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| 內容簡介： |
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《马祖尔物理学》包含《原理篇》和《实践篇》。《原理篇》讲授物理知识，每章分为两部分：第壹部分为基本概念，通过定性描述与插图示意，用浅显的语言描绘概念框架，帮助学生建立物理图像，理解概念和规律的本质；第二部分为定量研究，用数学工具分析物理思想。《实践篇》主要涉及对知识的应用与解题方法的介绍。《马祖尔物理学》系埃里克·马祖尔教授在开发并使用同伴教学法后，历经20余年的教学磨砺，精心打造而成。全书以守恒律为基本框架，从实验和生活中的例子出发，使用真实数据，强调物理建模，细化推理过程，渗透近代物理知识。书中的每一个例题都使用了与科学家实际工作流程相似的问题解决框架，包括四个重要环节：分析问题(Getting started)、设计方案(devise plan)、实施推导(execute plan)、评估结果(evaluate result)，将科学研究方法细化和外显，目的是借助问题教会学生科学的思维方法，培养其创新能力。马祖尔教授认为，“学习不是机械地记忆，而是通过思考和反思体会到发现的乐趣，掌握必要的科学思维方法，以便将来更好地工作。”可以说，这部《马祖尔物理学》不仅具有前沿科学家的专业视角，又具有教学教法的适用性，是一部“仰望天空，脚踏实地”的教材，弥补了我国一般大学物理教材的不足，可以有效地支持教学改革和创新。
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| 關於作者： |
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作 者 简 介埃里克·马祖尔是哈佛大学物理与应用物理学“巴尔坎斯基”讲席教授，应用物理方向的负责人。他是光学和教育学领域的著名科学家，同时也是广受欢迎的作家和演说家。在荷兰莱顿大学获得博士学位后，马祖尔教授赴哈佛大学工作。2012年，他被巴黎综合理工大学和蒙特利尔大学授予荣誉博士学位。他是荷兰皇家科学院院士，还是中国科学院半导体研究所、北京工业大学激光工程研究院和北京师范大学的荣誉教授。马祖尔教授曾在卡内基梅隆大学、俄亥俄州立大学、宾夕法尼亚州立大学、普林斯顿大学、范德比尔特大学、香港大学、比利时鲁汶大学和台湾大学等多所高校担任客座教授或杰出讲师职务。除了光学之外，马祖尔教授还对教育、科技政策、科技应用以及公共科学教育等领域甚感兴趣。1990年，他提出了同伴教学法，将交互式教学运用于大班教学中。这种教学方法在美国国内和国际上广为传播，其他许多学科也将这一方法应用于教学实践之中。马祖尔教授的著述包括250余篇论文和专著以及20余项专利。他在教育学方面的著作Peer Instruction：A User’s Manual（Pearson，1997）介绍了在大班实现交互式教学的方法。2006年，在他的帮助下，获奖DVD《交互教学》（Interactive Teaching）录制完成。此外，他还是教学平台“Learning Catalytics”的创始人之一，该教学平台能在课堂教学中通过交互式教学提高学生的解题能力。中文版《同伴教学法：大学物理教学指南》已由机械工业出版社出版。
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第1章绪论111科学方法212对称性413物质和宇宙614时间和变化815表征916物理量和单位1417有效数字1718解题2019估算23第2章一维运动2821从现实到模型2922位置和位移3023描述运动3224平均速率和平均速度3425标量和矢量3926位置矢量和位移矢量4127速度矢量4528匀速运动4629瞬时速度48第3章加速度5331速度的改变5432重力加速度5533抛体运动5734运动简图5935匀加速运动6336自由落体方程6637斜面6938瞬时加速度70第4章动量7541摩擦力7642惯性7643决定惯性的要素8044系统8145惯性质量标准8646动量8747孤立系统8948动量守恒定律94第5