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内容简介

本书是配合大学物理混合式教学而编写的学生课外学习用书。其设计理念是： 建造一个适合学生自我探究的阶梯，让学生从易到难，从简单到复杂，由单个知识点到多个知识点进阶式地学习大学物理。

本书将大学物理的基本内容划分为16章81节，每节由阅读指南、阅读题、概念练习题和综合训练题组成。学生可在课前按照阅读指南的提示，阅读相关的教材或观看教学视频，完成阅读题； 课后复习课堂所学知识后，完成概念练习题和综合训练题。教师还可针对学生在使用该书学习过程中普遍存在的难点问题，在习题课上进行深入的探讨。

本书的特色： ①遵循认知规律和脚手架理论来设计题目，让学生对物理概念从接受到理解到掌握，以序列问题的方式展开； ②题目主要以选择题为主，目的在于学生可以快速作答，课前快速预习，课后快速复习课上知识，在较短的时间内掌握物理概念，获得成就感。

本书适合理工科大学生学习大学物理使用，尤其适合开展混合式教学改革的课堂学生使用。

作者简介

蔡天芳：副教授， 1992年毕业于清华大学物理系获理学硕士，1994年任职于北京交通大学物理系至今。长期工作在本科教学第一线，从事基础物理教学与教改工作。将国外先进的教育技术--应答互动系统引入课堂，对教学工作做了大量的实证研究，其研究成果合作发表在美国《Science》，并被《Nature》转载（2009年）。曾获北京高校青年教师教学基本功一等奖（2001年），国家高等教育成果二等奖（2005年，排名第4），北京市高等教育成果一等奖（2013年，排名第2）。教学与科研论文*一作者8篇，第二作者5篇，其中SCI论文6篇。曾出版《大学物理教学软件》《大学物理学电子教案》《大学物理学网络导学系统》。

目录

第1章质点运动学
1.1矢量
1.2质点运动的描述
1.3在直角坐标系中质点运动的分析
1.4在自然坐标系下质点运动的分析
*1.5在极坐标系下质点运动的分析
1.6运动的相对性
1.7质点运动综合练习
答案及部分解答
第2章动量与牛顿运动定律
2.1牛顿运动定律
2.2非惯性系及惯性力
2.3质点(或质点系)的动量与动量守恒
2.4冲量与动量定理
2.5质心与质心运动定理
答案及部分解答
第3章功和能
3.1功
3.2势能
3.3功能原理和机械能守恒
答案及部分解答
第4章质点与质点系的角动量
4.1质点角动量、力矩和角动量定理
4.2质点与质点系的角动量守恒定律
答案及部分解答
第5章刚体
5.1刚体运动学
5.2刚体的转动惯量
5.3刚体绕定轴转动的转动定理
5.4角动量定理转动中的功与能
5.5刚体的进动
5.6刚体综合训练
答案及部分解答
第6章相对论
6.1狭义相对论运动学
6.2狭义相对论动力学
答案及部分解答
第7章静电场
7.1电荷库仑定律电场强度
7.2电通量高斯定理
7.3静电场的环路定理电势
答案及部分解答
第8章导体与电介质
8.1静电场与导体的相互作用
8.2空腔导体在静电场中的性质
8.3电介质在静电场中的性质
8.4电容静电能
答案及部分解答
第9章磁场
9.1恒定电流和恒定电场
9.2恒定磁场的计算
9.3安培环路定理
9.4磁通量稳恒磁场中的“高斯定理”
9.5磁场对运动电荷和载流导体的作用
9.6磁介质
答案及部分解答
第10章电磁感应
10.1电磁感应的基本规律法拉第电磁感应定律
10.2动生电动势
10.3感生电动势
10.4自感与互感
10.5磁场的能量
10.6电磁场与电磁波
答案及部分解答
第11章气体动理论
11.1热学基本概念和理想气体物态方程
11.2理想气体的压强公式和温度公式
11.3能量按自由度均分定理和理想气体的内能
11.4麦克斯韦速率分布律
11.5气体分子的平均自由程
11.6气体内的迁移现象
*11.7实际气体和范德瓦尔斯方程
答案及部分解答
第12章热力学
12.1热力学第一定律
12.2热力学第一定律对准静态过程的应用
12.3循环与效率
12.4热力学第二定律和卡诺定理
12.5热力学第二定律的统计意义、熵
答案及部分解答
第13章简谐振动
13.1简谐振动的描述
13.2简谐振动的旋转矢量表示法
13.3简谐振动的能量
13.4振动的合成
答案及部分解答
第14章波动
14.1波的传播
14.2平面简谐波的波函数
14.3简谐波的能量
14.4波的干涉
14.5驻波
14.6多普勒效应
答案及部分解答
第15章波动光学
15.1光、光源、光的干涉基本性质
15.2分波前干涉
15.3分振幅干涉
15.4光的衍射——夫琅禾费单缝衍射
15.5光的衍射——圆孔衍射
15.6光的衍射——光栅衍射
15.7光的衍射——X射线衍射
15.8光的偏振基本概念
15.9双折射现象波片
答案及部分解答
第16章量子物理
16.1光的量子性
16.2实物粒子的波粒二象性
16.3波函数
16.4海森伯不确定关系
16.5薛定谔方程及其应用
16.6氢原子的量子力学描述原子中的电子
答案及部分解答

