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出版者:

作者:McGraw-Hill

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页数:0

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出版时间:1996-5

价格:$ 15.54

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isbn号码:9780028278902

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跨越学科的探索：现代物理学与化学的精深导论 本书旨在为读者提供一个全面、深入且富有启发性的现代物理学与化学基础知识体系。我们聚焦于驱动宇宙运行的核心原理，从亚原子粒子的奇特行为到宏观星系的壮丽结构，再到物质的本质及其转化规律。本书避免了对特定教科书内容的直接引用或概括，而是力求构建一个独立、连贯且极具洞察力的知识框架，帮助学习者建立坚实的科学思维基础。 第一部分：物质的构成与运动的法则（物理学核心） 第一章：经典力学的基石与突破 本章伊始，我们将回顾牛顿力学在宏观世界中的无可匹敌的成功。通过对运动的三大定律的深刻剖析，我们探讨了力、质量和加速度之间的精确关系，并将其应用于分析简单的直线运动和平面运动问题。然而，我们也清晰地指出了经典力学的局限性，特别是当涉及到高速或微观尺度时的不足。随后，我们将引入能量和动量的概念，不仅将其视为守恒量，更作为理解复杂系统演化的核心工具。功与能的关系，势能与保守力场，以及动量在碰撞和爆炸中的传递，构成了本章的重点。最后，我们将简要引入角动量的概念，为后续讨论旋转系统和刚体运动打下基础。 第二章：电磁场的交织与统一 电与磁不再是独立的现象，而是同一基本力的两个侧面。本章将从库仑定律开始，系统地构建静电场的概念，包括电势、电容及其在导体与绝缘体中的行为。随后，我们将转向稳恒电流的分析，探讨欧姆定律的微观基础及其在电路中的应用，包括串联和并联网络的分析技巧。 从静电过渡到动电，我们深入研究磁场的产生和效应，考察洛伦兹力对运动电荷的作用。本章的高潮在于对法拉第电磁感应定律和楞次定律的详细阐述，这标志着电磁现象的动态统一。通过对麦克斯韦方程组的物理意义的阐释（而非繁琐的矢量微积分推导），我们揭示了光作为一种电磁波的本质，从而将光学和电磁学完美融合。 第三章：热力学与统计物理学的宏观与微观视角 热力学是关于能量转换效率的科学。本章从温度、热量和内能的宏观定义出发，系统阐述热力学三大定律的含义。第一定律关注能量的守恒与转化，第二定律引入了熵的概念，为时间之箭和过程的不可逆性提供了量化的描述。我们将讨论各种热力学循环（如卡诺循环）的效率极限。 为了理解这些宏观规律的微观根源，本章会深入统计物理学的领域。通过对分子运动论的探讨，我们将温度与气体分子的平均动能联系起来。介绍玻尔兹曼分布等统计规律，揭示大量粒子系统如何涌现出可预测的宏观特性。 第四章：量子世界的革命 经典物理学在解释黑体辐射、光电效应和原子光谱时遭遇了彻底的失败，这迫使我们进入一个全新的、反直觉的量子世界。本章将追踪普朗克假说的诞生，探讨光子的概念及其在光电效应中的验证。