章能量10151碰撞的分类10252动能10353内能10554封闭系统10855弹性碰撞11256非弹性碰撞11557能量守恒11658爆破分离118第6章相对性原理12161运动的相对性12262惯性参考系12463相对性原理12664零动量参考系13065伽利略相对性13366质心13767可转化动能14268守恒定律和相对性145第7章相互作用14871相互作用的效果14972势能15273能量耗散15374源能量15675相互作用范围15876基本相互作用16077相互作用和加速度16478无耗散相互作用16579地面附近的势能168710耗散相互作用171第8章力17681动量和力17782力的相互作用17883力的分类18084平动平衡18185分体受力图18286弹簧和张力18487运动方程18888重力19189胡克定律192810冲量194811两体相互作用196812多体相互作用198第9章功20291力位移20392正功和负功20493能量图20694系统的选择20895对单个质点所做的功21396对多个质点构成的系统所做的功21697变力与分布力22098功率223第10章平面运动226101直线运动是一个相对概念227102平面矢量228103力的分解231104摩擦力234105功和摩擦力235106矢量代数238107二维抛体运动240108二维碰撞和动量242109功的标量积表达式2431010摩擦系数248第11章圆周运动254111匀速圆周运动255112力与圆周运动259113转动惯量262114转动运动学264115角动量269116延伸物体的转动惯量274第12章力矩281121力矩和角动量282122自由转动285123扩展性分体受力图286124转动的矢量性质288125角动量守恒293126滚动297127力矩和能量302128矢积304第13章引力308131万有引力309132引力和角动量314133重量317134等效原理320135引力常量325136引力势能326137天体力学329138球体产生的万有引力334第14章狭义相对论337141时间的测量338142同时的相对性341143时空间隔345144物质与能量350145钟慢效应355146尺缩效应360147动量守恒364148能量守恒368第15章周期性运动374151周期性运动和能量375152简谐运动377153傅里叶定理379154简谐运动的回复力381155简谐振子的能量385156简谐运动和弹簧389157回复力矩393158阻尼振动396第16章一维波400161波的图形表示401162波的传播404163波的叠加409164边界效应411165波函数416166驻波421167波速424168波的能量传递426169波动方程429第17章二维波和三维波433171波阵面434172声波436173干涉439174衍射445175波的强度448176拍451177多普勒效应454178冲击波459第18章流体463181流体中的力464182浮力469183流471184表面效应475185压强与重力482186流体中的压强487187伯努利方程491188黏度与表面张力494第19章熵501191态502192能量均分505193空间均分507194向概然态演化509195熵与体积的关系514196熵与能量的关系519197单原子分子理想气体的性质523198单原子分子理想气体的熵526第20章热能的传输529201热交换530202温度的测量534203热容537204PV图与热力学过程541205功与能547206理想气体的等体过程与绝热过程549207理想气体的等压过程与等温过程551208理想气体的熵变555209液体与固体的熵变559第21章能量的退化562211能量的转化563212能量的品质566213热机与热泵570214热力学循环575215能量传输中的熵变580216热机效率583217卡诺循环587218布雷顿循环589第22章电相互作用593221静电594222电荷595223载流子的移动598224电荷的极化602225库仑定律606226电荷连续分布时静电力的计算610第23章电场615231