丰面向21世纪课程教材学习辅导书物理学（第五版）习题分析与解答马文蔚主编实沈才康包刚编高等教育出版社HIGHER EDUCATION PRESS
面向21世纪课程教材学习辅导书物理学（第五版）习题分析与解答马文蔚主编殷实沈才康包刚编高等教育出版社
1内容简介1本书是为马文蔚等改编的《物理学》（第五版）编写的习题解答。本书对教材中所有的习题进行了分析解答，在编写中，本书贯彻重分析、简解答的指导思想，力求通过对题目的分析，使学生在解题之前，对相关的物理规律有进一步的认识；通过解题方法和技巧的介绍和运用，拓宽学生的解题思路；通过讨论计算结果来进一步明确物理意义。而对于解题过程，本书则尽可能做到简明抛要：本书适合选用马文蔚等改编《物理学》（第五版）作为教材的师生作为教学和学习参考书使用.也可供其他高等学校理工科各专业师生和社会读者选择使用图书在版编目（CIP）数据物理学（第五版）寸题分析与解答/马文蔚主编：殷实等编.北京：高等教育出版社，2006.6ISBN7-04-019207-JI物..I.①马...②股...Ⅲ.物理学一高等学校-解题IV.04~44中国版本图书馆CIP数据核字（2006）第043333号出版发行高等教育出版社购书热线010-58581118杜址：北京市西城区德外大街4号免费咨询800-810-0598100011邮政编码网址http://www.hep.edu.cn总机010-58581000bttp: // www. hep. com. crn网上订购htlp：i/www.landraco.com经销http://www.landraco.com.cn蓝色畅想图书发行有限公司印刷 北京四季青印刷厂畅想教育http：//www.widedu.com开本 版787×9601/16次2006年6月第1版印印张21.25次2006年6月第1次印刷字数380000)定价24.50元本书如有缺页、倒页、脱页等质问题，请到所购图书销售部门联系调换。版权所有侵权必究物料号19207-00
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前言本书是根据马文蔚教授等改编的面向21世纪课程教材《物理学》（第五版）一书中的习题而作的分析与解答，与上一版相比，本书增加了选择题，更换了约25%的习题。所选习题覆盖了教育部非物理专业大学物理课程教学指导分委员会制定的《大学物理课程教学基本要求（讨论稿）》中全部核心内容，并选有少量扩展内容的习题：所选习题尽可能突出基本训练和联系工程实际。此外，为了帮助学生掌握求解大学物理课程范围内的物理问题的思路和方法，本书还为力学、电磁学、波动过程和光学热物理、相对论和量子物理基础等撰写了涉及这些内容的解题思路和方法，以期帮助学生启迪思维，提高运用物理学的基本定律来分析问题和解决问题的能力。物理学的基本概念和规律是在分析具体物理问题的过程中逐步被建立和掌握的，解题之前必须对所研究的物理间题建立一个清晰的图像，从两明确解题的思路。只有这样，才能在解完习题之后留下一些值得回味的东西，体会到物理问题所蕴含的奥妙和涵义，通过举一反三，提高自已分析问题和解决问题的能力。有鉴于此，重分析、简解答的模式成为编写本书的指导思想。全书力求在分析中突出物理图像，引导学生以科学探究的态度对待物理习题，初步培养学生“即物穷理”的精神，通过解题过程体验物理科学的魅力和价值，尝试“做学问”的乐趣。因此对于解题过程，本书则尽可能做到简明要，让学生自已去完成具体计算，编者企盼这本书能对学生学习能力的提高和科学素质的培养有所帮助。本书采用了1996年全国自然科学名词审定委员会公市的《物理学名词》和中华人民共和国国家标准GB3100~3102-93中规定的法定计量单位。本书由马文蔚教授主编，由殷实、沈才康、包刚、韦娜编写，西北工业大学宋士贤教授审阅了全书并提出了许多详细中肯的修改意见，在此，编者致以诚挚的感谢。由子编者的水平有限，敬请读者批评指正。编者2006年1月于南京
