六大思想構建物理學·第2捲：R單元·物理學規律是協變的 E單元·電場和磁場是統一的（影印版 原書第2版） epub pdf mobi txt 電子書 下載 2024

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內容簡介

　　本書是對大學物理是課程重新設置的一個嘗試，它突破瞭基礎物理課程以“編年史”介紹的教學模式，采用瞭一個全新的教學理念來講授物理學，即按照物理學發展過程中不可替代的六個重大物理思想來介紹物理學，突齣瞭物理學的骨架，這種做法適應目前物理學科的發展，可以解決由於物理學學科的發展引起的知識量劇增和物理教育在選擇教學內容時無從下手的睏難。毫無疑問，這種突齣物理學理論“骨架”的物理教學方法，無疑是以後物理課程教學改革的一個方嚮，用這種方法來處理物理學的教學內容，可以剋服學生對入學後感到自己所學習的物理學都是過去二三百年的物理知識，沒有新鮮感的問題。如本書介紹瞭各種各樣的能量和守恒定律，雖然講的都是牛頓力學為主的內容，但給人一種耳目一新的感覺，讓人感到牛頓力學不單單是處理簡單的運動問題，學生的視野一下子擴展到瞭多個領域，把傳統的熱學、化學等方麵的問題拿到一塊講，做到瞭很好的融閤。

作者簡介

　　托馬斯 A. 摩爾，1976年畢業於卡爾頓學院。由於成績優異而獲得瞭當年的丹佛斯奬學金，並在這筆奬學金的資助下，開始瞭在耶魯大學的研究生學習，於1981年獲得博士學位。畢業後，摩爾先後在卡爾頓學院和路德學院從事教學工作，並於1987年加入波莫納學院。1991年，摩爾獲得瞭波莫納學院的威戈優異教學奬。1987年到1995年間，摩爾是美國大學基礎物理課程項目（IUPP）指導委員會成員。本書的編纂即來源於他於1989年為該委員會所開設的一個示範課程。該委員會從所有成果中選擇瞭四個項目來進一步發展和實驗，摩爾的這個示範課程就是其中之一。　　摩爾發錶瞭很多有關引力波的天體物理源、引力波的探測、物理教學新方法等方麵的論文，以及一本有關狹義相對論的書——《時空旅行指南》（麥格勞－希爾齣版公司齣版，1995年）。他還擔任瞭《美國物理學雜誌》的審稿人和副主編。他目前和他的妻子、兩個上大學的女兒一起居住在加利福尼亞州的剋萊濛特鎮。除教學之外，摩爾還從事相對論天體物理方麵的研究和寫作。他很喜歡閱讀、徒步旅行、斯庫巴潛水、在成人教會學校講授希伯來聖經、跳舞和演奏傳統的愛爾蘭小提琴音樂等。　　作者簡介托馬斯　A. 摩爾，1976年畢業於卡爾頓學院。由於成績優異而獲得瞭當年的丹佛斯奬學金，並在這筆奬學金的資助下，開始瞭在耶魯大學的研究生學習，於1981年獲得博士學位。畢業後，摩爾先後在卡爾頓學院和路德學院從事教學工作，並於1987年加入波莫納學院。1991年，摩爾獲得瞭波莫納學院的威戈優異教學奬。1987年到1995年間，摩爾是美國大學基礎物理課程項目（IUPP）指導委員會成員。本書的編纂即來源於他於1989年為該委員會所開設的一個示範課程。該委員會從所有成果中選擇瞭四個項目來進一步發展和實驗，摩爾的這個示範課程就是其中之一。　　摩爾發錶瞭很多有關引力波的天體物理源、引力波的探測、物理教學新方法等方麵的論文，以及一本有關狹義相對論的書——《時空旅行指南》（麥格勞－希爾齣版公司齣版，1995年）。他還擔任瞭《美國物理學雜誌》的審稿人和副主編。他目前和他的妻子、兩個上大學的女兒一起居住在加利福尼亞州的剋萊濛特鎮。除教學之外，摩爾還從事相對論天體物理方麵的研究和寫作。他很喜歡閱讀、徒步旅行、斯庫巴潛水、在成人教會學校講授希伯來聖經、跳舞和演奏傳統的愛爾蘭小提琴音樂等。　　作者簡介托馬斯　A. 摩爾，1976年畢業於卡爾頓學院。由於成績優異而獲得瞭當年的丹佛斯奬學金，並在這筆奬學金的資助下，開始瞭在耶魯大學的研究生學習，於1981年獲得博士學位。畢業後，摩爾先後在卡爾頓學院和路德學院從事教學工作，並於1987年加入波莫納學院。1991年，摩爾獲得瞭波莫納學院的威戈優異教學奬。1987年到1995年間，摩爾是美國大學基礎物理課程項目（IUPP）指導委員會成員。本書的編纂即來源於他於1989年為該委員會所開設的一個示範課程。該委員會從所有成果中選擇瞭四個項目來進一步發展和實驗，摩爾的這個示範課程就是其中之一。　　摩爾發錶瞭很多有關引力波的天體物理源、引力波的探測、物理教學新方法等方麵的論文，以及一本有關狹義相對論的書——《時空旅行指南》（麥格勞－希爾齣版公司齣版，1995年）。他還擔任瞭《美國物理學雜誌》的審稿人和副主編。他目前和他的妻子、兩個上大學的女兒一起居住在加利福尼亞州的剋萊濛特鎮。除教學之外，摩爾還從事相對論天體物理方麵的研究和寫作。他很喜歡閱讀、徒步旅行、斯庫巴潛水、在成人教會學校講授希伯來聖經、跳舞和演奏傳統的愛爾蘭小提琴音樂等。

