哈佛大學《大學物理學》(第三版)教材評介

哈佛大學《大學物理學》(第三版)教材評介張立彬（南開大學外國教材中心；天津300071）尹煒愷（南開大學物理科學學院；天津300071；美國賓州里海大學物理系）[內(nèi)容摘要]

通過對哈佛大學理工科物理教材《大學物理學》的評介與分析，建議國內(nèi)編寫同類教材時參考該書的風格特色：圖片精美，顏色鮮明；語言風格多樣，吸引讀者；知識點全面，理論和實際結(jié)合；強調(diào)基礎理論，結(jié)合前沿科學研究；及時更新，增加內(nèi)容；循序漸進，權(quán)威人士編寫等。[關(guān)鍵詞]

哈佛大學；理工科教材；大學物理學；教材評介；借鑒與啟示《PhysicsforScientists&Engineers》(ThirdEdition)(大學物理學)是美國哈佛大學課程編號為6053的課程“PhysicalSciences2.Mechanics,Elasticity,Fluids,andDiffusion”（物理學2.力學，彈性，流體，擴散）所選用的教材?！禤hysicsforScientists&Engineers》(ThirdEdition)由前言、正文、附錄、索引四部分組成。其中正文共45章，544頁。本書的作者是美國加州大學伯克利分校的DouglasC.Giancoli教授。[1]一、出版與作者情況《PhysicsforScientists&Engineers》(ThirdEdition)一書由PrenticeHall（普倫蒂斯·霍爾）出版社出版。PrenticeHall出版社位于美國的新澤西州。全書正文544頁，附錄32頁，附錄以公式和參數(shù)為主。本書是由DouglasC.Giancoli教授于2000年撰著的。DouglasC.Giancoli是美國加州大學伯克利分校的教授，撰寫了很多和大學物理學相關(guān)的書籍。比如，大學物理學的前三版、大學物理實驗、物理學原理及應用、學生物理手冊、袖珍指南和物理習題集等。DouglasC.Giancoli對物理學有很寬泛的認識，在編著書籍方面受到了讀者的一致好評。[2]二、本書的創(chuàng)作背景和主要內(nèi)容物理學的發(fā)展經(jīng)歷了20世紀的突飛猛進，到了21世紀日益成熟。一本概括所有物理學分支領域的書對于物理學專業(yè)和其它的理工科專業(yè)的學生來說是很重要的，這樣能讓他們從基礎上了解物理學的知識，對物理產(chǎn)生濃厚的興趣。《PhysicsforScientists&Engineers》是美國哈佛大學的物理學用書。第二版的《PhysicsforScientists&Engineers》出版十年以后，作者DouglasC.Giancoli教授選擇了在原有的基礎上進行了改進。這次改進既體現(xiàn)在物理內(nèi)容上，也體現(xiàn)在表述的方式上。結(jié)合這些年來物理學界的最新研究，使本書的第三版有了更多的亮點。本書的內(nèi)容主要包括了運動學（測量、物體的運動），動力學（牛頓定律、萬有引力定律、動能定理、能量守恒定律、動量和角動量），流體力學，波動，聲學，熱力學（熱力學定律），電磁學（電荷和電場、高斯定理、電勢、電容、電流、電路、磁場、電磁感應、麥克斯韋方程組），光學（反射和折射、棱鏡和光學器件、干涉），狹義相對論，原子物理，量子力學，固體物理，核物理，粒子物理和天體物理等?？梢哉f這本書很全面地概括了物理學的分支，對于非物理學專業(yè)的理工科本科生和初步了解物理學的學者來說是一本很好的參考書。三、主要特點本書的內(nèi)容豐富、圖片精美，用生動通俗的方式講解物理學的基本原理，并涉及大量在生活和工程中的應用，對經(jīng)典物理和近代物理都有相當全面、系統(tǒng)的介紹。在第二版的基礎上，第三版做了很大的改進。