔56
两分钟测试60
习题60
习题答案63
第R4章
矩阵方程64
本章概览64
R4.1 矩阵方程介绍66
R4.2 导出矩阵方程67
R4.3 关于垂直位移69
R4.4 支持矩阵方程的证据71
R4.5 时空不是欧几里得的72
R4.6 有关几何类比的更多讨论74
R4.7 一些例子76
两分钟测试78
习题79
习题答案81
第R5章
固有时间82
本章概览82
R5.1 弯曲的足迹84
R5.2 时空中弯曲的世界线85
R5.3 二项式近似89
R5.4 时空间隔是最长的可能固有时91
R5.5 实验证据93
R5.6 双生子佯谬95
两分钟测试98
习题99
习题答案102
第R6章
坐标变换104
本章概览104
R6.1 两观测者图概述106
R6.2 约定107
R6.3 画图的轴108
R6.4 画图的轴110
R6.5 阅读两观测者图112
R6.6 洛伦兹变换114
两分钟测试118
习题119
习题答案122
第R7章
洛伦兹收缩124
本章概览124
R7.1 运动物体的长度126
R7.2 一根直杆的两观测者图126
R7.3 是什么引起的收缩 129
R7.4 收缩对参考系是对称的130
R7.5 谷仓和杆的佯谬131
R7.6 定义长度的其他方法135
两分钟测试136
习题137
习题答案140
第R8章
宇宙速度极限142
本章概览142
R8.1 因果关系和相对性144
R8.2 类时、类光和类空间隔147
R8.3 时空的因果结构151
R8.4 爱因斯坦速度变换152
两分钟测试155
习题156
习题答案160
第R9章
四-动量162
本章概览162
R9.1 行动计划164
R9.2 牛顿动量守恒不是独立于参考系的165
R9.3 四-动量矢量166
R9.4 四-动量的性质169
R9.5 四-动量和相对性171
R9.6 四-动量的时间和空间分量173
两分钟测试176
习题176
习题答案179
第R10章
四-动量的守恒180
本章概览180
R10.1 能量-动量图182
R10.2 四-动量守恒问题的求解184
R10.3 粒子体系的质量188
R10.4 光的四-动量190
R10.5 对粒子物理的应用193
R10.6 结束语195
两分钟测试195
习题196
习题答案198
附录RA
换算为 SI单位的方程201
RA.1 为什么使用SR单位201
RA.2 基本量的换算201
RA.3 SR单位方程换算为SI单位方程202
RA.4 基于能量的SR单位203
RA.5 实际练习204
练习答案204
附录RB
相对论的多普勒效应205
RB.1 多普勒效应介绍205
RB.2 多普勒频移公式的推导205
RB.3 天文学中的应用207
RB.4 非相对论极限208
RB.5 多普勒雷达209
习题210
习题答案210
专业术语211
符号及其含义216

关于E单元的几点说明（中文）
学生学习指导（英文）
第E1章
静电学226
本章概览226
E1.1 单位介绍228
E1.2 电荷的本质是什么 229
E1.3 物体如何带电231
E1.4 电荷守恒233
E1.5 库仑定律234
E1.6 导体和绝缘体237
E1.7 静电极化239
两分钟测试242
习题242
习题答案244
第E2章
电场246
本章概览246
E2.1 场的概念248
E2.2 的数学定义249
E2.3 点电荷的场251
E2.4 叠加原理253
E2.5 偶极子的场255
E2.6 分布电荷的处理方法257
两分钟测试260
习题261
习题答案265
第E3章
电势266
本章概览266
E3.1 电势268
E3.2 由计算271
E3.3 由计算273
E3.4 有关电荷分布的定理277
E3.5 电场的能量279
两分钟测试281
习题282
习题答案286
第E4章
导体288
本章概览288
E4.1 电流介绍290
E4.2 一个微观模型291
E4.3 电流密度295
E4.4 导体上的静电荷298
E4.5 电容301
两分钟测试303
习题303
习题答案307
第E5章
驱动电流308
本章概览308
E5.1 电池的力学模型310
E5.2 表面电荷引导着电流311
E5.3 电池的Emf314
E5.4 电阻317
E5.5 导体消耗的功率319
E5.6 电容器的放电321
两分钟测试323
习题325
习题答案329
第E6章
电路分析330
本章概览330
E6.1 两导线的串联332
E6.2 串联的电路元件334
E6.3 电路图336
E6.4 并联的电路元件338
E6.5 复杂电路分析340
E6.6 真实电池343
E6.7 有关用电安全343
两分钟测试344
习题345
习题答案349
第E7章
磁场350
本章概览350
E7.1 磁现象352
E7.2 磁场的定义352
E7.3 作用在运动电荷上的磁力354
E7.4 均匀磁场中的自由电荷359
E7.5 作用在导线上的磁力362
两分钟测试367
习题368
习题答案373
第E8章
电流和磁体374
本章概览374
E8.1 运动导体产生的电流376
E8.2 运动电荷的磁场378
E8.3 一段导线的磁场382
E8.4 长直导线的磁场383
E8.5 环形回路的磁场385
E8.6 所有磁体都涉及环流电荷387
两分钟测试389
习题390
习题答案394
第E9章
对称性和通量396
本章概览396
E9.1 对称性论证398
E9.2 对称物体的电场398
E9.3 磁场的镜像规则402
E9.4 对称电流分布的磁场403
E9.5 通过一个表面的通量407
两分钟测试410
习题412
习题答案414
第E10章
高斯定律416
本章概览416
E10.1 高斯定律418
E10.2 利用高斯定律计算电场419
E10.3 球对称电荷分布的场421
E10.4 无限长柱对称分布的场423
E10.5 无限大平板的场425
E10.6 磁场的高斯定律428
两分钟测试430
习题432
习题答案436
第E11章
安培定律438
本章概览438
E11.1 安培定律440
E11.2 安培定律的应用442
E11.3 轴对称电流分布的磁场443
E11.4 无限大平板的磁场445
E11.5 无限长螺线管的磁场447
E11.6 电场的安培定律450
两分钟测试452
习题454
习题答案458
第E12章
电磁场460
本章概览460
E12.1 为什么和必定相关462
E12.2 场如何变换466
E12.3 在磁场中运动的杆472
E12.4 速度选择器中的运动473
两分钟测试474
习题475
习题答案479
第E13章
麦克斯韦方程组480
本章概览480
E13.1 动力学场介绍482
E13.2 安培定律的修正482
E13.3 法拉第定律486
E13.4 高斯定律无需修正491
E13.5 麦克斯韦方程组492
E13.6 局域场方程（选讲）494
两分钟测试496
习题498
习题答案502
第E14章
电磁感应504
本章概览504
E14.1 磁通量和感应的EMF506
E14.2 楞次定律508
E14.3 自感509
E14.4 感应器的“放电”511
E14.5 磁场的能量513
E14.6 变压器515
两分钟测试518
习题519
习题答案522
第E15章
波的介绍 524
本章概览524
E15.1 波是什么？526
E15.2 正弦波528
E15.3 波的相速度531
E15.4 波动方程533
两分钟测试539
习题540
习题答案543
第E16章
电磁波544
本章概览544
E16.1 电磁波546
E16.2 电磁波的性质548
E16.3 电磁波中的能量552
E16.4 电荷辐射的功率553
E16.5 天空为什么是蓝的555
E16.6 麦克斯韦彩虹556
两分钟测试559
习题559
习题答案562
专业术语565
元素周期表574
符号及其含义577

