第1章 物理學是基礎科學 1
1．1 能量是怎麼迴事？ 2
1．1．1 全球變暖的爭論 2
1．1．2 能量是怎樣捲入的？ 3
1．1．3 物理學和能量 3
1．2 科學事業 4
1．2．1 科學和彩虹 4
1．2．2 什麼是科學方法？ 5
1．2．3 應當如何介紹科學？ 6
1．2．4 可以討論的問題 6
1．3 物理學的範圍 7
1．3．1 物理學如何定義？ 8
1．3．2 物理學的主要分支有哪些？ 8
1．4 測量和數學在物理學中的作用 9
1．4．1 為什麼測量這麼重要？ 9
1．4．2 數學能幫什麼忙？ 10
1．4．3 為什麼使用公製單位？ 10
1．5 物理學和日常現象 11
1．5．1 為什麼要研究日常現象？ 11
小結 12
關鍵術語 13
第1單元 牛 頓 革 命
第2章 運動的描述 16
2．1 平均速率和瞬時速率 17
2．1．1 平均速率的定義 17
2．1．2 速率的單位 17
2．1．3 瞬時速率 18
2．1．4 可以討論的問題 19
2．2 速度 20
2．2．1 速率和速度的區彆 20
2．2．2 矢量 21
2．2．3 瞬時速度的定義 21
2．3 加速度 21
2．3．1 平均加速度的定義 22
2．3．2 瞬時加速度的定義 23
2．3．3 加速度的方嚮 23
2．3．4 汽車速率不變時能作加速運動嗎？ 23
2．4 運動的圖形錶示 24
2．4．1 一幅圖形能告訴我們什麼？ 24
2．4．2 速度圖和加速度圖 25
2．4．3 能從速度圖求走過的距離嗎？ 26
2．5 勻加速運動 27
2．5．1 勻加速運動中速度怎樣變化？ 28
2．5．2 走過的距離如何隨時間變化？ 28
小結 29
關鍵術語 30
第3章 落體運動和拋體運動 31
3．1 重力引起的加速度 32
3．1．1 如何測量重力加速度？ 32
3．1．2 伽利略關於落體運動的想法與
亞裏士多德的想法有何不同？ 34
3．2 落體追蹤 34
3．2．1 速度如何隨時間變化？ 35
3．2．2 小球在不同時間裏下落多大的距離？ 35
3．2．3 下扔小球 36
3．3 嚮上扔球 38
3．3．1 小球的速度如何變化？ 38
3．3．2 小球能飛到多高？ 39
3．4 拋體運動 40
3．4．1 拋體的軌跡是什麼樣子？ 40
3．4．2 飛行時間由什麼決定？ 41
3．5 打靶 42
3．5．1 槍支射齣的子彈會下落嗎？ 42
3．5．2 橄欖球的飛行 43
3．5．3 怎樣能達到最大的距離？ 43
小結 46
關鍵術語 46
第4章 牛頓運動定律：運動的解釋 47
4．1 曆史簡述 48
4．1．1 亞裏士多德關於運動的原因有何
看法？ 48
4．1．2 伽利略怎樣挑戰亞裏士多德的看法？ 49
4．1．3 牛頓完成瞭什麼業績？ 49
4．2 牛頓第一定律和第二定律 51
4．2．1 什麼是牛頓第一運動定律？ 51
4．2．2 力和加速度有什麼關係？ 51
4．2．3 力怎樣相加？ 52
4．3 質量和重量 54
4．3．1 如何對質量進行比較？ 54
4．3．2 如何定義重量？ 54
4．3．3 為何重力加速度與質量無關？ 55
4．4 牛頓第三定律 56
4．4．1 第三定律怎樣幫助我們定義力？ 56
4．4．2 怎樣用第三定律來證認力？ 56
4．4．3 一頭騾子能夠加速一輛小車嗎？ 57
4．4．4 什麼力使汽車加速？ 57
4．5 牛頓定律的應用 59
4．5．1 推椅子時涉及哪些力？ 59
4．5．2 跳傘運動員不開傘時會持續加速嗎？ 60
4．5．3 小球扔齣後發生瞭什麼事情？ 61
4．5．4 怎樣分析連接在一起物體的運動？ 61
小結 62
關鍵術語 63
第5章 圓周運動、行星和引力 64
5．1 嚮心加速度 65