第三版分為三部分：傳統(tǒng)的部分包括經(jīng)典物理和狹義相對論以及早期量子理論；擴展的部分包括現(xiàn)代物理，其中分成了九個章節(jié)；最后一部分是天體物理和宇宙學。排版方面的特點這本書在排版方面很特別，圖片精美，顏色鮮明，對學生理解內(nèi)容方面給予了很大幫助。這本書在制作中用了大量不同的顏色。這不僅僅是為了吸引讀者，在另一個方面也能更好地描述和體現(xiàn)一些物理量和物理現(xiàn)象。比如說，射線和場。還有矢量的定義，不同的矢量的顏色是不同的。第三版相對于第二版有更多的實驗圖像和表格，這更能幫助讀者理解物理現(xiàn)象和理論。比如說，在光學部分，第三版中有大量的透鏡成像。這本書中同樣有很多的旁注，相對于其它的物理學書籍，這本書的旁注能提醒讀者那些還會出現(xiàn)的物理量和很容易忘記的物理量。一些很重要的定理和公式在這本書中體現(xiàn)的很好。定律一般會有明顯的旁注或者被矩形的方框包圍。一些重要的公式會加上很亮的背景，以作強調(diào)。這本書的每章開篇都會有一幅圖，這樣能很明顯的告訴讀者這一章的內(nèi)容，也可以認為是這一章的一個總結(jié)，有的時候這也是對讀者的一種挑戰(zhàn)。內(nèi)容方面的特點這本書的內(nèi)容豐富，用生動通俗的方式講解物理學的基本原理，并涉及大量在生活和工程中的應用，對經(jīng)典物理和近代物理都有相當全面、系統(tǒng)的介紹。具體來說：介紹了新的發(fā)現(xiàn)：比如對行星圍繞恒星轉(zhuǎn)、哈勃太空望遠鏡、粒子物理和宇宙學（宇宙的年齡）等方面做了更新。新加入了物理學課題：進行估量的新方法；越來越多的使用對稱性；更多的表格表述密度、質(zhì)量、體積等；空間曲線的萬有引力以及黑洞；發(fā)動機效率無滑滾動和有滑滾動以及其他關(guān)于轉(zhuǎn)動的細節(jié)；橋、拱門以及圓屋頂?shù)氖芰?；方波；麥克斯韋分布的應用；奧托循環(huán)；自由膨脹中熵的計算；電介質(zhì)在連接電容器和非連接電容器中的作用；接地避免電危害；三相AC；電磁波中電場和磁場的同能量；輻射壓、電磁波；鏡頭和平面鏡成像；組合棱鏡；新的輻射標準；希格斯玻色子和超對稱。介紹了現(xiàn)代物理學：空間曲線的萬有引力和黑洞；行星繞很遠的恒星的旋轉(zhuǎn)；相對速率的動能；核碰撞；恒星崩塌；星系紅移和多普勒效應；原子的理論；熱膨脹的原子理論；氫原子的質(zhì)量；氣體中的分子和原子；分子速率；能均分定律和摩爾比熱；恒星的尺寸；陰極射線管；導線中的電子；超導；電子的發(fā)現(xiàn)和性質(zhì)和荷質(zhì)比；油滴實驗；霍爾效應；電子的磁矩；質(zhì)譜儀；選速器磁物質(zhì)中的電子自旋；光和電磁波發(fā)光；光譜。提出了新的教育模式：這本書通過提出一些很有意義的問題，激發(fā)讀者對各個知識點的思考，從而更清楚地了解物理學的知識。比如：利用對稱性；哪個物體從山上滾下速度最快；洞的熱膨脹等。重視知識點的應用：基本在每一章都有一小節(jié)是關(guān)于這章知識點的應用。這也是這本物理學用書的一大特點。換句話說，這讓讀者重新去思考為什么學習物理這個問題。本書也在第二版的基礎上加了很多其他的應用。比如說，電梯和秤錘；地球同步衛(wèi)星；恒星崩塌；泰坦尼克；泵；汽車彈簧；減震器；阻尼器防止地震；電視和收音機；電容濾波器；光纖；相機；望遠鏡；顯微鏡；半導體等等。四、學術(shù)價值《PhysicsforScientists&Engineers》這本書雖然內(nèi)容淺顯，在專業(yè)程度上不如其它物理學的專業(yè)領域書籍，但是在學術(shù)價值上也有其獨到之處。這本書對于那些初涉物理學的本科生來說是一本很好的參考書。這本書很好地把理論和實際聯(lián)系起來，讓學生在學習物理的過程中找到樂趣，并不僅僅是枯燥的理論學習和研究。