第1章 物理学是基础科学 1
1．1 能量是怎么回事？ 2
1．1．1 全球变暖的争论 2
1．1．2 能量是怎样卷入的？ 3
1．1．3 物理学和能量 3
1．2 科学事业 4
1．2．1 科学和彩虹 4
1．2．2 什么是科学方法？ 5
1．2．3 应当如何介绍科学？ 6
1．2．4 可以讨论的问题 6
1．3 物理学的范围 7
1．3．1 物理学如何定义？ 8
1．3．2 物理学的主要分支有哪些？ 8
1．4 测量和数学在物理学中的作用 9
1．4．1 为什么测量这么重要？ 9
1．4．2 数学能帮什么忙？ 10
1．4．3 为什么使用公制单位？ 10
1．5 物理学和日常现象 11
1．5．1 为什么要研究日常现象？ 11
小结 12
关键术语 13
第1单元 牛 顿 革 命
第2章 运动的描述 16
2．1 平均速率和瞬时速率 17
2．1．1 平均速率的定义 17
2．1．2 速率的单位 17
2．1．3 瞬时速率 18
2．1．4 可以讨论的问题 19
2．2 速度 20
2．2．1 速率和速度的区别 20
2．2．2 矢量 21
2．2．3 瞬时速度的定义 21
2．3 加速度 21
2．3．1 平均加速度的定义 22
2．3．2 瞬时加速度的定义 23
2．3．3 加速度的方向 23
2．3．4 汽车速率不变时能作加速运动吗？ 23
2．4 运动的图形表示 24
2．4．1 一幅图形能告诉我们什么？ 24
2．4．2 速度图和加速度图 25
2．4．3 能从速度图求走过的距离吗？ 26
2．5 匀加速运动 27
2．5．1 匀加速运动中速度怎样变化？ 28
2．5．2 走过的距离如何随时间变化？ 28
小结 29
关键术语 30
第3章 落体运动和抛体运动 31
3．1 重力引起的加速度 32
3．1．1 如何测量重力加速度？ 32
3．1．2 伽利略关于落体运动的想法与
亚里士多德的想法有何不同？ 34
3．2 落体追踪 34
3．2．1 速度如何随时间变化？ 35
3．2．2 小球在不同时间里下落多大的距离？ 35
3．2．3 下扔小球 36
3．3 向上扔球 38
3．3．1 小球的速度如何变化？ 38
3．3．2 小球能飞到多高？ 39
3．4 抛体运动 40
3．4．1 抛体的轨迹是什么样子？ 40
3．4．2 飞行时间由什么决定？ 41
3．5 打靶 42
3．5．1 枪支射出的子弹会下落吗？ 42
3．5．2 橄榄球的飞行 43
3．5．3 怎样能达到最大的距离？ 43
小结 46
关键术语 46
第4章 牛顿运动定律：运动的解释 47
4．1 历史简述 48
4．1．1 亚里士多德关于运动的原因有何
看法？ 48
4．1．2 伽利略怎样挑战亚里士多德的看法？ 49
4．1．3 牛顿完成了什么业绩？ 49
4．2 牛顿第一定律和第二定律 51
4．2．1 什么是牛顿第一运动定律？ 51
4．2．2 力和加速度有什么关系？ 51
4．2．3 力怎样相加？ 52
4．3 质量和重量 54
4．3．1 如何对质量进行比较？ 54
4．3．2 如何定义重量？ 54
4．3．3 为何重力加速度与质量无关？ 55
4．4 牛顿第三定律 56
4．4．1 第三定律怎样帮助我们定义力？ 56
4．4．2 怎样用第三定律来证认力？ 56
4．4．3 一头骡子能够加速一辆小车吗？ 57
4．4．4 什么力使汽车加速？ 57
4．5 牛顿定律的应用 59
4．5．1 推椅子时涉及哪些力？ 59
4．5．2 跳伞运动员不开伞时会持续加速吗？ 60
4．5．3 小球扔出后发生了什么事情？ 61
4．5．4 怎样分析连接在一起物体的运动？ 61
小结 62
关键术语 63
第5章 圆周运动、行星和引力 64
5．1 向心加速度 65
5．1．1 什么是向心加速度？ 65
5．1．2 怎样求速度的改变量?v？ 66
5．1．3 向心加速度的大小有多大？ 66
5．1．4 什么力产生向心加速度？ 66
5．2 向心力 67
5．2．1 什么力帮助汽车顺利通过弯道？ 67
5．2．2 弯道修成内低外高会发生什么？ 69
5．2．3 坐摩天轮时遇到哪些力？ 70
5．3 行星运动 71
5．3．1 早期的天界模型是什么样？ 71
5．3．2 哥白尼与托勒密的模型有何区别？ 72
5．3．3 开普勒行星运动定律 73
5．4 牛顿万有引力定律 75
5．4．1 牛顿有什么惊人发现？ 75
5．4．2 什么是牛顿万有引力定律？ 75