5．1．1 什麼是嚮心加速度？ 65
5．1．2 怎樣求速度的改變量?v？ 66
5．1．3 嚮心加速度的大小有多大？ 66
5．1．4 什麼力産生嚮心加速度？ 66
5．2 嚮心力 67
5．2．1 什麼力幫助汽車順利通過彎道？ 67
5．2．2 彎道修成內低外高會發生什麼？ 69
5．2．3 坐摩天輪時遇到哪些力？ 70
5．3 行星運動 71
5．3．1 早期的天界模型是什麼樣？ 71
5．3．2 哥白尼與托勒密的模型有何區彆？ 72
5．3．3 開普勒行星運動定律 73
5．4 牛頓萬有引力定律 75
5．4．1 牛頓有什麼驚人發現？ 75
5．4．2 什麼是牛頓萬有引力定律？ 75
5．4．3 重量與引力定律怎樣關聯？ 76
5．4 月亮和其他衛星 77
5．4．1 如何解釋月相？ 77
5．4．2 月亮服從開普勒定律嗎？ 78
5．4．3 人造衛星的軌道 79
5．4．4 可以爭論的問題 79
小結 80
關鍵術語 81
第6章 能量和振動 82
6．1 簡單機械、功和功率 83
6．1．1 什麼是簡單機械？ 83
6．1．2 功怎麼定義？ 84
6．1．3 任何力都做功嗎？ 84
6．1．4 功和功率有什麼關係？ 85
6．2 動能 85
6．2．1 如何定義動能？ 85
6．2．2 什麼是負功？ 86
6．2．3 汽車的停車距離 86
6．3 勢能 87
6．3．1 什麼是重力勢能？ 87
6．3．2 勢能的實質是什麼？ 87
6．3．3 什麼是彈性勢能？ 88
6．3．4 什麼是保守力？ 89
6．4 能量守恒 89
6．4．1 擺在擺動時的能量有何變化？ 89
6．4．2 能量守恒是什麼意思？ 89
6．4．3 為什麼使用能量的概念？ 90
6．4．4 能量分析為何像計賬似的？ 91
6．4．5 可以爭論的問題 92
6．5 彈簧和簡諧運動 94
6．5．1 拴在彈簧上的質塊的振動 94
6．5．2 什麼是周期和頻率？ 95
6．5．3 任何迴復力都産生簡諧運動嗎？ 95
小結 96
關鍵術語 97
第7章 動量和衝量 98
7．1 動量和衝量 99
7．1．1 小球彈跳時發生瞭什麼事？ 99
7．1．2 怎樣分析如此快速的變化？ 99
7．1．3 什麼是衝量和動量？ 100
7．1．4 如何應用衝量-動量原理？ 100
7．2 動量守恒 102
7．2．1 動量為何及何時守恒？ 103
7．2．2 動量守恒和碰撞 103
7．3 反衝 104
7．3．1 什麼是反衝？ 104
7．3．2 獵槍的反衝 105
7．3．3 火箭怎麼工作？ 105
7．4 彈性碰撞和非彈性碰撞 106
7．4．1 什麼是完全非彈性碰撞？ 106
7．4．2 碰撞中能量守恒嗎？ 106
7．4．3 颱球彈跳時發生瞭什麼事？ 107
7．5 互成一角度的碰撞 108
7．5．1 二維非彈性碰撞 108
7．5．2 二維彈性碰撞 110
7．5．3 可以討論的問題 111
小結 111
關鍵術語 112
第8章 固體的轉動 113
8．1 什麼是轉動？ 114
8．1．1 角位移和角速度 114
8．1．2 什麼是角加速度？ 115
8．1．3 恒定角加速度 115
8．1．4 綫速度和角速度有什麼關係？ 116
8．2 轉矩和杆秤 116
8．2．1 杆秤何時平衡？ 116
8．2．2 什麼是轉矩？ 117
8．2．3 多個轉矩如何相加？ 118
8．2．4 什麼重心？ 118
8．3 轉動慣量和牛頓第二定律 119
8．3．1 什麼是轉動慣量？ 119
8．3．2 適用於轉動的牛頓第二定律 120
8．3．3 求鏇轉木馬的轉動慣量 121
8．4 角動量守恒 122
8．4．1 什麼是角動量？ 122
