观念物理Ⅳ声学．光学 pdf epub mobi txt 电子书 下载 2025

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原文作者： Paul G. Hewitt

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想知道蚊子为什么会发出恼人的嗡嗡声？
为什么能用超声波看妈妈肚子里的小baby？
太阳眼镜为什么能抵挡强光？
浪花为什么是白色的？
北极熊为什么不怕极地的严寒气候？
夜空里的星星为什么会一闪一闪？
我们的四周充满了波与振动，
我们所听见的声音以及所看见的光线，都是波动的一种，
就连五彩缤纷的颜色，也与光的反射、折射等现象息息相关。
想想看，要是没有声波与光波，
要是光速在所有介质里传播得都一样快，
我们的世界就不是这么多彩绚烂，我们就看不到彩虹，
甚至看不到蓝蓝的天、白白的云；
要是一直没有人了解这些波动的性质，研究声与光的种种现象，我们今天就不会有望远镜、显微镜、雷射、光纤、
超音速飞机、广播通讯、CD唱盘等有用的东西了。
《观念物理Ⅳ》邀请你带着轻松的心情，抛开公式，
亲身体会妙用无穷的波动原理！

可搭配销售的书

WS201《观念物理I》
WS202《观念物理Ⅱ》
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WS042《微积分之屠龙宝刀》
WS043《微积分之倚天宝剑》
WS018《微积分之旅》

作者简介

休伊特

　　高中时梦想当个拳击手，毕业后开始学漫画，后来从事画户外广告招牌的工作。27岁才决定回到学校，在麻州罗尔技术学院就读物理系，是班上年纪最大的学生。1964年，取得犹他州立大学科学教育与物理双主修的硕士学位，便到旧金山城市学院开始教学生涯，直到1999年退休。1982年，休伊特获得美国物理教师学会颁发的密立根讲座奖。获奖原因是由于他在物理教学专业上的投入，发展出许多有趣而令人激赏的教学示范，以及阐释观念的方式，让很多原本不可能喜爱物理的学生，对物理产生兴趣。

　　休伊特认为：教学不仅仅是工作，也不仅仅是专业，而是一种对待生命与生活的态度；因此对于当老师的人来说，尽力把教学工作做好，是非常重要的一件事。因为，不论学生有多大的热情，老师都有能力把它浇熄；但老师也同样也有能力去激发学生，让他们发挥出最大的潜能。休伊特相信：学物理应该是很有趣的，虽然也许要相当用功，但一定是有趣的事。《观念物理》这套书正是他这个信仰底下的产物之一。

译者简介

陈可岗

　　生于广州，成长于台湾最艰困时期，曾就读海军官校，台大物理系毕业，美国普度大学物理博士，主修实验固态物理。曾任教于清华大学，后移居美国，任职电子工程师。 工余及退休后，辄常撰写科学新知投刊于海外华文报纸，有〈量子电脑的发展〉、〈火星上生物之谜〉、〈大陆生态环境破坏的事实〉。

　　译作有《十月的天空》、《观念物理IV：声学．光学》、《观念物理V：电磁学．核物理》、《牛顿（上）－最后的巫师》、《牛顿（下）－科学第一人》、《数学妖法》、《阿基米德干了什么好事！》、《质数魔力（上）－横跨两世纪的狂热》、《质数魔力（下）－百万美元大挑战》、《居礼们：一个传奇的家族》、《时光旅人》（皆为天下文化出版）。