电场模型616232电场图618233电场的叠加原理619234电场和静电力622235带电粒子的电场626236电偶极子627237连续分布电荷的电场629238电场中的电偶极子634第24章高斯定理639241电场线640242电场线密度642243闭合曲面643244对称性与高斯面645245带电导体648246电通量652247高斯定理的推导654248高斯定理的应用656第25章静电学中的功和能663251电势能664252静电力的功665253等势667254静电场中的功和能671255电势差674256电荷连续分布时电势的计算680257由电势求电场强度682第26章电荷的分离和储存685261电荷的分离686262电容器688263电介质692264原电池和电池694265电容697266电场能和电动势700267相对介电常数703268有电介质存在时的高斯定理707第27章磁相互作用710271磁性711272磁场713273电荷运动与磁场715274磁力的相对性718275电流与磁场723276磁通量725277带电粒子在电磁场中的运动727278电力和磁力的相对性731第28章运动电荷产生的磁场735281磁场的来源736282载流线圈与自旋磁性737283磁偶极矩和力矩739284安培环路742285安培环路定理746286螺线管和螺绕环749287电流产生的磁场752288运动电荷产生的磁场755第29章变化的磁场759291导体在磁场中的运动760292法拉第定律762293伴随着变化磁场产生的电场763294楞次定律764295感应电动势769296伴随着变化磁场产生的电场773297自感775298磁能777第30章变化的电场781301伴随着变化电场产生的磁场782302运动电荷的场785303振荡电偶极子和天线788304位移电流794305麦克斯韦方程组798306电磁波801307电磁场的能量806第31章电路811311基本电路812312电流与电阻814313节点与多回路816314导体内的电场819315电阻和欧姆定律824316单回路电路828317多回路电路833318电路的功率838第32章电子学842321交变电流843322交流电路845323半导体849324二极管晶体管逻辑门851325电抗857326RC串联电路和RLC串联电路862327共振869328交流电路的功率871第33章光线光学875331光线876332吸收透射反射877333折射和散射880334成像884335折射定律891336薄透镜和光学仪器894337球面镜901338透镜设计公式904第34章波动光学和粒子光学908341光的衍射909342衍射光栅911343X射线衍射914344物质波918345光子919346多缝干涉923347薄膜干涉928348单缝衍射930349圆孔和分辨率极限9313410光子的能量和动量935
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致 学 生说一些关于我的事情。我的人生规划目标明确，但结果却总是在意料之外。7岁时，爷爷送给我一本天文书。在荷兰成长的日子里，我对太阳系的结构、银河与宇宙着了迷。记得当时我难以理解空间的无限性，问了许多人也没得到满意的答案。后来我对太空与太空探索深感兴趣，期望将来能成为一名天文学家。尽管高中时我物理学得不错，但上大学后还是选择了天文学作为自己的专业。但仅仅几个月后，我对天文学的兴趣就烟消云散了。在课堂上，我没有学到神奇宇宙的结构，学到的都是类似赤经、赤纬、半长轴、偏心率这样令人头痛的概念。对天文学失去兴趣后，我转专业到了物理。比起天文学，学习物理的感觉也好不到哪里去。我靠死记硬背学习物理，一点也没体会到科学之美。直到研究生阶段，我才认识到科学之美。当时我并不想从事学术研究，只想做点有实用价值的工作。在博士毕业前，我的计划是从事与光盘制造有关的工作。尽管如此，我还是选择了先做一年的博士后再说。这一年可真长啊！出站后，我成了一名青年教师，从此开始了我的教学生涯。这时我才意识到将研究（发现宇宙的奥秘）和教学（帮助他人认识宇宙之美）结合起来是一项多么奇妙的工作。