精彩书摘

　　3.1.5(知识点： 功的计算)
　　接上题，则在t=1s到t=2s时间内该力所做的功应为。
　　3.1.6(知识点： 质点的动能定理)
　　质量为0.1kg的质点，由静止开始沿曲线r=(5/3)t3i+2j(SI)运动，则在t=0到t=2s时间内，作用在该质点上的合力所做的功应为。
　　3.1.7(知识点： 质点的动能定理)
　　质量为1kg的质点，沿x轴由静止出发作直线运动。所受合力为F=4ti(SI)，前t秒内合力做功为。
　　3.1.8(知识点： 一对力)
　　对一对作用力和反作用力来说，二者持续时间相同。下列结论中正确的是()。
　　A. 二者做功必相同B. 二者做功总是大小相等、符号相反
　　C. 二者的冲量完全相同D. 二者的冲量不同，做功也不一定相等
　　3.1.9(知识点： 内力)
　　下列表述中正确的是()。
　　A. 内力不能改变系统的总动量B. 内力不能改变系统的总动能
　　C. 内力对系统做功的总和不一定为零D. 以上都不对
　　3.1.10(知识点： 内力做功)
　　在质点系中，以下哪些例子内力做功不为零，使得系统的动能增大？（）
　　A. 炮弹爆炸时，以炮弹作为一个系统
　　B. 荡秋千时，以人和秋千作为一个系统
　　C. 滑块沿光滑的斜面无摩擦地滑下，斜面置于光滑的水平面上，以滑块和斜面作为一个系统
　　D. 以上系统的内力做功都为零
　　3.1.11(知识点： 功的概念)
　　一个人以恒定的速度在水平地面上拉动一个箱子，如图3.2所示。如果把地球和箱子看成一个系统，则作用在这个系统上的水平方向上合力()。
　　图3.2
　　A. 等于零，因为该系统是孤立的
　　B. 不等于零，因为该系统不是孤立的
　　C. 等于零，尽管该系统是不孤立的
　　D. 不等于零，因为该系统是孤立的
　　3.1.12(知识点： 功的概念)
　　一个人以恒定的速度在水平地面上拉动一个箱子，如图3.2所示。如果把地球和箱子看成一个系统，则人对这个系统做的功()。
　　A. 等于零B. 不等于零C. 信息不足，无法判断
　　Step 3下面的题目需要一些技巧和综合能力，希望读者能坚持做完。
　　3.1.13(知识点： 功的概念)
　　图3.3
　　如图3.3所示，有一半径为R的1/4凹圆柱面的物体，其质量为M，放置在光滑水平面上。当质量为m的滑块从静止开始从粗糙的凹圆柱面顶端沿凹圆柱面滑下过程中，以地面为参考系，m为研究对象，M对m的支持力所做的功(填大于零、小于零或等于零)。
　　3.1.14(知识点： 一对力的功)
　　接上题，分别以地面和凹圆柱面为参考系，M与m之间一对支持力(作用力与反作用力)所做的功之和分别为，(填大于零、小于零或等于零)。
　　3.1.15(知识点： 一对力的功)
　　接上题，分别以地面和凹圆柱面为参考系，M与m之间一对摩擦力(作用力与反作用力)所做的功之和分别为，(填大于零、小于零或等于零)。
　　3.1.16(知识点： 一对力的功)
　　在质点系中，以下描述中哪些是正确的？()
　　A. 一对相互作用力的功之和与参考系无关B. 一对相互作用力的功之和不一定为零
　　C. 一对正压力的功之和不一定为零D. 一对静摩擦力的功之和不为零
　　E. 一对滑动摩擦力的功之和为负
　　3.1.17(知识点： 功的计算)
　　图3.4
　　一质点在如图3.4所示的坐标平面内作圆周运动，有一力F=F0(xi+yj)作用在质点上。在该质点从坐标原点运动到(0，2R)位置过程中，力F对它所做的功为()。
　　A. F0R2B. 2F0R2
　　C. 3F0R2D. 4F0R2
　　3.1.18(知识点： 功的计算)
　　一质量m=100kg的物体从与地心的距离r1=6.37×106m处移动到无穷远处的过程中，地球对物体的万有引力做的功为()。(已知地球质量为M=5.98×1024kg，万有引力常量G=6.67×10-11m3·kg-1·s-2)
　　A. 6.26×109JB. -6.26×109J
　　C. 5.8×107JD. -5.8×107J
　　3.1.19(知识点： 功的计算)
　　当弹簧振子振幅较大时，弹性回复力随弹簧形变的变化规律为f=-kx-ax3，则弹簧从形变量为x恢复到原长的过程中作用在质量为m的小滑块的弹性力所做的功为()。
　　A. -kx2-ax4B. kx2+ax4
　　C. (1/2)kx2+(1/2)ax4D. (1/2)kx2+(1/4)ax4
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前言/序言