理论力学精要：从牛顿到拉格朗日 本书旨在为物理学、工程学及相关领域的研究者、教师和高年级学生提供一套严谨而深入的理论力学基础教材。我们聚焦于经典力学的核心框架，从运动的基本描述出发，逐步构建起解析力学的宏伟体系，并辅以详尽的数学工具和物理直觉的培养。全书结构清晰，逻辑连贯，旨在帮助读者建立起对宏观世界动力学本质的深刻理解。 第一部分：运动的描述与基本定律（牛顿体系的奠基） 本部分着重回顾并深化牛顿力学的基本概念，这是后续所有力学理论的基石。 第一章：质点运动学回顾与深化 我们从描述粒子运动的数学工具入手，包括笛卡尔坐标系、柱坐标系和球坐标系下的位置、速度和加速度的表达。重点在于理解矢量在不同坐标系下的变换规则，以及如何利用时变单位矢量来准确描述曲线运动。本章特别引入了瞬时曲率半径和加速度的法向切向分解，以增强对加速度物理意义的理解。此外，对运动学的相对性原理进行了探讨，为引入惯性系和非惯性系做铺垫。 第二章：牛顿第二定律与守恒律的萌芽 牛顿第二定律被提升到更抽象的矢量形式 $mathbf{F} = mmathbf{a}$，并被严格定义在惯性参考系中。我们深入探讨了动量、冲量及其守恒定律，这不仅是处理碰撞问题的基础，更是理解微观粒子相互作用的起点。在本章末尾，我们引入了功和动能的概念，展示了动能定理如何将力（作用）与运动（结果）联系起来，并首次导出了保守力的性质——势能的存在性。 第三章：刚体的初步分析 刚体是现实世界中物体运动的更贴近的模型。本章首先定义了刚体的运动自由度，并着重分析了刚体的转动。转动定律 $mathbf{M} = frac{dmathbf{L}}{dt}$ 被详尽推导，其中角动量 $mathbf{L}$ 的定义及其相对于固定点的性质被严格阐述。我们引入了惯性主轴和主惯性矩的概念，展示了如何通过对角动量和转动惯量的准确计算，简化复杂刚体绕定点的转动分析。 第二部分：解析力学的构建（从约束到变分原理） 本部分标志着从基于力的直接积分方法向更具几何和代数特征的解析力学的转变，这是现代物理学的基础语言。 第四章：约束与广义坐标 本章是解析力学的关键过渡。我们详细分析了约束力的性质，特别是完整（或称位形）约束，并基于完整约束将系统的自由度数量降至最小。广义坐标的概念被引入，它允许我们用最少的、相互独立的参数来完全描述系统的构型。我们严格区分了位移约束和速度约束，并讨论了如何将它们转化为数学方程。 第五章：达朗贝尔原理与拉格朗日方程（第一形式） 达朗贝尔原理是连接牛顿定律与变分原理的桥梁。它将动力学问题转化为一个等效的静力学平衡问题。基于此原理，我们推导出了拉格朗日方程： $$frac{d}{dt} left( frac{partial L}{partial dot{q}_k} ight) - frac{partial L}{partial q_k} = 0$$ 其中 $L = T - V$ 是拉格朗日函数（动能 $T$ 减去势能 $V$）。本章详尽演示了如何选择合适的广义坐标来处理复杂的约束系统（如单摆、双摆、约束在光滑曲面上的粒子等），避免了显式求解约束力的麻烦。 第六章：变分原理与最小作用量 解析力学的精髓在于其变分基础。本章引入了哈密顿（Hamilton）原理，即最小作用量原理：系统的实际运动路径是使得作用量泛函 $S = int_{t_1}^{t_2} L(q, dot{q}, t) dt$ 取得极值的路径。我们通过对作用量泛函的变分计算，重新严格地导出了拉格朗日方程，从而揭示了自然界运动规律的深层统一性。本章还简要介绍了欧拉-拉格朗日方程在场论中的应用前景。 第三部分：守恒定律的几何体现与动力学进阶 解析力学体系的强大之处在于其内在的对称性与守恒律之间的深刻联系。 第七章：守恒量与诺特定理 这是全书的亮点之一。我们应用诺特定理，建立了系统的连续对称性与守恒量之间的精确对应关系。如果系统的拉格朗日量 $L$ 不显含某一广义坐标 $q_k$（即 $q_k$ 是循环坐标），则相应的广义动量 $p_k = partial L / partial dot{q}_k$ 必然守恒。本章将动量守恒、角动量守恒和能量守恒（在势能仅依赖于位置时）置于统一的数学框架下进行阐释。 第八章：两体问题与开普勒定律 我们利用拉格朗日方程处理经典的中心力问题，即两体问题。通过坐标系的变换（分离质心运动和相对运动），我们将复杂问题简化为一等效单体问题。在此基础上，通过引入角动量守恒，我们严格推导了开普勒三大定律，并分析了椭圆、抛物线和双曲线轨道的物理意义。本章的重点是展示解析力学处理精确可积系统的优越性。 第九章：泊松括号与哈密顿力学 为了进一步抽象化和泛化力学体系，本章引入了正则变换和泊松括号。我们将系统状态从 $(q, dot{q})$ 空间推广到 $(mathbf{q}, mathbf{p})$ 空间（相空间）。泊松括号 ${cdot, cdot}$ 定义了物理量之间相互作用的代数结构，而守恒量则对应于与哈密顿量 ${cdot, H}$ 泊松括号为零的量。时间演化方程（哈密顿方程）被重新表述为： $$dot{q}_k = frac{partial H}{partial p_k}, quad dot{p}_k = -frac{partial H}{partial q_k}$$ 这为量子力学的建立奠定了最直接的代数基础。 第四部分：微扰理论与经典极限 本部分关注实际问题中，那些难以精确求解的系统，展示如何利用渐近方法获得近似解。 第十章：微扰理论基础 我们将系统分解为“可解的”部分和“小的扰动”部分。本章详细介绍了含时微扰理论，用于处理随时间变化的外部作用，计算跃迁概率。同时，也讨论了不含时微扰理论，用于计算系统能量本征值和本征态的修正项。应用案例包括原子系统中的弱电磁场作用分析。 第十一章：正则微扰与经典极限 本章将微扰方法应用于哈密顿力学框架，展示了如何通过规范变换（如哈密顿-雅可比方程）来消除哈密顿量中对坐标或动量的显式依赖，以求得系统的积分形式。我们探讨了这一方法与量子力学中的对应关系，即当普朗克常数 $hbar o 0$ 时，哈密顿力学如何回归到经典力学的极限状态。 --- 本书特色： 强调几何直觉： 不将广义坐标视为一种技巧，而是贯穿始终的几何语言。 严格的数学推导： 对拉格朗日方程和哈密顿方程的每一步推导都力求严谨，避免跳跃。 丰富的习题集： 每章末尾附有难度递进的习题，涵盖了从基础概念检验到复杂系统建模的应用题。 现代物理的桥梁： 全书结构紧密围绕诺特定理和相空间理论展开，为后续学习量子力学、统计物理和混沌理论打下坚实基础。 读者对象： 物理学、应用数学、航空航天工程、机械工程等领域对经典动力学有深入研究需求的人士。