开始教学后，我发现所有的教师都采取同一种模式——课堂授课的形式——开展教学活动。我花了将近10年的时间终于认识到我的课和当初自己听的课没有太大的区别，在课堂上学生通过机械记忆的方式学习教师所教的内容。我并没有向学生展示科学之美，只是不断地向学生重复讲授物理知识。在发现学生对基本的概念都没有掌握之后，我决定彻底改变过去的教学模式。我不再采取课堂授课的形式，而是课前向学生发放讲义，课堂上通过提问激发学生的思考，通过小组讨论让他们体验发现的乐趣。20年后，这些讲义汇集成了这本教材。你可以把这本书看成是我的课程，在这个课程中，你不是机械地记忆所学的内容，而是通过思考和反思体会发现的乐趣。期望通过学习本课程，你能够掌握必要的思维技能，以便将来更好地工作。请记住：你的未来可能和你的初衷大不相同。衷心期待你的反馈。欢迎通过邮件和推特与我联系。这本书为你而写。埃里克·马祖尔于马萨诸塞州剑桥市推特账号：@eric_mazur电子邮件：mazur@harvard.edu致教师致教师致 教 师有人说，教学的人才是在课堂上学得多的人。的确，教学工作让我认识到许多过去没有体会到的观点。当然，编写这本书，也是一次令人激动的智慧之旅。为什么要写一本新的物理教材1993年5月，我应邀参加罗伯特·内斯尼克的荣休会议。在驱车前往纽约州特洛伊市的路上，我的朋友，马萨诸塞大学教授阿尔伯特·艾特曼问我是否熟悉马赫讲授物理的方式，我回应并不了解。马赫在运动定律之前讲授动量守恒，他的力学体系对爱因斯坦产生了重大影响。通过实验观察，而不是牛顿定律以及力的概念来介绍动量守恒，这样的讲法立刻使我产生了兴趣。毕竟由于力只用于力学而不出现在量子物理中，所以多数物理学家并不使用力这个概念。守恒定律贯穿于整个物理，比牛顿定律显得更加基础。此外，守恒定律只涉及代数，而学习牛顿定律却需要掌握微分方程。在我看来，马赫的做法还可以进一步探讨。是否可以在讲授动量守恒和能量守恒之后讲授力的概念？毕竟物理教学研究表明，在学习力的概念时，学生很容易犯错。此外，使用运动学和动力学知识费力推导出的公式，通过守恒定律往往只需要几步就可以推导出来。何不尝试一番新的思路？经过多年的教学实践，我围绕守恒定律制定了基础物理的新框架。守恒原理贯穿全书，使得本书的结构显得更加统一和现代。编写这本教材的另一个目的来自我的教学实践。许多教材的重点在于知识的获取以及程序性知识的介绍，而相对忽视概念的理解以及在新的情景下知识的应用。基于这一问题，我对本书的结构做了适当调整。在编写过程中，也参考了许多物理教学研究（包括本课题组的工作）的研究成果。本书的内容浅显易懂，方便学生自学，这样教师可以减少授课时间，将更多的课堂时间用于知识的整合、课堂讨论以及课堂练习。设定新的标准由于惰性和因熟悉而产生的偏好，教材的标准一直难以改变。教基础课是一项繁重的工作，一旦课程形成，改变起来就很难。不少人认为，标准课程适用于我们自己，当然也适用于我们的学生。的教育研究显示上面的说法是不正确的。我们的学生和我们并不相同，他们中的大部分学习物理仅仅是培养计划的要求，许多学生在学习基础物理学之后便不再接触任何物理课程。物理教育研究显示标准教材并不适于这些学生的学习。由于物理系对非物理专业物理教育压力的增加，物理教学正在发生改变。这些变化反过来需要我们编写一本从形式到内容都符合新教育理念的教材。关于本书内容的组织在思考基础力学教学的方案之后，我觉得传统的教学计划确实需要反思。比如，在标准的教材中，一些概念被反复定义，引起了学生思维的混乱。（例如，标准教材中功的定义就和热力学定律不搭配，在近代物理部分能量也被重新定义。）另一个困扰我的问题是对经典物理和近代物理的人为区分。对于大多数教材，一般在前30多章介绍20世纪以前的物理学，将“近代物理”部分放在课程的后。这样的区分完全没有必要，我们的目标是基于目前对物理的理解，以适合的方式向学生讲授物理知识。所有的物理知识都是近代的。和标准教材的内容组织相比，本书的内容具有以下特点：强调守恒原理正如前面谈到的，本书更早介绍守恒原理，并把它们作为知识框架的基础。这样做的优点很多。首先，避免了许多讲授力的概念时容易出现的理解错误，自然而然地得到力的两体属性和相关运动定律。其次，通过守恒原理，学生不使用微积分计算也可以解决许多问题。事实上，对于复杂系统，运用守恒原理解题往往是直接（）的方法。