1分鐘物理2：皮卡丘發的是直流電還是交流電？ (電子書) pdf epub mobi txt 电子书 下载 2025

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中國科學院物理研究所

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物理学奇妙之旅：从微观粒子到宇宙奥秘 本书旨在带领读者深入探索物理学的核心概念与迷人现象，涵盖从日常生活中的简单力学到宇宙深处的宏大结构。我们致力于以清晰、生动的语言，揭示隐藏在自然界背后的基本规律，激发读者对科学探索永无止境的好奇心。 第一部分：运动与力——经典物理学的基石 本部分将聚焦于牛顿力学，这是理解物体如何运动的基础。我们将从最基本的概念入手，如位移、速度和加速度，逐步过渡到描述物体受力后状态变化的动力学原理。 1. 运动学的几何描述 我们首先探讨如何精确地描述物体的位置变化。本章将详细解析标量与矢量，区分瞬时速度与平均速度。通过大量的实例分析，读者将掌握如何利用微积分的初步思想来处理速度与加速度的非恒定变化情况，例如，物体在重力作用下的抛体运动分析，以及圆周运动中向心力的本质。重点在于建立起“位置—时间”图和“速度—时间”图的直观联系。 2. 牛顿定律的威力 牛顿三定律是整个经典力学的核心支柱。第一定律（惯性定律）将帮助我们理解力与运动状态改变之间的关系。第二定律 ($mathbf{F} = mmathbf{a}$) 将作为核心工具，用于定量分析物体所受合力与其运动变化率之间的关系。我们将深入讨论质量的定义，区分惯性质量与引力质量。第三定律（作用力与反作用力）则引导我们观察相互作用的普遍性。 3. 功、能与守恒律 能量是物理学中最基本、最核心的概念之一。本章将定义“功”的概念，并阐述动能定理——功与动能的变化量之间的关系。随后，我们将引入势能的概念，如重力势能和弹性势能，并深入探讨机械能守恒定律。守恒定律的强大之处在于，即使在复杂系统中，只要满足特定条件（保守力做功），我们就能预测系统的最终状态，而无需追踪每一步的详细过程。此外，我们将讨论非保守力（如摩擦力）如何影响能量转化，并引出热力学中的能量观点。 4. 动量与碰撞 动量是描述物体运动状态的另一个重要物理量。本章将详细分析动量守恒定律的应用，特别是在涉及碰撞、爆炸等相互作用的短时间过程中的重要性。我们将区分完全弹性碰撞和非弹性碰撞，并探讨动量守恒在火箭推进等工程应用中的体现。 5. 振动与波 振动是自然界中最普遍的现象之一，从钟摆的摆动到分子内部的振动。本章将聚焦于简谐振动（SHM），推导出其运动方程，并分析弹簧振子和单摆的特性。在此基础上，我们将概念延伸到波的传播，区分横波与纵波，深入理解波的叠加原理、干涉与衍射现象，为后续学习波动光学和声学打下坚实基础。 第二部分：场论——从引力到电磁场 经典物理学的伟大成就体现在对场现象的描述上，本部分将引导读者探索塑造宇宙结构和驱动现代技术发展的两大基本场：引力场和电磁场。 6. 万有引力：宇宙的编织者 本章从开普勒定律出发，最终导向牛顿的万有引力定律。我们将详细分析引力场的概念，以及如何利用高斯引力定律来计算具有特定对称性的物体的引力场分布。我们将讨论引力势能，并展望爱因斯坦的广义相对论如何修正牛顿理论，解释水星近日点的进动等现象。 7. 静电学：电荷的奥秘 我们将从电荷的基本性质（电荷守恒、电荷的量子化）开始，引入库仑定律。电荷场是矢量场，我们将使用电场强度来描述它。本章的重点是电场的叠加原理和高斯电场定律，后者是求解静电场问题的有力工具。