目 录第一篇力学求解力学问题的基本思路和方法.第一章质点运动学5第二章牛顿定律28第三章动量守恒定律和能最守恒定律50第四章刚体的转动76第二篇电磁学103求解电磁学问题的基本思路和方法103第五章静电场106第六章静电场中的导体与电介质….131第七章恒定磁场154第八章电磁感应电磁场176第三篇波动过程光学197求解波动过程和光学问题的基本思路和方法197第九章振动201第十章波动226第十一章光学244第四篇气体动理论热力学基础·265求解气体动理论和热力学问题的基本思路和方法265-第十二章气体动理论267.第十三章热力学基础280第五篇近代物理基础299求解近代物理问题的基本思路和方法299第十四章相对论302第十五章量子物理314附录部分数学公式331
力学第一篇求解力学问题的基本思路和方法物理学是一门基础学科，它研究物质运动的各种基本规律，由于不同运动形式具有不同的运动规律，从而要用不同的研究方法处理，力学是研究物体机械运动规律的-门学科，而机械运动有各种运动形态，每一种形态和物体受力情况以及初始状态有密切关系.掌握力的各种效应和运动状态改变之间的--系列规律是求解力学尚题的重要基础.但仅仅记住一些公式是远远不够的，求解一个具体物理问题首先应明确研究对象的运动性质；选择符合题意的恰当的模型；透彻认清物体受力和运动过程的特点等等.根据模型、条件和结论之间的逻辑关系，运用科学合理的研究方法，进而选择一个正确简便的解题切人点，在这里思路和方法起着非常重要的作用，1.正确选择物理模型和认识运动过程力学中常有质点、质点系、刚体等模型.每种模型都有特定的含义，适用范围和物理规律.采用何种模型既要考虑问题本身的限制，又要注意解决问题的需要，例如，用动能定理来处理物体的运动时，可把物体抽象为质点模型.而用功能原理来处理时，就必须把物体与地球组成一个系统来处理.再如对绕固定轴转动的门或质量和形状不能不计的定滑轮来说，必须把它视为刚体，并用角量和相应规律来进行讨论.在正确选择了物理模型后，还必须对运动过程的性质和特点有充分理解，如物体所受力（矩）是恒定的还是变化的：质点作一般曲线运动，还是作圆周运动等等，以此决定解题时采用的解题方法和数学工具，2.叠加法叠加原理是物理学中应用非常广泛的一条重要原理，据此力学中任何复杂运动都可以被看成由几个较为简单运动叠加而成.例如质点作一般平面运动时，通常可以看成是山两个相互垂直的直线运动叠加而成，而对作圆周运动的质点来说，其上的外力可按运动轨迹的切向和法向分解，其中切向力只改变速度的大小，而法向力只改变速度的方向.对刚体平面平行运动来说，可以理解为任一时刻它包含了两个运动的叠加，一是质心的平动，二是绕质心的转动.运动的独立
2第一篇力学性和聋加性是叠加原理中的两个重要原则，掌握若干基本的简单运动的物理规律，再运用登加法就可以使我们化“复杂”为“简单”此外运用叠加法时要注意选择合适的垒坐标系，选择什么样的坐标系就意味着运动将按相应形式分解，在力学中，对一般平面曲线运动，多采用平面直角坐标系，平面圆周运动多采用自然坐标系，而对刚体绕定轴转动则采用角坐标系等等。聋加原理在诸如电磁学，振动、波动等其他领域内都有广泛应用，是物理学研究物质运动的一种基本思想和方法，需读者在解题过程中不断体会和领悟，3.类比法有些不同性质运动的规律具有某些相似性，理解这种相似性产生的条件和遵从的规律有利于发现和认识物质运动的概括性和统性.而且还应在学习中善于发现并充分利用这种相似性，以拓宽自已的知识面.例如质点的直线运动和刚体绕定轴转动是两类不同运动，但是运动规律却有许多可类比和相似之处，如_dx-de与0=drde与α=a=dt其实它们之间只是用角量替换了相应的线量而已，这就可由比较熟悉的公式联想到不太熟悉的公式.这种类比不仅运动学有，动力学也有，如F=ma与M=Jα[rdt=my-mv与[Mdi=Jo-Loo[rax-→mo-md与 [-→0'-→:de=一2可以看出两类不同运动中各量的对应关系十分明显，使我们可以把对质点运动的分析方法移植到刚体转动问题的分析中去：当然移植时必须注意两种运动的区别，一个是平动一个是转动，状态变化的原因一个是力面另一个是力矩此外还有许多可以类比的实例，如万有引力与库仑力、静电场与稳恒磁场，电介质的极化与磁介质的磁化等等，只要我们在物理学习中善于归纳类比，就可以沟通不同领域内相似物理问题的研究思想和方法，并由此及彼，触类旁通4.