第四部　声与光

第25章　波与振动
25.1 单摆的振动
25.2 波是什么？
25.3 波动
25.4 波速
25.5 横波
25.6 纵波
25.7 干涉
25.8 驻波
25.9 都卜勒效应
25.10 船头波
25.11 冲击波

第26章　声音
26.1 声音的起源
26.2 空气中的声波
26.3 传播声音的介质
26.4 声速
26.5 响度
26.6 强迫振动
26.7 固有频率
26.8 共振
26.9 声波的干涉
26.10 拍

第27章　光
27.1 早期对于光的观念
27.2 光速
27.3 电磁波
27.4 光与透明物质
27.5 不透明物质
27.6 阴影
27.7 偏振
27.8 偏振光及3D视觉

第28章　颜色
28.1 可见光谱
28.2 颜色与反射
28.3 颜色与透射
28.4 阳光
28.5 有色光的混色
28.6 互补色
28.7 颜料的混色
28.8 天空为何是蓝色？
28.9 夕阳为何是红色？
28.10 水为何是青色？
28.11 原子的颜色规则──原子光谱

第29章　反射与折射
29.1 反射
29.2 反射定律
29.3 平面镜
29.4 漫射
29.5 声音的反射
29.6 折射
29.7 声音的折射
29.8 光的折射
29.9 大气的折射
29.10 稜镜中的色散
29.11 彩虹
29.12 全反射

第30章　透镜
30.1 会聚透镜与发散透镜
30.2 透镜成像
30.3 用作图法定像
30.4 关于成像的总结
30.5 常用的光学仪器
30.6 眼睛
30.7 几种视力缺陷
30.8 透镜的缺陷──像差

第31章　绕射与干涉
31.1 惠更斯原理
31.2 绕射
31.3 干涉
31.4 杨氏干涉实验
31.5 薄膜的单色干涉
31.6 薄膜所生成的虹彩
31.7 雷射光
31.8 全像