通过分析电荷在电场中受到的力，我们将自然过渡到电势的概念，将复杂的电场问题转化为更易于处理的标量势能问题。 8. 电路的电流与磁场 本章将从稳恒电流开始，介绍欧姆定律、电阻的串联与并联。随后，我们将引入磁场。磁场与电荷的运动相关联，洛伦兹力公式将是描述磁场对运动电荷作用的核心。我们将探索电流产生的磁场，利用安培定律来求解稳恒电流磁场问题。 9. 电磁感应与麦克斯韦方程组 法拉第电磁感应定律揭示了变化的磁场如何产生电场，这是发电机和变压器工作的物理基础。本章将整合所有电磁现象——静电场、稳恒电流、磁场和电磁感应——最终汇集于伟大的麦克斯韦方程组。这组方程不仅完美地统一了电与磁，更预言了电磁波的存在及其传播速度，为我们理解光本质提供了钥匙。 第三部分：热力学与统计物理——宏观与微观的桥梁 热力学是研究能量转换和物质宏观性质的学科，而统计物理则试图从微观粒子的随机运动中解释这些宏观规律。 10. 热学基础与气体定律 本章介绍温度的概念及其测量。我们将从经验气体定律（如玻意耳定律、查理定律）出发，最终推导出理想气体状态方程 $PV=nRT$。我们将深入探讨宏观量如压强和温度的统计学意义——压强是大量分子撞击器壁的宏观体现，而温度则正比于分子平均平动动能。 11. 热力学定律 热力学定律是物理学中最具普适性的定律之一。第一定律是能量守恒定律在热力学过程中的表达，涉及内能、热量和功。第二定律引入了熵（Entropy）的概念，定义了过程的方向性，阐述了“孤立系统中的熵永不减少”的宇宙趋势。第三定律则指出了绝对零度的不可达到性。我们将应用这些定律分析热机的工作效率（卡诺循环）。 12. 统计力学的视角 本章开始构建微观与宏观之间的桥梁。我们将探讨麦克斯韦-玻尔兹曼速度分布，理解为什么气体分子具有不同的速度。通过对分子平均自由程、平均碰撞时间和平均平动动能的计算，读者将能用分子的运动来解释宏观的热力学现象，如扩散和热传导。 第四部分：现代物理的曙光——量子世界与相对论 进入20世纪，人类对时间和空间、物质和能量的认识被彻底颠覆，本部分介绍支撑现代科技的两大革命性理论。 13. 光的粒子性与物质的波动性 本章将回顾经典物理学在解释黑体辐射和光电效应时遭遇的困境。普朗克的量子假说（能量量子化）和爱因斯坦的光子概念（光的粒子性）是如何解决这些难题的。随后，德布罗意提出物质波的假设，指出电子等粒子也具有波动性，这为量子力学的建立奠定了基础。 14. 量子力学的基本概念 我们将介绍波函数的概念及其概率解释（玻恩诠释）。薛定谔方程，作为量子力学的核心动力学方程，将被引入，虽然不进行复杂求解，但会解释其在描述粒子行为中的作用。我们将讨论不确定性原理——对粒子位置和动量之间固有模糊性的深刻理解。通过对“无限深势阱”等简单模型的分析，读者将领略量子化能级的奇特景象。 15. 狭义相对论：时空的革命 狭义相对论建立在两条基本假设之上：光速不变原理和相对性原理。本章将探讨其带来的颠覆性结论：时间和空间的相对性。我们将推导洛伦兹变换，理解时间膨胀和长度收缩的现象。最重要的成果之一是质能方程 $E=mc^2$，揭示了质量与能量的内在等价性，为核物理学奠定了理论基础。 16. 原子结构与核物理初步 从卢瑟福的原子核模型开始，我们将介绍玻尔模型，理解电子的定态和能级跃迁。随后，我们将简要介绍原子核的结构，探讨核力的特点以及放射性衰变（α, β, γ衰变）的规律。最后，我们将简单介绍核裂变和核聚变的概念，它们是理解恒星能量来源和核能利用的关键。 本书旨在提供一个全面而连贯的物理学框架，帮助读者理解自然界从宏观到微观的运作机制，为进一步深入学习专业物理学打下坚实的基础。