5．4．3 重量与引力定律怎样关联？ 76
5．4 月亮和其他卫星 77
5．4．1 如何解释月相？ 77
5．4．2 月亮服从开普勒定律吗？ 78
5．4．3 人造卫星的轨道 79
5．4．4 可以争论的问题 79
小结 80
关键术语 81
第6章 能量和振动 82
6．1 简单机械、功和功率 83
6．1．1 什么是简单机械？ 83
6．1．2 功怎么定义？ 84
6．1．3 任何力都做功吗？ 84
6．1．4 功和功率有什么关系？ 85
6．2 动能 85
6．2．1 如何定义动能？ 85
6．2．2 什么是负功？ 86
6．2．3 汽车的停车距离 86
6．3 势能 87
6．3．1 什么是重力势能？ 87
6．3．2 势能的实质是什么？ 87
6．3．3 什么是弹性势能？ 88
6．3．4 什么是保守力？ 89
6．4 能量守恒 89
6．4．1 摆在摆动时的能量有何变化？ 89
6．4．2 能量守恒是什么意思？ 89
6．4．3 为什么使用能量的概念？ 90
6．4．4 能量分析为何像计账似的？ 91
6．4．5 可以争论的问题 92
6．5 弹簧和简谐运动 94
6．5．1 拴在弹簧上的质块的振动 94
6．5．2 什么是周期和频率？ 95
6．5．3 任何回复力都产生简谐运动吗？ 95
小结 96
关键术语 97
第7章 动量和冲量 98
7．1 动量和冲量 99
7．1．1 小球弹跳时发生了什么事？ 99
7．1．2 怎样分析如此快速的变化？ 99
7．1．3 什么是冲量和动量？ 100
7．1．4 如何应用冲量-动量原理？ 100
7．2 动量守恒 102
7．2．1 动量为何及何时守恒？ 103
7．2．2 动量守恒和碰撞 103
7．3 反冲 104
7．3．1 什么是反冲？ 104
7．3．2 猎枪的反冲 105
7．3．3 火箭怎么工作？ 105
7．4 弹性碰撞和非弹性碰撞 106
7．4．1 什么是完全非弹性碰撞？ 106
7．4．2 碰撞中能量守恒吗？ 106
7．4．3 台球弹跳时发生了什么事？ 107
7．5 互成一角度的碰撞 108
7．5．1 二维非弹性碰撞 108
7．5．2 二维弹性碰撞 110
7．5．3 可以讨论的问题 111
小结 111
关键术语 112
第8章 固体的转动 113
8．1 什么是转动？ 114
8．1．1 角位移和角速度 114
8．1．2 什么是角加速度？ 115
8．1．3 恒定角加速度 115
8．1．4 线速度和角速度有什么关系？ 116
8．2 转矩和杆秤 116
8．2．1 杆秤何时平衡？ 116
8．2．2 什么是转矩？ 117
8．2．3 多个转矩如何相加？ 118
8．2．4 什么重心？ 118
8．3 转动惯量和牛顿第二定律 119
8．3．1 什么是转动惯量？ 119
8．3．2 适用于转动的牛顿第二定律 120
8．3．3 求旋转木马的转动惯量 121
8．4 角动量守恒 122
8．4．1 什么是角动量？ 122
8．4．2 角动量何时守恒？ 122
8．4．3 滑冰运动员自转速率的变化 123
8．4．4 开普勒第二定律 124
8．5 骑自行车和其他惊人绝技 125
8．5．1 角动量是矢量吗？ 125
8．5．2 角动量和自行车 126
8．5．3 旋转凳和陀螺 127
小结 129
关键术语 130
第2单元 流体的行为和热学
第9章 流体的行为 132
9．1 压强和帕斯卡原理 133
9．1．1 压强如何定义？ 133
9．1．2 什么是帕斯卡原理？ 134
9．1．3 水压机如何工作？ 134
9．2 气压和气体的行为 135
9．2．1 怎样测量气压？ 135
9．2．2 气压如何变化？ 136
9．2．3 空气柱的重量 137
9．2．4 气体的体积如何随压强改变？ 138
9．3 阿基米德原理 140
9．3．1 什么是阿基米德原理？ 140
9．3．2 浮力来源于什么？ 140
9．3．3 有哪些力作用在浮体上？ 141
9．3．4 为何一艘钢船会浮在水面上？ 142
9．3．5 气球何时上浮？ 142
9．4 运动的流体 143
9．4．1 为什么流速会变？ 143
9．4．2 黏性如何影响流动？ 144
9．4．3 层流和湍流 145
9．5 伯努利原理 146
9．5．1 什么是伯努利原理？ 146
9．5．2 管道和软管中各处压力如何变化？ 146
9．5．3 气流和伯努利原理 147
9．5．4 商店前的广告球为何会悬在空中？ 147