微积分在力学解题中的运用微积分是大学物理学习中应用很多的一种数学运算，在力学中较为突出，也是初学大学物理课程时遇到的一个困难，要用好微积分这个数学工具，首先应在思想上认识到物体在运动过程中，反映其运动特征的物理量是随时空的变化而变化的。一般来说，它们是时空坐标的函数，运用微积分可求得质点的运动方程和运动状态.这是大学物理和中学物理最显著的区别.例如通过对质点速度函数中的时间！求一阶导数就可得到质点加速度函数.另外对物理量数学表达式进
3求解力学问题的基本思路和方法行合理变形就可得出新的物理含义.如由d=&dt，借助积分求和运算可求得在tt,时间内质点速度的变化；同样由dr=dt也可求得质点的运动方程.以质点运动学为例，我们可用微积分把运动学问题归纳如下：第一类问题：已知运动方程求速度和加速度：第二类问题：已知质点加速度以及在起始状态时的位矢和速度，可求得质点的运动方程在力学中还有很多这样的关系，读者不妨自已归纳整理一下，从而学会自觉运用微积分来处理物理问题，运用时有以下几个问题需要引起大家的关注：（1）运用微积分的物理条件.在力学学习中我们会发现，=。+at和r=a'等描述质点运动规律的公式，只是式de=「.ad 和式『。dr=vot+2"（。+at）d在加速度a为恒矢量条件下积分后的结果.此外，在高中物理中只讨论了一些质点在恒力作用下的力学规律和相关物理问题，而在大学物理中则主要研究在变力和变力矩作用下的力学问题，微积分将成为求解上述问题的主要数学工具（2）如何对矢量函数进行微积分运算.我们知道很多物理量都是久量，如力学中的、、a、P等物理量，矢量既有大小又有方向，从数学角度看它们都是“二元函数”，在大学物理学习中，通常结合叠加法进行操作，如对一般平面曲线运动可先将矢量在固定直角坐标系中分解，分别对x、轴两个固定方向的分量（可视为标量）进行微积分运算，最后再通过叠加法求得矢量的大小和方向；对平面圆周运动，则可按切向和法向分解，对切线方向上描述大小的物理量a，、、s等进行微积分运算，（3）积分运算中的分离变量和变量代换问题.以质点在变力作用下作直线运动为例，如已知变力表达式和初始状态求质点的速率，求解本问题一条路径是：由F=ma求得a的表达式，再由式du=adt通过积分运算求得，其中如果力为时间的显函数，则a=n(t)，此时可两边直接积分，即『de=「a(t)d;但如果力是速率的显函数，则α=α（），此时应先作分离变量后再两边积分，即得dn=，d;又如力是位置x的显函数,则a=a(x),此时可利用=尝得eoa(v)dt=些，并取代原式中的d,再分离变量后两边积分，即厂nd=『a(x)dz，用c变量代换的方法可求得（）表达式，在以上积分中建议采用定积分，下限为与积分元对应的初始条件，上限则为待求量，5.求解力学问题的几条路径
4第一篇力学综合力学中的定律，可归结为三种基本路径，即（1）动力学方法：如问题涉及到加速度，此法应首选.运用牛顿定律、转动定律以及运动学规律，可求得几乎所有的基本力学量，求解对象广泛，但由于涉及到较多的过程细节，对变力（矩）问题，还将用到微积分运算，故计算量较大.因而只要问题不涉及加速度，则应首先考虑以下路径（2）（角）动量方法：如间题不涉及加速度，但涉及时间，此法可首选（3）能量方法：如问题既不涉及加速度，又不涉及时间，则应首先考虑用动能定理或功能原理处理问题当然对复杂问题，几种方法应同时考虑.此外，三个守恒定律（动量守恒、能量守恒、角动量守恒定律）能否成立往往是求解力学问题首先应考虑的问题.总之应学会从不同角度分析与探讨问题以七只是原则上给出求解力学问题一些基本思想与方法，其实求解具体力学问题并无固定模式，有时全靠“悟性”.但这种“悟性”产生于对物理基本规律的深人理解与物理学方法掌握之中，要学会在解题过程中不断总结与思考，从而使自己分析问题的能力不断增强