前言/序言

　　前　言　　引言本书为《六大思想构建物理学》三卷本中的第2卷，是全套教材六个单元中的前两个单元，其内容是对两到三个学期的基于微积分的基础物理学课程的一种全新探讨。　　《六大思想构建物理学》（以下简称本套教材）是配合大学基础物理课程项目（IUPP）对课程体系改革的成果，它随后又推动了大学基础物理课程项目的发展。本套教材目前的版本代表了全美国一些高等学校十几年来在物理课程教学领域的发展、测试和评价的最新进展。　　本套教材内容设计基于这样一个前提：对课程内容和课堂教学活动加以创新，以使学生更加有效地学习。基于这样的认识，教材的每一个教学内容都经过了本人从头到尾的重新思考，并尽可能地利用物理教育研究取得的成果。之所以这样做，只是基于“这样做对”的简单想法。意识到物理教学研究所不断强调的主动学习的重要性，本套教材还提供了相应的材料，以创造更多的机会来支持学生课堂内外的主动学习。本套教材特别强调建立和评判物理模型的过程以及在实际场景中的应用，并强调完全用现代物理的观点来审视经典物理的每一个问题。　　我没想通过“降低课程难度”来使本套教材更容易被学生接受。实际上，我的目标是帮助学生使他们变得更加聪明。教材中特意设置了高于通常水平的物理思考题，接着，通过使用一些课堂创新的教学方法和课堂结构设置来帮助甚至是平均水平的学生达到这一标准。我不认为本套教材所要求的数学水平高于普通的大学物理教材，但我确实要求学生能够摆脱死记硬背的学习模式，取而代之的是建立灵活的、较强的逻辑推理能力和创建模型的技巧。以大多数使用过本套教材的教师的经验来看，绝大多数学生经过一些有效的帮助和学习后，都可以达到这个目标。　　《六大思想构建物理学》六个单元的内容C单元（守恒定律）： 守恒定律约束了相互作用N单元（牛顿力学）： 物理学规律是普适的R单元（相对论）： 物理学规律是协变的（不依赖参考系）E单元（电学和磁学）： 电场和磁场是统一的Q单元（量子物理）： 粒子行为是类似波的T单元（热学）： 一些过程是不可逆的这些内容我推荐按照教学顺序来排列，当然，其他的排序方式也是可以的。在波莫纳学院，作为一门为期一年的课程，我们第一学期讲授前三个单元，第二学期讲授后三个单元。当然，如果想放慢节奏，那么安排三个学期会更容易完成这六个单元的教学内容。若想以最快的进度教学，本套教材中的每一章都能在50min的一节课中完成。因此，一个合理的教学计划平均说来是在50min的课时内不能安排超过一章的内容。　　有关本套教材教学目标更多的信息，比如组织结构（以及隐藏在结构后面的理由）、成功的范例，如何减少或者重排教学材料的建议，以及对教师和学生提供的一些其他资源等，请访问本套教材的网站（网址见下文）。　　重要资源我已经在每个单元的第一章前面的“学生学习指导”（Introduction for Students）中总结和介绍了如何阅读和使用本套教材的重要信息。请仔细地阅读这一部分，特别是在你还没看到本套教材的其他单元时。　　本套教材的网站包含了很多我认为教师和学生都会觉得非常有用的最新信息。网址为：　　www.physics.pomona.edu/sixideas/网站上最重要的资源之一是一些计算机程序，用来阐述重要的概念和帮助进行复杂运算。以往的经验指出，当利用这些程序时，无论是课堂学习还是完成家庭作业，学生都能够做到更加有效地学习。所有这些程序软件都是免费的，兼容Mac和Windows系统。　　托马斯 A. 摩尔加利福尼亚，克莱蒙特

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