小结 149
关键术语 150
第10章 温度和热量 151
10．1 温度及其测量 152
10．1．1 怎样测量温度？ 152
10．1．2 温标的发展 153
10．1．3 有热力学零度吗？ 154
10．2 热量和比热 155
10．2．1 什么是比热？ 155
10．2．2 热量和温度有何区别？ 156
10．2．3 热量怎样参与熔化或凝固过程？ 156
10．3 焦耳实验和热力学第一定律 159
10．3．1 焦耳实验表明了什么？ 159
10．3．2 热力学第一定律 160
10．3．3 什么是内能？ 160
10．3．4 计算食物的热量 161
10．4 气体的行为与热力学
第一定律 162
10．4．1 压缩气体时发生什么事？ 162
10．4．2 内能与温度有什么关系？ 162
10．4．3 怎样保持气体的温度不变？ 163
10．4．4 热气球中的气体发生了什么？ 163
10．5 热流 164
10．5．1 热传导产生的热流 164
10．5．2 什么是对流？ 165
10．5．3 什么是辐射，辐射怎样传递
能量？ 166
小结 168
关键术语 169
第11章 热机和热力学第二定律 170
11．1 热机 171
11．1．1 热机是干什么的？ 171
11．1．2 热机的效率 171
11．1．3 热力学第一定律关于热机告诉
我们什么？ 172
11．2 热力学第二定律 174
11．2．1 什么是卡诺机？ 174
11．2．2 卡诺循环包含哪几步？ 175
11．2．3 卡诺机的效率是多少？ 175
11．2．4 热力学第二定律 176
11．3 制冷机、热泵和熵 177
11．3．1 制冷机和热泵是干什么的？ 177
11．3．2 热力学第二定律的克劳修斯表述 178
11．3．3 什么是熵？ 179
11．4 热电厂和能源 180
11．4．1 热电厂是如何工作的？ 180
11．4．2 化石燃料的替代者 181
11．4．3 高品位热量和低品位热量 182
11．4．4 可以讨论的问题 183
11．5 永动机和能量骗局 183
11．5．1 第一类永动机 183
11．5．2 第二类永动机 183
小结 185
关键术语 186
第3单元 电学和磁学
第12章 静电现象 188
12．1 电荷的作用 189
12．1．1 从木髓球实验能学到什么？ 189
12．1．2 什么是验电器？ 190
12．1．3 富兰克林的单流体模型 191
12．2 导体和绝缘体 191
12．2．1 绝缘体与导体有何不同？ 191
12．2．2 用感应让导体起电 192
12．2．3 为何绝缘体被吸向带电物体？ 193
12．3 静电力：库仑定律 195
12．3．1 库仑是怎样测量静电力的？ 195
12．3．2 库仑的测量结果如何？ 196
12．3．3 库仑定律与万有引力定律的比较 197
12．4 电场 198
12．4．1 求几个电荷所施加的力 198
12．4．2 什么是电场？ 198
12．4．3 电场线是怎样用的？ 199
12．5 电势 200
12．5．1 求电荷势能的变化 200
12．5．2 什么是电势？ 201
12．5．3 电势和电场的关系 202
小结 204
关键术语 204
第13章 电路 206
13．1 电路和电流 207
13．1．1 怎样使灯泡发光？ 207
13．1．2 什么是电流？ 208
13．1．3 什么限制了电流？ 210
13．1．4 和水流的类比 210
13．2 欧姆定律和电阻 211
13．2．1 电流对电压的依赖关系 211
13．2．2 什么是电池的电动势？ 212
13．2．3 电池没电了是怎么回事？ 213
13．3 串联电路和并联电路 213
13．3．1 什么是串联电路？ 213
13．3．2 什么是并联电路？ 214
13．3．3 安培计和伏特计的使用 216
13．4 电能和电功率 217
13．4．1 电路中发生了什么能量转化？ 217
13．4．2 电功率与电流和电压有何关系？ 217
13．4．3 怎样分配和使用电功率？ 218
13．5 交流电和家用电路 220
13．5．1 交流电与直流电有哪些区别？ 220
13．5．2 什么是电流和电压的有效值？ 221
13．5．3 家用电路如何布线？ 221
小结 222
关键术语 223
第14章 磁体和电磁学 224
14．1 磁体和磁力 225
14．1．1 什么是磁极？ 225