這本書中甚至還提到了很多最近出現(xiàn)的研究和應用，比如說安全氣囊、防鎖定制動系統(tǒng)、地球同步衛(wèi)星、恒星崩塌、減震器、光子晶體光纖、電容濾波器等。以上提到的應用和研究都是很前沿的，而本書讓那些初涉物理學的讀者在學習基礎知識的同時也了解到了物理學前沿的研究進展。相信這樣的特點在引起讀者興趣的同時，也會推動物理學研究的進展。可以認為這也是此書的一大特色。五、適用對象從讀者的角度來看，這本書很適合于理工科和初涉物理科學的本科生，能夠讓他們理解物理界的美妙，激發(fā)他們對物理學課題的思考，很容易讓讀者對物理學產(chǎn)生興趣。作為物理學的學生，也可以把這本書看成是自己知識體系的完善和回憶。這本書同時很全面的概括了物理學的各個分支，把理論和應用緊密結(jié)合，讓人們認識到為什么學物理。讀者通過閱讀這本書也會認識到學科之間的聯(lián)系。實際上，中國的高校也可以試用這本教材，這樣可以通過閱讀原汁原味的英語，直接吸收國外原版書中先進的教育思想和注重實際應用、綜合素質(zhì)培養(yǎng)的教育理念，加深對物理學知識的理解。六、對國內(nèi)編寫物理同類教材的啟示由于我國和國外對物理學的研究確實存在一定的差距，從而不可避免地導致在高校教材編寫質(zhì)量上有較大差異。教材的編寫是一個艱辛努力的工作，也在一定程度上體現(xiàn)了最頂尖人才的能力。本書為美國著名大學的教材，對我國高等教育教材建設有著很大的啟示，主要有以下幾點：圖片精美，顏色鮮明。不同鮮艷的顏色是對讀者的一種刺激和注意力的吸引。在教材的制作中運用大量不同的顏色，不僅能吸引讀者，在另一個方面能更好地描述和體現(xiàn)一些物理量和物理現(xiàn)象。每一章的圖片能很明顯的告訴讀者這一章的內(nèi)容，有的時候這也是對讀者的一種指引。語言風格多樣，吸引讀者。語言風格多樣是吸引讀者深入閱讀且適應不同讀者群的客觀需要。現(xiàn)在國內(nèi)的理論物理教材，在語言上過于刻板，缺少風趣。我們可以吸收國外著名教材的不同寫作風格，增加物理學教材的趣味性。這樣能拉近讀者與作者的距離，從而對讀者知識的積累也是很好的催化劑。知識點全面，理論和實際結(jié)合。國內(nèi)很多物理學的書籍只是一味的強調(diào)記住理論知識，從而用于做題，忽略了理論知識在實際生活中的應用。這本書基本在每一章都有一小節(jié)是關(guān)于這章知識點的實際應用。這也是這本物理學用書的一大特點。理論和實際結(jié)合能讓讀者認識到學習物理不只是為了做題，從而重新去思考為什么學習物理。強調(diào)基礎理論，結(jié)合前沿科學研究。在基礎物理理論書籍中，國內(nèi)作者可以提一些該理論在當今物理學界的前沿研究。這樣能讓那些初涉物理學界的讀者在學習基礎知識的同時也了解到物理學前沿的研究進展。相信這樣的特點也在引起讀者興趣的同時，會推動物理學研究的進展。及時更新，增加內(nèi)容。這本書的第三版在2000年問世。相比10年前的第二版，在各方面都有很大的改進和提高?？紤]到出版過程中不可避免的錯誤和知識點的爭議性，當今國內(nèi)的高等教育需要作者定期對教材更新，這樣能使讀者得到最新的和最權(quán)威的知識。因而，教材內(nèi)容要與時俱進，讓讀者在理論方法和實驗手段上都能及時掌握最先進的知識。循序漸進，權(quán)威人士編寫。這本書雖然只是一本綜述性的理工科本科生用書，沒有太深奧的知識點，但是這本書的作者DouglasC.Giancoli教授卻是物理學界的權(quán)威人士。DouglasC.Giancoli教授對物理界有自己獨到的認識，也編寫了很多非物理學專業(yè)的物理學用書。我國高等教育的教材建設要上一個新臺階，必須也需要這樣的學術(shù)權(quán)威來撰寫教材。七、章節(jié)目錄1.介紹，測量和估量