　　长期以来，北京交通大学工科物理教学团队致力于“大学物理”课程的改革，并取得了骄人的成绩： 先后获得国家教学成果特等奖一项、国家教学成果二等奖两项。由蔡天芳老师主编的《进阶式探究物理》一书，是上述教学成果的重要组成部分。
　　怎样通过课程教学，不仅能使学生学到知识，而且能够有效提高学生的科学思维能力和探究精神，一直是教师们探索和追求的目标。近些年来，随着信息技术的发展，新的教学技术和手段不断涌现，如： 几年前的“clicker”，目前的“雨课堂”等，为实现在课堂上进行探究式交互教学，提供了有效的工具。然而，再先进的技术和手段也只能是教学的辅助，而探究式交互课堂教学成功的关键，还是用全新的理念对教学内容本身进行研究与设计。
　　多年来，北京交通大学工科物理教学团队开展探究式交互课堂教学，力图准确把握学生可能产生的各种错误，再经过教师的精心设计、学生们的参与和反馈，积累了大量的一手资料，并在教学实践中不断地丰富和完善，《进阶式探究物理》一书，就是在此基础上编写的。
　　《进阶式探究物理》一书汇集了精心编写的1089道题，涵盖大学物理课程的全部教学内容，该书的内容结构和主要特点归纳如下：
　　（1） 课前阅读指南： 给学生一个简单明了的阅读指导，让学生比较容易地切入本节教学内容；
　　（2） 课前阅读题： 以选择题为主，题目较为简单，只要学生阅读了指定资料，就能答对，初步给学生一种成功的体验，为引入课堂内容、对学生进行启发式教学做准备。
　　（3） 课堂互动题： 该书提供了大量可供教师在课堂上选择使用的互动题目。题目分为脚手架型和认知冲突型两大类，给学生搭建一个学习的阶梯，帮助学生“学会了、巩固好、再深入”。
　　（4） 课后练习题： 这一部分题目主要针对课堂中的重点概念、易错点、难点进一步思考、探索。题目仍然分为脚手架型和认知冲突型两大类，以选择题的形式为主，减少计算量，使同学能够用最短的时间、最少的精力，完成对课堂知识的复习。
　　（5） 综合训练题： 作为一个阶段学习的总结复习，给学生搭建一个更有挑战性的阶梯，帮助学生对物理概念的融会贯通，并对这些概念能灵活应用。这部分题目有脚手架型、认知冲突型，也有填空题、计算题和开放性的讨论题，兼顾对学生计算能力和综合运用能力的培养。
　　（6） 答案与难题简答： 全书中的每个题目都有答案并经过教学试用，对较为困难的题目都注上了简答，方便教师和学生的使用。
　　本书题目的设计和选择有以下三个特点：
　　（1） 主要由选择题构成。
　　本书除了综合练习中有少量的填空题、计算题和开放性讨论题外，全部采用了选择题，包括单选题和多选题。这样的课堂题目设计，可以最有效地实现课堂交互，便于与学生进行探讨交流，以便有效地完成教学目标。这样的题目设计也适合课前快速预习和课后快速复习，避免陷入题海战之中。
　　（2） 题目的构成序列化。
　　按照学生的认知规律，搭建由易到难、由单个知识点到多个知识点的脚手架式题目，使得学生逐次递进地建立起对物理概念的理解，加深理解和了解相应的技术应用。学生有序地按照进阶式的方式学习，降低了学习的难度，避免因“挫败”而失去学习的兴趣。
　　（3） 题目选择难易均衡。
　　本书编写之前，北京交通大学工科物理教学团队曾作为课程讲义经过多年的教学试用，根据学生课堂互动的数据、课后与学生面谈反馈情况、对易错概念进行收集和分析，再精心设计易、中、难几个层次的问题，给学生搭建一个可以攀登的阶梯，最后做进一步筛选和调整题目，使之能够涵盖大学物理的教学知识点。
　　建议使用本书的教师，吸纳北京交通大学的老师们多年的教学经验，在开课之前与学生进行良好的沟通，并设立考核与激励机制，例如，将学生课前预习问题的答对率、课堂上互动的参与度以及课后复习和综合练习的完成情况等，作为平时成绩纳入学生的期末考核当中，具体做法可参照编者的“如何使用本书”。
　　总之，这本书教学理念新、内容丰富、可操作性强，为大学物理课程全新模式的教学改革提供了一条切实可行的途径，值得同行的教师们予以充分的关注。
　　国家教学成果特等奖、国家级教学名师奖获得者
　　北京交通大学教授王玉凤
　　2018年4月北京


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