14．1．2 磁力和库仑定律 226
14．1．3 能将场线与磁体联系起来吗？ 226
14．1．4 地球是一个磁体吗？ 227
14．2 电流的磁效应 228
14．2．1 一个出乎意料的效应 228
14．2．2 载流导线所受的磁力 229
14．2．3 运动电荷所受的磁力 229
14．2．4 运动电荷上的磁力方向 230
14．3 电流回路的磁效应 230
14．3．1 电流回路的磁场 231
14．3．2 电流回路上作用有磁转矩吗？ 231
14．3．3 怎样制作一个电磁体？ 232
14．4 法拉第定律：电磁感应 234
14．4．1 法拉第的实验表明了什么？ 234
14．4．2 法拉第定律 235
14．4．3 楞次定律 236
14．4．4 什么是自感应？ 236
14．5 发电机和变压器 238
14．5．1 发电机是如何工作的？ 238
14．5．2 变压器是干什么用的？ 239
14．5．3 变压器和功率分配 240
小结 241
关键术语 241
第4单元 波动和光学
第15章 波的生成 244
15．1 脉冲波和周期波 245
15．1．1 脉冲波在弹簧上怎样行进？ 245
15．1．2 波动的一些共同特征 245
15．1．3 可以讨论的问题 246
15．1．4 纵波和横波的区别 246
15．1．5 什么是周期波？ 246
15．2 绳索上的波 248
15．2．1 波的曲线图是什么样？ 248
15．2．2 绳索上的波速由什么决定？ 249
15．2．3 波的频率和波长由什么决定？ 250
15．3 干涉和驻波 251
15．3．1 绳索上的两个波如何合并？ 251
15．3．2 什么是驻波？ 252
15．3．3 吉他弦上波的频率由什么决定？ 252
15．4 声波 254
15．4．1 声波的实质是什么？ 254
15．4．2 声速由什么决定？ 255
15．4．3 用饮料瓶生成音乐 257
15．5 音乐的物理学 258
15．5．1 什么是谐波分析？ 258
15．5．2 音程是如何定义的？ 259
15．5．3 为何有些乐音组合声音和谐？ 261
小结 262
关键术语 262
第16章 光波和颜色 264
16．1 电磁波 265
16．1．1 什么是电磁波？ 265
16．1．2 电磁波的速率是多少？ 266
16．1．3 有多种不同的电磁波吗？ 267
16．1．4 可以争论的问题 268
16．2 波长和颜色 268
16．2．1 光是由不同的颜色组成的吗？ 268
16．2．2 眼睛如何分辨不同的颜色？ 269
16．2．3 为什么物体有不同的颜色？ 270
16．3 光波的干涉 272
16．3．1 杨氏双缝实验 273
16．3．2 条纹间距由什么决定？ 274
16．3．3 什么是薄膜干涉？ 274
16．4 衍射和光栅 277
16．4．1 单缝如何衍射光？ 277
16．4．2 光如何被其他形状衍射？ 278
16．4．3 什么是衍射光栅？ 279
16．5 偏振光 280
16．5．1 什么是偏振光？ 280
16．5．2 怎样产生偏振光？ 280
16．5．3 为什么要用偏光太阳镜？ 281
16．5．4 什么是双折射？ 281
小结 282
关键术语 283
第17章 光和成像 284
17．1 反射和成像 285
17．1．1 光线与波前有什么关系？ 285
17．1．2 什么是反射定律？ 286
17．1．3 平面镜如何成像？ 286
17．2 光的折射 287
17．2．1 什么是折射定律？ 287
17．2．2 为何水下物体显得比实际位
置高？ 288
17．2．3 全内反射 289
17．2．4 棱镜如何使光弯折？什么是
色散？ 290
17．3 透镜和成像 292
17．3．1 追踪穿过正透镜的光线 292
17．3．2 像距和物距有什么关系？ 293
17．3．3 追踪通过负透镜的光线 294
17．4 用曲面镜聚焦光束 295
17．4．1 用凹面镜的光线追踪 295
17．4．2 物距和像距 296
17．4．3 凸面镜 297
17．5 眼镜、显微镜和望远镜 298
17．5．1 眼睛是如何工作的？ 298
17．5．2 眼镜矫正的是哪些问题？ 299
17．5．3 显微镜如何工作？ 299
17．5．4 望远镜如何工作？ 300
17．5．5 双筒镜和观剧镜 302
小结 304
关键术语 304
第5单元 原子和原子核
第18章 原子的结构 308