4-8問題解決——一個主要的方法1-1科學的本質(zhì)

5.牛頓定律的進一步應用1-2模型，理論和定律

5-1牛頓定律在摩擦運動的應用1-3測量和不確定度

5-2勻速圓周運動的動力學1-4單位，標準和SI系統(tǒng)

5-3公路曲線1-5單位轉(zhuǎn)換

5-4非勻速圓周運動1-6數(shù)量級：快速估計

5-5依賴速度的力，收尾速度1-7尺寸和三維分析

6.萬有引力和牛頓的推理2.描述運動：一維運動學

6-1牛頓萬有引力定律2-1參考系和位移

6-2萬有引力定律的矢量形式2-2平均速度

6-3地球表面的重力2-3瞬時速度

6-4衛(wèi)星和無重力2-4加速度

6-5開普勒定律和牛頓的推理2-5恒定加速度下的運動

6-6重力場

2-6解決問題

6-7自然界中力的種類2-7落下的物體

6-8引力質(zhì)量和慣性質(zhì)量2-8微積分的利用，變加速度

6-9黑洞

3.二維動力學；矢量

7.功和能量3-1矢量和標量

7-1恒力的功3-2矢量相加——圖解法

7-2兩個向量的數(shù)量積3-3矢量相減，標量和矢量相乘

7-3變力的功3-4矢量組成相加

7-4動能和功能定理3-5單位矢量

7-5高速下的動能3-6矢量運動學

8.能量守恒3-7拋體運動

8-1保守力和非保守力3-8解決拋體運動問題

8-2勢能3-9勻速圓周運動

8-3機械能和機械能守恒3-10相對速度

8-4用機械能守恒解決問題4.動力學：牛頓運動定律

8-5能量守恒定律4-1力

8-6能量守恒解決問題4-2牛頓第一定律

8-7重力勢能和逃離速度4-3質(zhì)量

8-9勢能圖；穩(wěn)定平衡和非穩(wěn)定平衡4-4牛頓第二定律

9.動量和碰撞4-5牛頓第三定律

9-1動量和力4-6重量和慣性力

9-2動量守恒4-7解決牛頓定律問題：自由體圖

9-3碰撞和沖量9-4碰撞中的能量守恒和動量守恒

13-4帕斯卡原理

9-5一維彈性碰撞

13-5壓強的測量；表面和氣壓計9-6非彈性碰撞

13-6浮力和阿基米德原理9-7二維和三維碰撞

13-7流體運動；流速和連續(xù)方程9-8質(zhì)心

13-8伯努利方程9-9質(zhì)心和平動

13-9伯努利原理的應用9-10變質(zhì)量系統(tǒng)和火箭發(fā)射

13-10粘度

10.定軸轉(zhuǎn)動

13-11流管

10-1角度大小

13-12表面張力和毛細管10-2恒定加速度轉(zhuǎn)動下的動能方程

13-13泵

10-3無滑滾動

14.振動

10-4角度的矢量本質(zhì)