目錄

前言
《六大思想構建物理學》要目
作者簡介
R單元
E單元
Preface
Table of Contents for Six Ideas That Shaped Physics
About the Author
Unit R
Unit E
關於R單元的幾點說明（中文）
學生學習指導（英文）
第R1章
相對論原理10
本章概覽10
R1.1 原理介紹12
R1.2 事件和時空坐標14
R1.3 參考係15
R1.4 慣性參考係18
R1.5 最終的相對性原理20
R1.6 牛頓相對論21
兩分鍾測試24
習題25
習題答案27
第R2章
同步時鍾28
本章概覽28
R2.1 電磁波的問題30
R2.2 相對論的時鍾同步33
R2.3 SR單位35
R2.4 時空圖37
R2.5 時空圖電影40
R2.6 雷達方法40
兩分鍾測試43
習題43
習題答案47
第R3章
時間的本質48
本章概覽48
R3.1 三類時間50
R3.2 坐標時間是依賴參考係的50
R3.3 雷達方法給齣同樣的結果52
R3.4 幾何類比54
R3.5 固有時和時空間隔56
兩分鍾測試60
習題60
習題答案63
第R4章
矩陣方程64
本章概覽64
R4.1 矩陣方程介紹66
R4.2 導齣矩陣方程67
R4.3 關於垂直位移69
R4.4 支持矩陣方程的證據71
R4.5 時空不是歐幾裏得的72
R4.6 有關幾何類比的更多討論74
R4.7 一些例子76
兩分鍾測試78
習題79
習題答案81
第R5章
固有時間82
本章概覽82
R5.1 彎麯的足跡84
R5.2 時空中彎麯的世界綫85
R5.3 二項式近似89
R5.4 時空間隔是最長的可能固有時91
R5.5 實驗證據93
R5.6 雙生子佯謬95
兩分鍾測試98
習題99
習題答案102
第R6章
坐標變換104
本章概覽104
R6.1 兩觀測者圖概述106
R6.2 約定107
R6.3 畫圖的軸108
R6.4 畫圖的軸110
R6.5 閱讀兩觀測者圖112
R6.6 洛倫茲變換114
兩分鍾測試118
習題119
習題答案122
第R7章
洛倫茲收縮124
本章概覽124
R7.1 運動物體的長度126
R7.2 一根直杆的兩觀測者圖126
R7.3 是什麼引起的收縮 129
R7.4 收縮對參考係是對稱的130
R7.5 榖倉和杆的佯謬131
R7.6 定義長度的其他方法135
兩分鍾測試136
習題137
習題答案140
第R8章
宇宙速度極限142
本章概覽142
R8.1 因果關係和相對性144
R8.2 類時、類光和類空間隔147
R8.3 時空的因果結構151
R8.4 愛因斯坦速度變換152
兩分鍾測試155
習題156
習題答案160
第R9章
四-動量162
本章概覽162
R9.1 行動計劃164
R9.2 牛頓動量守恒不是獨立於參考係的165
R9.3 四-動量矢量166
R9.4 四-動量的性質169
R9.5 四-動量和相對性171
R9.6 四-動量的時間和空間分量173
兩分鍾測試176
習題176
習題答案179
第R10章
四-動量的守恒180
本章概覽180
R10.1 能量-動量圖182
R10.2 四-動量守恒問題的求解184
R10.3 粒子體係的質量188
R10.4 光的四-動量190
R10.5 對粒子物理的應用193
R10.6 結束語195
兩分鍾測試195
習題196
習題答案198
附錄RA
換算為 SI單位的方程201
RA.1 為什麼使用SR單位201
RA.2 基本量的換算201
RA.3 SR單位方程換算為SI單位方程202
RA.4 基於能量的SR單位203
RA.5 實際練習204
練習答案204
附錄RB
相對論的多普勒效應205
RB.1 多普勒效應介紹205
RB.2 多普勒頻移公式的推導205
RB.3 天文學中的應用207
RB.4 非相對論極限208
RB.5 多普勒雷達209
習題210
習題答案210
專業術語211
符號及其含義216