随后，我们将研究德布罗意波粒二象性，理解物质也具有波动性。 核心部分将围绕薛定谔方程的意义展开，阐述波函数及其概率解释。我们将分析最简单的量子系统——一维无限深势阱中的能级量子化现象。最后，介绍不确定性原理，理解物理实在在微观尺度上的根本模糊性，以及电子的自旋等内在量子特性。 第二部分：物质的结构与相互作用（化学核心） 第五章：原子结构与元素周期律的深层机制 本章从卢瑟福的核式结构模型出发，迅速过渡到对原子内部复杂性的理解。我们将详细考察玻尔模型的成功与局限，并将其发展为更完备的量子力学模型。重点在于量子数（主量子数、角量子数、磁量子数和自旋量子数）如何精确描述电子的轨道、形状和排布。 基于这些量子描述，我们将深入剖析泡利不相容原理和洪特规则，解释电子如何填充轨道，从而元素周期表得以构建。周期表不仅仅是一个分类工具，更是原子结构规律性的直接体现。我们将讨论由此衍生出的原子半径、电离能、电子亲和能和电负性等周期性趋势的内在物理机制。 第六章：化学键的形成与分子几何 化学反应的本质在于原子间的相互作用——化学键。本章首先考察离子键的形成，分析晶格能与溶解度的关系。随后，我们将聚焦于共价键，这是理解有机和无机物体的关键。 我们将引入路易斯结构式作为描述价电子的初步工具，然后引入价层电子对互斥理论 (VSEPR)，用于预测分子（如水、氨气）的精确三维几何构型。为了更精确地描述键的特性，本章将引入杂化轨道理论（sp, sp2, sp3），解释直线形、三角平面形和四面体结构的起源。最后，我们将探讨分子间作用力（范德华力、偶极-偶极力、氢键），这些力决定了物质的宏观性质，如沸点和溶解度。 第七章：化学反应的能量学与速率 化学反应总是伴随着能量的吸收或释放。本章从热化学（化学计量学和焓变）开始，利用赫斯定律进行能量路径的计算。我们将引入键能的概念，并将其与反应的焓变联系起来。 更进一步，我们将研究反应的自发性。热力学第二定律在化学中的体现是吉布斯自由能 ($Delta G$)，它成为判断反应方向的黄金标准。我们将探讨焓、熵与自由能之间的精确关系。 然而，反应的自发性并不意味着它会快速发生。本章的后半部分转向化学动力学。我们将分析反应速率的定义、影响速率的因素（浓度、温度、催化剂），并探讨活化能的概念。通过阿伦尼乌斯方程，我们量化了温度对反应速率的指数影响，揭示了化学反应是如何跨越能量壁垒的。 第八章：物质的相变与溶液化学 物质存在于固、液、气等不同相态中，相变是能量与分子间作用力平衡的结果。本章将分析纯物质的相图，解读三相点、临界点等关键特征。我们将详细研究气体的性质，从理想气体定律到实际气体（范德华方程）的修正。 溶液是化学中应用最广泛的介质。本章将定义浓度的不同表达方式，并系统阐述依数性（如蒸气压下降、沸点升高、凝固点降低），这些性质仅依赖于溶质的粒子数，而非其化学本质。我们还将探讨溶解过程的自由能变化，并引入溶解度平衡的概念。最后，我们将讨论电解质溶液中的电化学基础，包括电离度和离子强度对化学平衡的影响。 总结与展望 本书提供的知识体系，横跨了从宇宙的深层物理规律到物质分子的精确构筑原理。我们强调了理论模型（如量子力学、热力学）如何作为解释和预测自然现象的强大工具。学习者应认识到，物理学与化学并非孤立的学科，而是共同描绘了我们所观察到的自然界复杂性的统一图景。未来的探索将建立在这些坚实的基础之上，不断深入到更复杂的材料科学、生物化学和宇宙学前沿。