14-1彈簧的振動

10-5力矩

14-2簡諧振動10-6轉(zhuǎn)動動力學；力矩和轉(zhuǎn)動慣量

14-3簡諧振子的能量10-7轉(zhuǎn)動動力學解決問題

14-4勻速圓周運動的簡諧運動10-8轉(zhuǎn)動慣量的測定

14-5單擺

10-9角動量守恒

14-6物理擺和扭擺10-10轉(zhuǎn)動動能

14-7阻尼運動10-11轉(zhuǎn)動和平動運動

14-8強迫振動；共振10-12滾動球體為什么會減速

15.波動11.普遍轉(zhuǎn)動

15-1波動的特點11-1向量叉積

15-2波的類型11-2力矩矢量

15-3波的能量傳輸11-3粒子的角動量

15-4動態(tài)波的數(shù)學描述11-4粒子系統(tǒng)的角動量和力矩

15-5波的方程11-5剛體的角動量和力矩

15-6重疊原理11-6轉(zhuǎn)動非平衡

15-7反射和透射11-7角動量守恒

15-8干涉11-8自旋

15-9駐波和共振11-9慣性力

15-10折射11-10科氏效應

15-11衍射12.靜力平衡；彈性和斷裂

16.聲學

12-1靜力學——力的平衡

16-1聲音的特點12-2平衡條件

16-2縱波的數(shù)學描述12-3解決靜力學問題

16-3聲音的強度；分貝12-4穩(wěn)定和平衡

16-4聲音的來源；振弦和空氣柱12-5彈性力；壓力和拉力

16-5音質(zhì)和噪音12-6斷裂

16-6聲波干涉和拍12-7桁梁和橋梁

16-7多普勒效應12-8拱門和圓頂

16-8沖擊波及其產(chǎn)生的音爆13.流體

16-9應用；超聲13-1密度和具體重力

17.溫度，熱膨脹和理想氣體定律13-2流體中的壓力

17-1物質(zhì)的原子原理13-3大氣壓力和表面壓力

17-2溫度和溫度計17-3溫度平衡和熱力學第一定律

21-6電場17-4熱膨脹

21-7連續(xù)電荷分布的電場17-5熱壓力

21-8電場線17-6氣體定律和絕對溫度

21-9電場和導體17-7理想氣體定律

21-10帶電粒子在電場中的運動17-8理想氣體定律解決問題

21-11電偶極子17-9分子的理想氣體定律

22.高斯定理

17-10理想氣體的溫度標準

22-1電通量18.氣體的運動理論

22-2高斯定理18-1理想氣體定律和溫度的分子解釋

22-3高斯定理的應用18-2分子的速率分布

22-4高斯和庫侖定律的實驗依據(jù)18-3真實氣體和相變

23.電勢18-4蒸發(fā)溫度和濕度

23-1電勢和電勢差18-5狀態(tài)的范德瓦爾斯方程

23-2電勢和電場的關(guān)系18-6平均自由程

23-3等勢面18-7擴散

23-4電子電壓，能量單位19.熱量和熱力學第一定律

23-5點電荷和電勢19-1能量傳導的熱

23-6電偶極子19-2內(nèi)能

23-7任何電荷分布的電壓19-3比熱

23-8電壓決定的電場19-4熱量測定——解決問題

23-9靜電場勢能19-5潛熱

23-10陰極射線管，電視電腦控制器19-6熱力學第一定律

24.電容，電介質(zhì)和電能儲存19-7應用熱力學第一定律；計算功

24-1電容19-8氣體的摩爾比熱和能量平均分配

24-2測定電容19-9氣體的絕熱膨脹

24-3串聯(lián)和并聯(lián)電容器19-10熱傳導：傳導和輻射

24-4電能存儲20.熱力學第二定律；熱機

24-5電介質(zhì)20-1熱力學第二定律——介紹

24-6電介質(zhì)的分子解釋20-2熱機

24-7電介質(zhì)的高斯定理20-3可逆和不可逆過程；卡諾熱機

25.電流和電阻20-4冰箱，空調(diào)和熱泵

25-1電池20-5熵

25-2電流20-6熵和熱力學第二定律

25-3歐姆定律20-7有序到無序

25-4電阻系數(shù)20-8可利用能量；熱寂

25-5電功率20-9熵和第二定律的統(tǒng)計解釋

25-6家庭電路的功率20-10絕對零度和熱力學第三定律

25-7交流電21.電荷和電場

25-8電流的微觀觀點21-1靜電場；電荷和電荷守恒

25-9超導體21-2原子中的電荷

25-10電動危害；漏電21-3絕緣體和導體

26.DC電路21-4誘導電荷；驗電器

26-1電動勢和路端電壓21-5庫侖定律

26-2串聯(lián)電阻和并聯(lián)電阻26-3基爾霍夫定律

31-3只含有電感L的AC回路26-4RC電路

31-4只含有電容C的AC回路26-5DC電流表和電壓表

31-5LRC系列的AC回路26-6傳感器

31-6AC回路共振；振蕩器27.磁場

31-7阻抗匹配27-1磁和磁場

31-8三相AC27-2電流產(chǎn)生磁場

32.麥克斯韋方程組和電磁波27-3磁場中的力；磁感應強度的定義

32-1變化電場產(chǎn)生磁場和安培定律27-4電荷在磁場中運動的受力

32-2磁場的高斯定理27-5電流線圈的力矩；磁偶極矩

32-3麥克斯韋方程組27-6應用：檢流計，發(fā)動機，揚聲器

32-4電磁波的產(chǎn)生27-7電子的發(fā)現(xiàn)和性質(zhì)