8．4．2 角動量何時守恒？ 122
8．4．3 滑冰運動員自轉速率的變化 123
8．4．4 開普勒第二定律 124
8．5 騎自行車和其他驚人絕技 125
8．5．1 角動量是矢量嗎？ 125
8．5．2 角動量和自行車 126
8．5．3 鏇轉凳和陀螺 127
小結 129
關鍵術語 130
第2單元 流體的行為和熱學
第9章 流體的行為 132
9．1 壓強和帕斯卡原理 133
9．1．1 壓強如何定義？ 133
9．1．2 什麼是帕斯卡原理？ 134
9．1．3 水壓機如何工作？ 134
9．2 氣壓和氣體的行為 135
9．2．1 怎樣測量氣壓？ 135
9．2．2 氣壓如何變化？ 136
9．2．3 空氣柱的重量 137
9．2．4 氣體的體積如何隨壓強改變？ 138
9．3 阿基米德原理 140
9．3．1 什麼是阿基米德原理？ 140
9．3．2 浮力來源於什麼？ 140
9．3．3 有哪些力作用在浮體上？ 141
9．3．4 為何一艘鋼船會浮在水麵上？ 142
9．3．5 氣球何時上浮？ 142
9．4 運動的流體 143
9．4．1 為什麼流速會變？ 143
9．4．2 黏性如何影響流動？ 144
9．4．3 層流和湍流 145
9．5 伯努利原理 146
9．5．1 什麼是伯努利原理？ 146
9．5．2 管道和軟管中各處壓力如何變化？ 146
9．5．3 氣流和伯努利原理 147
9．5．4 商店前的廣告球為何會懸在空中？ 147
小結 149
關鍵術語 150
第10章 溫度和熱量 151
10．1 溫度及其測量 152
10．1．1 怎樣測量溫度？ 152
10．1．2 溫標的發展 153
10．1．3 有熱力學零度嗎？ 154
10．2 熱量和比熱 155
10．2．1 什麼是比熱？ 155
10．2．2 熱量和溫度有何區彆？ 156
10．2．3 熱量怎樣參與熔化或凝固過程？ 156
10．3 焦耳實驗和熱力學第一定律 159
10．3．1 焦耳實驗錶明瞭什麼？ 159
10．3．2 熱力學第一定律 160
10．3．3 什麼是內能？ 160
10．3．4 計算食物的熱量 161
10．4 氣體的行為與熱力學
第一定律 162
10．4．1 壓縮氣體時發生什麼事？ 162
10．4．2 內能與溫度有什麼關係？ 162
10．4．3 怎樣保持氣體的溫度不變？ 163
10．4．4 熱氣球中的氣體發生瞭什麼？ 163
10．5 熱流 164
10．5．1 熱傳導産生的熱流 164
10．5．2 什麼是對流？ 165
10．5．3 什麼是輻射，輻射怎樣傳遞
能量？ 166
小結 168
關鍵術語 169
第11章 熱機和熱力學第二定律 170
11．1 熱機 171
11．1．1 熱機是乾什麼的？ 171
11．1．2 熱機的效率 171
11．1．3 熱力學第一定律關於熱機告訴
我們什麼？ 172
11．2 熱力學第二定律 174
11．2．1 什麼是卡諾機？ 174
11．2．2 卡諾循環包含哪幾步？ 175
11．2．3 卡諾機的效率是多少？ 175
11．2．4 熱力學第二定律 176
11．3 製冷機、熱泵和熵 177
11．3．1 製冷機和熱泵是乾什麼的？ 177
11．3．2 熱力學第二定律的剋勞修斯錶述 178
11．3．3 什麼是熵？ 179
11．4 熱電廠和能源 180
11．4．1 熱電廠是如何工作的？ 180
11．4．2 化石燃料的替代者 181
11．4．3 高品位熱量和低品位熱量 182
11．4．4 可以討論的問題 183
11．5 永動機和能量騙局 183
11．5．1 第一類永動機 183
11．5．2 第二類永動機 183
小結 185
關鍵術語 186
第3單元 電學和磁學