附录E　光的向量性质

评分☆☆☆☆☆

这本书的标题《观念物理Ⅳ声学．光学》本身就充满了探索的意味。我对“观念物理”这个概念非常着迷，它暗示着这不仅仅是关于声学和光学本身的知识，更是关于我们如何通过“观念”来理解和把握这些物理现象。我希望这本书能提供一种全新的视角，让我能够超越那些冰冷的公式和抽象的定理，去感受声波和光波在宇宙中的律动，去体会它们如何塑造我们的感官世界。我尤其对书中可能涉及到的声学和光学在哲学层面的思考感兴趣，比如声音的本质是什么？光又是如何穿越时空抵达我们的？这本书或许能够给我一些启示，让我看到物理学与我们日常生活的深刻联系，以及那些看似平凡的现象背后所蕴含的非凡智慧。

评分☆☆☆☆☆

我选择这本书，很大程度上是被“观念物理”这个名称所吸引。我总觉得，真正的物理学不仅仅是描述现象，更是关于我们如何理解和建构这些现象的“观念”。声学和光学，这两个看似最熟悉却又常常被忽略的领域，在“观念”的视角下，会展现出怎样的风貌呢？我非常期待在这本书中，能够看到作者如何将抽象的物理概念与人类的认知过程相结合，是如何从最基本的观察出发，一步步构建出声学和光学的大厦。我希望这本书能帮助我理解，为什么我们会听到声音，为什么我们会看到色彩，这些我们习以为常的体验，背后蕴含着多么精妙的物理原理。我也期待能够从中了解到，历史上那些伟大的物理学家是如何在声学和光学领域进行思想的突破，他们是如何从纷繁的现象中提炼出普遍的规律，又是如何用新的“观念”来解释世界的。

评分☆☆☆☆☆

这本书的封面设计就足够吸引眼球了，深邃的蓝色背景，仿佛承载着宇宙的奥秘，而“观念物理”这四个字，更是勾起了我无限的好奇心。我一直对物理学中那些抽象的概念和理论有着浓厚的兴趣，总觉得它们背后隐藏着理解世界运作的钥匙。当我在书店的角落里发现这本书时，我几乎是毫不犹豫地拿下了它。虽然“声学”和“光学”这两个词听起来有些偏向具体的分支，但我相信，在“观念物理”的框架下，它们一定会被赋予更深层次的哲学意义和普适性的理解。我期待着这本书能带领我穿越那些枯燥的公式和定理，直抵物理学思想的本质，去领略那些伟大的先驱们是如何构筑起我们对声音和光明的认知体系的。这本书或许会颠覆我以往对声光现象的浅显认识，让我看到其中蕴含的更普遍的物理规律，甚至能从中窥探到宇宙的某种秩序。我很想知道，作者是如何将声学和光学这两个看似分离的领域，通过“观念”这个视角串联起来的，这其中又会展现出怎样别样的思维火花。

评分☆☆☆☆☆

这本《观念物理Ⅳ声学．光学》给我的第一印象是，它并非一本填鸭式的教科书，而更像是一场智慧的对话。我尤其欣赏它那种引导读者思考的姿态，而非直接给出答案。翻开书页，我仿佛置身于一个开放的讨论空间，作者如同一个经验丰富的向导，带领我在声学和光学的领域里漫步，时而抛出一些发人深省的问题，时而又娓娓道来那些经典实验背后的故事。这种叙述方式非常吸引人，让我感觉自己不是在被动接受知识，而是在主动探索和发现。我期待能从这本书中了解到，声波和光波在本质上究竟有哪些共通之处，它们是如何在不同的介质中传播，又如何在我们的感官中转化为我们所体验到的世界。特别是关于光的波动说和粒子说的争论，以及声波的衍射和干涉现象，我希望这本书能用一种既严谨又富有诗意的方式来解读，让我看到这些物理概念背后的人类智慧和探索精神。

评分☆☆☆☆☆

我之所以被《观念物理Ⅳ声学．光学》这本书吸引，是因为它承诺了对物理学概念的深度挖掘。我一直认为，物理学中最迷人的地方，在于它能够解释我们周围世界的基本运作方式，而声学和光学则是我们感知世界最直接的两个途径。我希望这本书能以一种引人入胜的方式，揭示声音和光背后的深刻原理，而不仅仅是罗列事实。我期待能够在这本书中，看到作者如何将那些复杂的物理现象，通过清晰的逻辑和生动的例子，转化为易于理解的“观念”。我尤其对声波的传播机制、光的衍射和干涉等经典概念，在“观念物理”的框架下会有怎样的全新解读感到好奇。这本书或许能够帮助我打破对声光现象的表面认知，去探寻它们更本质的物理内涵。