后，通过实验观察得到守恒原理，更容易建立相关原理与现实的联系。我和其他几位教师采取了这一思路授课，通过诸如力学基本题库的测试题考查，发现学生解决动量和能量问题的能力有了显著的提高。更早强化系统的概念多数物理模型需要从环境中分离出系统。物理学家会下意识地认为这是理所当然的，因为这对他们来说太基本了，这就导致了标准教材往往会忽视这一步骤。本书在守恒原理中引入系统的概念，并在后续内容中不断使用系统这一概念。推迟引入矢量的概念多数基础物理教材都会讨论一维条件下的物理问题，并将多维问题通过矢量标记分解成若干个一维问题。在这种情况下，一维问题显得格外重要。标准教材过早地引入矢量，增加了学生学习运动学的难度。本书基于一维运动完整地构建了运动学与动力学框架。仅在介绍转动时，讨论二维运动。这样，学生可以将注意力集中在对物理概念的理解上。即时引入物理概念只要条件允许，本书即在必要的情况下引入物理概念。这样，学生可以及时将概念运用于练习之中，方便知识的融合。整合近代物理有关教学计划的调查显示，在美国少于一半的基于微积分的物理课程涉及近代物理。本书将近代物理的内容整合在全书内容中。例如：在力学的后，即第14章，介绍了狭义相对论；在第32章，电子学部分，介绍了半导体与半导体器件；在第34章，波动光学与粒子光学中，包含了有关量子化与光子的内容。模块化本书采取模块化的组织形式，方便不同教学大纲的使用（见表1 “教学模块”）。表1教学模块主题章节可以插入到以下章节之后可被忽略而不影响连续性的章节力学波动学流体热学电磁学电路光学1～1415～171819～2122～3031、3233、341291012（但29、30需以17为基础）26（但32需以30为基础）176、13、1416、172129、303234本书内容涉及两个较长的单元（力学与电磁学）和五个较短的单元。两个较长的单元将近代物理的基本概念嵌入物理学基本图像的教学之中，可用于支撑两个学期或三个小学期的教学。剩下的内容可以在课时更多的课程或快班教学中引入。五个较短的单元尽管和前面的内容有关，但相对自成体系，在授课中可灵活处理。在章节或单元的末尾，提供了进阶材料供学生阅读。教学方法本书涉及我的教学生涯或他人教学研究中使用的模式或技术，主要包括以下几点：将物理概念和数学工具分开每章分为两部分：基本概念和定量研究。在基本概念部分，建立和主题有关的概念框架并讨论学生遇到的常见问题。这一部分强调相关物理思想的理解和物理图像的建立，尽量不出现数学公式。在定量研究部分，主要介绍如何运用数学工具分析问题。归纳的方法，思想优先于概念与公式只要可能，尽量不通过一般性原理推导，而是通过观察归纳出物理规律。这样做更方便学生理解有关内容。根据同样的思路，在介绍物理概念和公式之前，先介绍有关物理思想。与实验及体验紧密联系物理是一门源于观察的科学，本书的内容安排也遵循这一规律。定律尽可能不直接陈述，而是通过对实验的观察（学生也可以做到的）引出。多数章节通过真实数据说明物理定律，在编写中尽量使用日常生活中的例子，按照从特殊到一般的方式引入新的物理思想。与本书的做法相反，标准教材总是先给出物理定律的一般形式，然后说明这些定律符合某些（通常是高度理想化的）特例。这样，物理世界和真实世界成了两个完全不同的体系。解决物理难题我强烈反对不真实的情景，对真实世界中的复杂问题在教材中也进行了处理。 比如在教材中使用“无摩擦”和“无质量”的词语，会传递给学生物理世界并不真实的信息，学生甚至会认为物理世界与真实世界并不相关。通过在解题过程中指出摩擦力和质量可以忽略的原因，可以避免学生出现上述问题。吸引学生的注意力教育不仅仅是知识的传递，还需要通过吸引学生的注意力以强化对知识的理解。为了实现这一点，教材的内容通过作者与读者间对话的形式展开，以吸引读者的注意。此外，本书通过在内容中插入自测点，达到激发读者思考的目的。自测点后面的内容将直接引用自测点的结果作为讨论的依据。在书的后，给出了自测点的参考答案，参考答案的编写侧重物理思想与发现。可视化视觉图像对于物理十分重要，我在编写教材之前先根据各章的内容绘制了插图。许多插图通过不同的表征形式帮助学生理解物理量之间的联系，
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