第12章 靜電現象 188
12．1 電荷的作用 189
12．1．1 從木髓球實驗能學到什麼？ 189
12．1．2 什麼是驗電器？ 190
12．1．3 富蘭剋林的單流體模型 191
12．2 導體和絕緣體 191
12．2．1 絕緣體與導體有何不同？ 191
12．2．2 用感應讓導體起電 192
12．2．3 為何絕緣體被吸嚮帶電物體？ 193
12．3 靜電力：庫侖定律 195
12．3．1 庫侖是怎樣測量靜電力的？ 195
12．3．2 庫侖的測量結果如何？ 196
12．3．3 庫侖定律與萬有引力定律的比較 197
12．4 電場 198
12．4．1 求幾個電荷所施加的力 198
12．4．2 什麼是電場？ 198
12．4．3 電場綫是怎樣用的？ 199
12．5 電勢 200
12．5．1 求電荷勢能的變化 200
12．5．2 什麼是電勢？ 201
12．5．3 電勢和電場的關係 202
小結 204
關鍵術語 204
第13章 電路 206
13．1 電路和電流 207
13．1．1 怎樣使燈泡發光？ 207
13．1．2 什麼是電流？ 208
13．1．3 什麼限製瞭電流？ 210
13．1．4 和水流的類比 210
13．2 歐姆定律和電阻 211
13．2．1 電流對電壓的依賴關係 211
13．2．2 什麼是電池的電動勢？ 212
13．2．3 電池沒電瞭是怎麼迴事？ 213
13．3 串聯電路和並聯電路 213
13．3．1 什麼是串聯電路？ 213
13．3．2 什麼是並聯電路？ 214
13．3．3 安培計和伏特計的使用 216
13．4 電能和電功率 217
13．4．1 電路中發生瞭什麼能量轉化？ 217
13．4．2 電功率與電流和電壓有何關係？ 217
13．4．3 怎樣分配和使用電功率？ 218
13．5 交流電和傢用電路 220
13．5．1 交流電與直流電有哪些區彆？ 220
13．5．2 什麼是電流和電壓的有效值？ 221
13．5．3 傢用電路如何布綫？ 221
小結 222
關鍵術語 223
第14章 磁體和電磁學 224
14．1 磁體和磁力 225
14．1．1 什麼是磁極？ 225
14．1．2 磁力和庫侖定律 226
14．1．3 能將場綫與磁體聯係起來嗎？ 226
14．1．4 地球是一個磁體嗎？ 227
14．2 電流的磁效應 228
14．2．1 一個齣乎意料的效應 228
14．2．2 載流導綫所受的磁力 229
14．2．3 運動電荷所受的磁力 229
14．2．4 運動電荷上的磁力方嚮 230
14．3 電流迴路的磁效應 230
14．3．1 電流迴路的磁場 231
14．3．2 電流迴路上作用有磁轉矩嗎？ 231
14．3．3 怎樣製作一個電磁體？ 232
14．4 法拉第定律：電磁感應 234
14．4．1 法拉第的實驗錶明瞭什麼？ 234
14．4．2 法拉第定律 235
14．4．3 楞次定律 236
14．4．4 什麼是自感應？ 236
14．5 發電機和變壓器 238
14．5．1 發電機是如何工作的？ 238
14．5．2 變壓器是乾什麼用的？ 239
14．5．3 變壓器和功率分配 240
小結 241
關鍵術語 241
第4單元 波動和光學
第15章 波的生成 244
15．1 脈衝波和周期波 245
15．1．1 脈衝波在彈簧上怎樣行進？ 245
15．1．2 波動的一些共同特徵 245
15．1．3 可以討論的問題 246
15．1．4 縱波和橫波的區彆 246
15．1．5 什麼是周期波？ 246
15．2 繩索上的波 248
15．2．1 波的麯綫圖是什麼樣？ 248
15．2．2 繩索上的波速由什麼決定？ 249