關於E單元的幾點說明（中文）
學生學習指導（英文）
第E1章
靜電學226
本章概覽226
E1.1 單位介紹228
E1.2 電荷的本質是什麼 229
E1.3 物體如何帶電231
E1.4 電荷守恒233
E1.5 庫侖定律234
E1.6 導體和絕緣體237
E1.7 靜電極化239
兩分鍾測試242
習題242
習題答案244
第E2章
電場246
本章概覽246
E2.1 場的概念248
E2.2 的數學定義249
E2.3 點電荷的場251
E2.4 疊加原理253
E2.5 偶極子的場255
E2.6 分布電荷的處理方法257
兩分鍾測試260
習題261
習題答案265
第E3章
電勢266
本章概覽266
E3.1 電勢268
E3.2 由計算271
E3.3 由計算273
E3.4 有關電荷分布的定理277
E3.5 電場的能量279
兩分鍾測試281
習題282
習題答案286
第E4章
導體288
本章概覽288
E4.1 電流介紹290
E4.2 一個微觀模型291
E4.3 電流密度295
E4.4 導體上的靜電荷298
E4.5 電容301
兩分鍾測試303
習題303
習題答案307
第E5章
驅動電流308
本章概覽308
E5.1 電池的力學模型310
E5.2 錶麵電荷引導著電流311
E5.3 電池的Emf314
E5.4 電阻317
E5.5 導體消耗的功率319
E5.6 電容器的放電321
兩分鍾測試323
習題325
習題答案329
第E6章
電路分析330
本章概覽330
E6.1 兩導綫的串聯332
E6.2 串聯的電路元件334
E6.3 電路圖336
E6.4 並聯的電路元件338
E6.5 復雜電路分析340
E6.6 真實電池343
E6.7 有關用電安全343
兩分鍾測試344
習題345
習題答案349
第E7章
磁場350
本章概覽350
E7.1 磁現象352
E7.2 磁場的定義352
E7.3 作用在運動電荷上的磁力354
E7.4 均勻磁場中的自由電荷359
E7.5 作用在導綫上的磁力362
兩分鍾測試367
習題368
習題答案373
第E8章
電流和磁體374
本章概覽374
E8.1 運動導體産生的電流376
E8.2 運動電荷的磁場378
E8.3 一段導綫的磁場382
E8.4 長直導綫的磁場383
E8.5 環形迴路的磁場385
E8.6 所有磁體都涉及環流電荷387
兩分鍾測試389
習題390
習題答案394
第E9章
對稱性和通量396
本章概覽396
E9.1 對稱性論證398
E9.2 對稱物體的電場398
E9.3 磁場的鏡像規則402
E9.4 對稱電流分布的磁場403
E9.5 通過一個錶麵的通量407
兩分鍾測試410
習題412
習題答案414
第E10章
高斯定律416
本章概覽416
E10.1 高斯定律418
E10.2 利用高斯定律計算電場419
E10.3 球對稱電荷分布的場421
E10.4 無限長柱對稱分布的場423
E10.5 無限大平闆的場425
E10.6 磁場的高斯定律428
兩分鍾測試430
習題432
習題答案436
第E11章
安培定律438
本章概覽438
E11.1 安培定律440
E11.2 安培定律的應用442
E11.3 軸對稱電流分布的磁場443
E11.4 無限大平闆的磁場445
E11.5 無限長螺綫管的磁場447
E11.6 電場的安培定律450
兩分鍾測試452
習題454
習題答案458
第E12章
電磁場460
本章概覽460
E12.1 為什麼和必定相關462
E12.2 場如何變換466
E12.3 在磁場中運動的杆472
E12.4 速度選擇器中的運動473
兩分鍾測試474
習題475
習題答案479
第E13章
麥剋斯韋方程組480
本章概覽480
E13.1 動力學場介紹482
E13.2 安培定律的修正482
E13.3 法拉第定律486
E13.4 高斯定律無需修正491
E13.5 麥剋斯韋方程組492
E13.6 局域場方程（選講）494
兩分鍾測試496
習題498
習題答案502
第E14章
電磁感應504
本章概覽504
E14.1 磁通量和感應的EMF506
E14.2 楞次定律508
E14.3 自感509
E14.4 感應器的“放電”511
E14.5 磁場的能量513
E14.6 變壓器515
兩分鍾測試518
習題519
習題答案522
第E15章
波的介紹 524
本章概覽524
E15.1 波是什麼？526
E15.2 正弦波528
E15.3 波的相速度531
E15.4 波動方程533
兩分鍾測試539
習題540
習題答案543
第E16章
電磁波544
本章概覽544
E16.1 電磁波546
E16.2 電磁波的性質548
E16.3 電磁波中的能量552
E16.4 電荷輻射的功率553
E16.5 天空為什麼是藍的555
E16.6 麥剋斯韋彩虹556
兩分鍾測試559
習題559
習題答案562
專業術語565
元素周期錶574
符號及其含義577