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这本书真是让我对自然界运作的机制有了全新的认识，尤其是在那些看似寻常的现象背后，蕴含的物理原理是如此精妙而又环环相扣。比如，书中对能量转换的论述，不仅仅停留在教科书上那种死板的定义，而是通过一系列引人入胜的案例，比如我们日常使用的电器如何将电能转化为热能或光能，深入剖析了热力学定律在微观层面的具体体现。作者的笔触非常细腻，每一个概念的引入都像是在铺设一条通往更高深理解的阶梯，让人不觉得枯燥乏味。我特别欣赏它在解释“力”与“运动”关系时所展现出的那种清晰的逻辑链条，从牛顿的三大定律到动量守恒，每一步的推导都清晰可见，即便是对于初学者来说，也能循着作者的思路，轻松地将理论与现实中的情境联系起来。读完关于光学的那几个章节，我甚至开始重新审视我戴的眼镜的工作原理，那种恍然大悟的感觉，是其他许多科普读物难以给予的。这本书的价值不仅在于传授知识，更在于它点燃了我对探索身边世界的好奇心，让我习惯于从物理学的角度去解构我所观察到的一切。

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我必须承认，这是一本在内容组织上极具匠心的著作。它成功地打破了传统科学书籍那种泾渭分明的学科壁垒，将物理学、化学乃至一些地球科学的元素巧妙地编织在一起。例如，在讨论大气层的结构和天气现象时，书中自然而然地引入了气体的分子运动论和热力学定律，使得对气候变化的讨论不再是孤立的现象描述，而是建立在坚实的物理基础之上。这种跨学科的视角极大地拓宽了我的知识视野，让我看到了不同科学分支之间的内在联系，这在当今高度专业化的知识领域中尤为珍贵。此外，作者在处理一些复杂的数学模型时，也采取了一种非常人性化的处理方式——先用直观的语言解释模型背后的物理意义，然后再展示其数学表达，这种“意义先行”的策略，让非数学专业的读者也能体会到模型的强大解释力，而不是被复杂的符号吓退。总而言之，它提供了一种整体性的科学观，而非零散的知识点集合。

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这本书的叙事风格是如此的富有激情和感染力，读起来完全不像是在啃一本严肃的教材。作者似乎有一种魔力，能把那些看似冰冷的公式和定律，注入了鲜活的生命力。比如，在讲解电磁感应现象时，他没有直接抛出法拉第定律的数学表达式，而是先描述了一个引人入胜的场景，比如发电机的工作原理，然后逐步引入电场和磁场相互作用的奥秘，直到最后让读者心悦诚服地接受这个物理规律的必然性。这种“讲故事”的方式，极大地降低了学习的心理门槛。我发现自己常常会为了弄清楚一个概念的来龙去脉，一口气读上好几个小时，完全忘记了时间的流逝。书中对一些历史上的科学争论也有着客观且精彩的描述，这让读者能够理解科学知识是如何在不断的试错和辩论中被确立起来的，而不是像写在书上那样，一开始就是真理。这种对科学精神的传承，比任何公式本身都更为宝贵。

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这本书的阅读体验是极其扎实且令人信服的，它非常注重基础概念的彻底性。很多科普读物为了追求速度和易读性，常常会在关键的数学推导或理论基础部分含糊其辞，但这本著作则完全相反。它对待物理学的严谨性近乎苛刻，每一个定义都建立在坚实的基础之上。我尤其喜欢它在引入“波粒二象性”概念时所做的铺垫工作，它没有急于跳到量子力学的奇特结论，而是耐心地回顾了经典物理学在解释光和物质时遇到的局限性，这种循序渐进的论证过程，确保了读者在接受新颖概念时，不会感到思维上的断裂或困惑。对于那些希望真正深入理解物理学底层逻辑的读者来说，这种对细节的关注是无价的。书中的习题和思考题设计得也非常巧妙，它们往往不是简单地套用公式，而是要求读者结合多个章节的知识点进行综合分析，真正考验了对知识的融会贯通能力。

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坦白说，我一开始对这本书抱持着一丝怀疑，毕竟“物理科学”这个范畴太广了，我担心它会像很多同类书籍一样，在试图涵盖一切时，最终却流于表面，蜻蜓点水。然而，这本书的深度和广度完美地找到了一个平衡点。它的章节编排非常有章法，从宏观的宇宙尺度，慢慢聚焦到物质的基本构成，这种由大及小的叙事结构，极大地帮助了我构建一个完整的知识框架。我尤其赞赏其中关于化学键和元素周期表部分的论述，它不仅仅是简单地罗列性质，而是深入探讨了电子排布如何决定了一个元素的化学特性，以及这些特性是如何组合成我们周围千姿百态的物质世界的。作者在引用实验数据和图表时非常谨慎且精准，每一张插图都服务于概念的阐明，而不是单纯的装饰。读这本书的过程，与其说是学习，不如说是一场结构化的思维训练，它教会我如何用科学的语言去描述复杂的问题，如何通过实验数据去验证假设，这对我解决实际工作中的分析性难题也大有裨益。

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