15．2．3 波的頻率和波長由什麼決定？ 250
15．3 乾涉和駐波 251
15．3．1 繩索上的兩個波如何閤並？ 251
15．3．2 什麼是駐波？ 252
15．3．3 吉他弦上波的頻率由什麼決定？ 252
15．4 聲波 254
15．4．1 聲波的實質是什麼？ 254
15．4．2 聲速由什麼決定？ 255
15．4．3 用飲料瓶生成音樂 257
15．5 音樂的物理學 258
15．5．1 什麼是諧波分析？ 258
15．5．2 音程是如何定義的？ 259
15．5．3 為何有些樂音組閤聲音和諧？ 261
小結 262
關鍵術語 262
第16章 光波和顔色 264
16．1 電磁波 265
16．1．1 什麼是電磁波？ 265
16．1．2 電磁波的速率是多少？ 266
16．1．3 有多種不同的電磁波嗎？ 267
16．1．4 可以爭論的問題 268
16．2 波長和顔色 268
16．2．1 光是由不同的顔色組成的嗎？ 268
16．2．2 眼睛如何分辨不同的顔色？ 269
16．2．3 為什麼物體有不同的顔色？ 270
16．3 光波的乾涉 272
16．3．1 楊氏雙縫實驗 273
16．3．2 條紋間距由什麼決定？ 274
16．3．3 什麼是薄膜乾涉？ 274
16．4 衍射和光柵 277
16．4．1 單縫如何衍射光？ 277
16．4．2 光如何被其他形狀衍射？ 278
16．4．3 什麼是衍射光柵？ 279
16．5 偏振光 280
16．5．1 什麼是偏振光？ 280
16．5．2 怎樣産生偏振光？ 280
16．5．3 為什麼要用偏光太陽鏡？ 281
16．5．4 什麼是雙摺射？ 281
小結 282
關鍵術語 283
第17章 光和成像 284
17．1 反射和成像 285
17．1．1 光綫與波前有什麼關係？ 285
17．1．2 什麼是反射定律？ 286
17．1．3 平麵鏡如何成像？ 286
17．2 光的摺射 287
17．2．1 什麼是摺射定律？ 287
17．2．2 為何水下物體顯得比實際位
置高？ 288
17．2．3 全內反射 289
17．2．4 棱鏡如何使光彎摺？什麼是
色散？ 290
17．3 透鏡和成像 292
17．3．1 追蹤穿過正透鏡的光綫 292
17．3．2 像距和物距有什麼關係？ 293
17．3．3 追蹤通過負透鏡的光綫 294
17．4 用麯麵鏡聚焦光束 295
17．4．1 用凹麵鏡的光綫追蹤 295
17．4．2 物距和像距 296
17．4．3 凸麵鏡 297
17．5 眼鏡、顯微鏡和望遠鏡 298
17．5．1 眼睛是如何工作的？ 298
17．5．2 眼鏡矯正的是哪些問題？ 299
17．5．3 顯微鏡如何工作？ 299
17．5．4 望遠鏡如何工作？ 300
17．5．5 雙筒鏡和觀劇鏡 302
小結 304
關鍵術語 304
第5單元 原子和原子核
第18章 原子的結構 308
18．1 原子的存在：從化學中
得到的證據 309
18．1．1 化學研究揭示瞭原子的哪些
方麵？ 309
18．1．2 質量在化學反應中守恒嗎？ 310
18．1．3 原子量的概念是怎樣産生的？ 310
18．1．4 可以爭論的問題 313
18．1．5 元素周期錶是怎樣發展的？ 313
18．2 陰極射綫、電子和X射綫 314
18．2．1 陰極射綫是怎樣産生的？ 315
18．2．2 陰極射綫的組成成分 317
18．2．3 X射綫是怎樣發現的？ 317
18．3 放射性和原子核的發現 319
18．3．1 放射性是怎樣發現的？ 319
18．3．2 放射性中包含的輻射多於
一種嗎？ 319
18．3．3 原子核是怎樣發現的？ 320
18．4 原子光譜和玻爾原子模型 322