32-5電磁波和速度27-8霍爾效應

32-6光和電磁光譜27-9質(zhì)譜儀

32-7電磁波的能量；坡印亭矢量28.磁場的來源

32-8輻射壓28-1直導線的磁場

32-9收音機和電視28-2兩平行導線之間的力

33.光的反射和折射28-3安培和庫倫的定義

33-1光的模式28-4安培定律

33-2光速和折射率28-5螺線管和環(huán)轉(zhuǎn)體的磁場

33-3反射；平面鏡成像28-6比薩定律

33-4球面鏡成像28-7磁材料——鐵磁體

33-5折射28-8電磁和螺線管

33-6可見光譜和散射28-9磁材料中的磁場

33-7全反射；光纖28-10順磁性和抗磁性

33-8球面鏡的折射29.電磁感應和法拉利定律

34.棱鏡和光學器件29-1.感應電動勢

34-1薄透鏡；光束追蹤29-2法拉利感應定律；楞次定律

34-2棱鏡方程29-3運動中導體的感應電動勢

34-3組合棱鏡解決問題29-4發(fā)電機

34-4棱鏡制造方程29-5反電動勢；渦流

34-5相機29-6變壓器和傳輸功率

34-6人眼；校正棱鏡29-7變化的磁場產(chǎn)生電場

34-7放大鏡29-8感應的應用：聲音系統(tǒng)，地動儀

34-8望遠鏡30.電感和電磁振蕩

34-9組合顯微鏡30-1互感

34-10鏡頭畸變30-2自感

35.光的波特性；干涉30-3磁場的能量

35-1波動和粒子；惠更斯原理30-4LR回路

35-2惠更斯原理和折射定律30-5LC回路和電磁振蕩

35-3干涉——楊氏雙縫干涉實驗30-6LRC回路

35-4連續(xù)性31.AC回路

35-5雙縫干涉的強度31-1介紹：AC回路

35-6薄膜干涉31-2只含有電阻R的AC回路

35-7邁克爾遜干涉儀35-8光強

39-5一維薛定諤方程36.衍射和極化

39-6時間依賴薛定諤方程36-1單縫衍射

39-7自由粒子；平面波和波包36-2單縫衍射的強度

39-8勢井中的粒子36-3雙縫衍射實驗

39-9隧道障礙36-4分辨率限制；圓孔

40.原子的量子力學36-5望遠鏡和顯微鏡的分辨率；波長限制40-1原子的量子力學理論36-6人眼的分辨率

40-2氫原子：薛定諤方程和量子數(shù)36-7衍射光柵

40-3氫原子波函數(shù)36-8光譜儀和光譜學

40-4復雜原子；不相容原理36-9衍射光柵的峰值寬度和分辨率

40-5元素周期表36-10X射線和X射線衍射

40-6X射線光譜和原子數(shù)36-11極化

40-7磁矩；全角動量36-12大氣中的光散射

40-8熒光和磷光37.狹義相對論

40-9激光和全息照相37-1伽利略-牛頓相對論

41.分子和固體37-2邁克爾遜-莫雷實驗

41-1分子結(jié)合37-3狹義相對論的假設

41-2分子的勢能37-4同時性

41-3弱結(jié)合37-5時間膨脹和孿生子佯謬

41-4分子光譜37-6尺寸壓縮

41-5固體結(jié)合37-7四維時間空間

41-6金屬的自由電子理論37-8伽利略和洛侖茲變換

41-7固體的能帶理論37-9相對質(zhì)量和動量

41-8半導體37-10極限速度

41-9半導體二極管和晶體管37-11E=mc2；質(zhì)量和能量

42.核物理和反射性37-12狹義相對論的影響