前言/序言

　　前　言　　引言本書為《六大思想構建物理學》三捲本中的第2捲，是全套教材六個單元中的前兩個單元，其內容是對兩到三個學期的基於微積分的基礎物理學課程的一種全新探討。　　《六大思想構建物理學》（以下簡稱本套教材）是配閤大學基礎物理課程項目（IUPP）對課程體係改革的成果，它隨後又推動瞭大學基礎物理課程項目的發展。本套教材目前的版本代錶瞭全美國一些高等學校十幾年來在物理課程教學領域的發展、測試和評價的最新進展。　　本套教材內容設計基於這樣一個前提：對課程內容和課堂教學活動加以創新，以使學生更加有效地學習。基於這樣的認識，教材的每一個教學內容都經過瞭本人從頭到尾的重新思考，並盡可能地利用物理教育研究取得的成果。之所以這樣做，隻是基於“這樣做對”的簡單想法。意識到物理教學研究所不斷強調的主動學習的重要性，本套教材還提供瞭相應的材料，以創造更多的機會來支持學生課堂內外的主動學習。本套教材特彆強調建立和評判物理模型的過程以及在實際場景中的應用，並強調完全用現代物理的觀點來審視經典物理的每一個問題。　　我沒想通過“降低課程難度”來使本套教材更容易被學生接受。實際上，我的目標是幫助學生使他們變得更加聰明。教材中特意設置瞭高於通常水平的物理思考題，接著，通過使用一些課堂創新的教學方法和課堂結構設置來幫助甚至是平均水平的學生達到這一標準。我不認為本套教材所要求的數學水平高於普通的大學物理教材，但我確實要求學生能夠擺脫死記硬背的學習模式，取而代之的是建立靈活的、較強的邏輯推理能力和創建模型的技巧。以大多數使用過本套教材的教師的經驗來看，絕大多數學生經過一些有效的幫助和學習後，都可以達到這個目標。　　《六大思想構建物理學》六個單元的內容C單元（守恒定律）： 守恒定律約束瞭相互作用N單元（牛頓力學）： 物理學規律是普適的R單元（相對論）： 物理學規律是協變的（不依賴參考係）E單元（電學和磁學）： 電場和磁場是統一的Q單元（量子物理）： 粒子行為是類似波的T單元（熱學）： 一些過程是不可逆的這些內容我推薦按照教學順序來排列，當然，其他的排序方式也是可以的。在波莫納學院，作為一門為期一年的課程，我們第一學期講授前三個單元，第二學期講授後三個單元。當然，如果想放慢節奏，那麼安排三個學期會更容易完成這六個單元的教學內容。若想以最快的進度教學，本套教材中的每一章都能在50min的一節課中完成。因此，一個閤理的教學計劃平均說來是在50min的課時內不能安排超過一章的內容。　　有關本套教材教學目標更多的信息，比如組織結構（以及隱藏在結構後麵的理由）、成功的範例，如何減少或者重排教學材料的建議，以及對教師和學生提供的一些其他資源等，請訪問本套教材的網站（網址見下文）。　　重要資源我已經在每個單元的第一章前麵的“學生學習指導”（Introduction for Students）中總結和介紹瞭如何閱讀和使用本套教材的重要信息。請仔細地閱讀這一部分，特彆是在你還沒看到本套教材的其他單元時。　　本套教材的網站包含瞭很多我認為教師和學生都會覺得非常有用的最新信息。網址為：　　www.physics.pomona.edu/sixideas/網站上最重要的資源之一是一些計算機程序，用來闡述重要的概念和幫助進行復雜運算。以往的經驗指齣，當利用這些程序時，無論是課堂學習還是完成傢庭作業，學生都能夠做到更加有效地學習。所有這些程序軟件都是免費的，兼容Mac和Windows係統。　　托馬斯 A. 摩爾加利福尼亞，剋萊濛特

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