18．4．1 氫光譜的本質是什麼？ 322
18．4．2 光能的量子化 323
18．4．3 玻爾模型有哪些特徵？ 324
18．5 粒子波和量子力學 325
18．5．1 什麼是德布羅意波？ 326
18．5．2 量子力學與玻爾模型有何不同？ 327
18．5．3 什麼是海森伯不確定原理？ 327
18．5．4 量子力學如何解釋周期錶？ 328
小結 329
關鍵術語 330
第19章 原子核和核能 331
19．1 原子核的結構 332
19．1．1 質子是怎樣發現的？ 332
19．1．2 中子是怎樣發現的？ 333
19．1．3 什麼是同位素？ 334
19．2 放射性衰變 336
19．2．1 ?衰變中發生瞭什麼？ 336
19．2．2 ?衰變和衰變中會發生什麼？ 337
19．2．3 如何描述衰變的快慢？ 338
19．2．4 為何放射性對人體健康有害？ 338
19．3 核反應和核裂變 339
19．3．1 什麼是核反應？ 340
19．3．2 能量和質量如何參與核反應？ 340
19．3．3 核裂變是怎樣發現的？ 341
19．4 核反應堆 343
19．4．1 如何實現鏈式反應？ 343
19．4．2 為什麼反應堆中會産生鈈？ 344
19．4．3 現代反應堆有何設計特徵？ 344
19．4．4 核動力的環境問題 345
19．4．5 可以討論的問題 346
19．5 核武器和核聚變 347
19．5．1 什麼是臨界質量？ 347
19．5．2 鈈彈是怎樣設計的？ 348
19．5．3 什麼是核聚變？ 349
19．5．4 能從受控聚變産齣功率嗎？ 350
小結 351
關鍵術語 352
第6單元 相對論及其他
第20章 相對論 354
20．1 經典物理學中的相對運動 355
20．1．1 速度如何相加？ 355
20．1．2 在二維空間速度如何相加？ 356
20．1．3 相對性原理 357
20．1．4 慣性參考係 357
20．2 光速和愛因斯坦的假設 358
20．2．1 什麼是光以太？ 358
20．2．2 以太能夠當普適參考係用嗎？ 358
20．2．3 邁剋爾孫-莫雷實驗 359
20．2．4 愛因斯坦的狹義相對論假設 360
20．3 時間膨脹和長度收縮 361
20．3．1 不同觀察者的時間測量 361
20．3．2 對不同觀察者長度測量如何
變化？ 363
20．4 牛頓定律和質能等價 366
20．4．1 牛頓第二定律須怎樣修改？ 366
20．4．2 質能等價觀念是如何提齣的？ 366
20．4．3 如何解釋靜止能？ 367
20．5 廣義相對論 367
20．5．1 什麼是等價原理？ 368
20．5．2 光束在強引力場中會彎麯嗎？ 369
20．5．3 廣義相對論有哪些空時效應？ 370
20．5．4 什麼是黑洞？ 371
小結 371
關鍵術語 372
第21章 日常現象深入研究 373
21．1 誇剋和其他基本粒子 374
21．1．1 新粒子是怎樣發現的？ 374
21．1．2 粒子園的成員 375
21．1．3 什麼是誇剋？ 375
21．1．4 有哪些基本作用力？ 376
21．2 宇宙學：嚮外窺視宇宙 377
21．2．1 宇宙在膨脹嗎？ 377
21．2．2 追溯我們宇宙的開端 379
21．3 半導體和微電子學 380
21．3．1 什麼是半導體？ 380
21．3．2 什麼是晶體管？ 382
21．3．3 計算機和集成電路 382
21．4 超導體和其他新材料 384
21．4．1 什麼是超導電性？ 384
21．4．2 什麼是高溫超導體？ 385
21．4．3 其他新材料 386
小結 388
關鍵術語 389
· · · · · · (收起)