18．1 原子的存在：从化学中
得到的证据 309
18．1．1 化学研究揭示了原子的哪些
方面？ 309
18．1．2 质量在化学反应中守恒吗？ 310
18．1．3 原子量的概念是怎样产生的？ 310
18．1．4 可以争论的问题 313
18．1．5 元素周期表是怎样发展的？ 313
18．2 阴极射线、电子和X射线 314
18．2．1 阴极射线是怎样产生的？ 315
18．2．2 阴极射线的组成成分 317
18．2．3 X射线是怎样发现的？ 317
18．3 放射性和原子核的发现 319
18．3．1 放射性是怎样发现的？ 319
18．3．2 放射性中包含的辐射多于
一种吗？ 319
18．3．3 原子核是怎样发现的？ 320
18．4 原子光谱和玻尔原子模型 322
18．4．1 氢光谱的本质是什么？ 322
18．4．2 光能的量子化 323
18．4．3 玻尔模型有哪些特征？ 324
18．5 粒子波和量子力学 325
18．5．1 什么是德布罗意波？ 326
18．5．2 量子力学与玻尔模型有何不同？ 327
18．5．3 什么是海森伯不确定原理？ 327
18．5．4 量子力学如何解释周期表？ 328
小结 329
关键术语 330
第19章 原子核和核能 331
19．1 原子核的结构 332
19．1．1 质子是怎样发现的？ 332
19．1．2 中子是怎样发现的？ 333
19．1．3 什么是同位素？ 334
19．2 放射性衰变 336
19．2．1 ?衰变中发生了什么？ 336
19．2．2 ?衰变和衰变中会发生什么？ 337
19．2．3 如何描述衰变的快慢？ 338
19．2．4 为何放射性对人体健康有害？ 338
19．3 核反应和核裂变 339
19．3．1 什么是核反应？ 340
19．3．2 能量和质量如何参与核反应？ 340
19．3．3 核裂变是怎样发现的？ 341
19．4 核反应堆 343
19．4．1 如何实现链式反应？ 343
19．4．2 为什么反应堆中会产生钚？ 344
19．4．3 现代反应堆有何设计特征？ 344
19．4．4 核动力的环境问题 345
19．4．5 可以讨论的问题 346
19．5 核武器和核聚变 347
19．5．1 什么是临界质量？ 347
19．5．2 钚弹是怎样设计的？ 348
19．5．3 什么是核聚变？ 349
19．5．4 能从受控聚变产出功率吗？ 350
小结 351
关键术语 352
第6单元 相对论及其他
第20章 相对论 354
20．1 经典物理学中的相对运动 355
20．1．1 速度如何相加？ 355
20．1．2 在二维空间速度如何相加？ 356
20．1．3 相对性原理 357
20．1．4 惯性参考系 357
20．2 光速和爱因斯坦的假设 358
20．2．1 什么是光以太？ 358
20．2．2 以太能够当普适参考系用吗？ 358
20．2．3 迈克尔孙-莫雷实验 359
20．2．4 爱因斯坦的狭义相对论假设 360
20．3 时间膨胀和长度收缩 361
20．3．1 不同观察者的时间测量 361
20．3．2 对不同观察者长度测量如何
变化？ 363
20．4 牛顿定律和质能等价 366
20．4．1 牛顿第二定律须怎样修改？ 366
20．4．2 质能等价观念是如何提出的？ 366
20．4．3 如何解释静止能？ 367
20．5 广义相对论 367
20．5．1 什么是等价原理？ 368
20．5．2 光束在强引力场中会弯曲吗？ 369
20．5．3 广义相对论有哪些空时效应？ 370
20．5．4 什么是黑洞？ 371
小结 371
关键术语 372
第21章 日常现象深入研究 373
21．1 夸克和其他基本粒子 374
21．1．1 新粒子是怎样发现的？ 374
21．1．2 粒子园的成员 375
21．1．3 什么是夸克？ 375
21．1．4 有哪些基本作用力？ 376
21．2 宇宙学：向外窥视宇宙 377
21．2．1 宇宙在膨胀吗？ 377
21．2．2 追溯我们宇宙的开端 379
21．3 半导体和微电子学 380
21．3．1 什么是半导体？ 380
21．3．2 什么是晶体管？ 382
21．3．3 计算机和集成电路 382
21．4 超导体和其他新材料 384
21．4．1 什么是超导电性？ 384
21．4．2 什么是高温超导体？ 385
21．4．3 其他新材料 386
小结 388
关键术语 389