哈佛大學(xué)《大學(xué)物理學(xué)》(第三版)教材評介-2

哈佛大學(xué)《大學(xué)物理學(xué)》(第三版)教材評介張立彬（南開大學(xué)外國教材中心；天津300071）尹煒愷（南開大學(xué)物理科學(xué)學(xué)院；天津300071；美國賓州里海大學(xué)物理系）[內(nèi)容摘要]通過對哈佛大學(xué)理工科物理教材《大學(xué)物理學(xué)》的評介與分析，建議國內(nèi)編寫同類教材時(shí)參考該書的風(fēng)格特色：圖片精美，顏色鮮明；語言風(fēng)格多樣，吸引讀者；知識(shí)點(diǎn)全面，理論和實(shí)際結(jié)合；強(qiáng)調(diào)基礎(chǔ)理論，結(jié)合前沿科學(xué)研究；及時(shí)更新，增加內(nèi)容；循序漸進(jìn)，權(quán)威人士編寫等。[關(guān)鍵詞]哈佛大學(xué)；理工科教材；大學(xué)物理學(xué)；教材評介；借鑒與啟示《PhysicsforScientists&Engineers》(ThirdEdition)(大學(xué)物理學(xué))是美國哈佛大學(xué)課程編號為6053的課程“PhysicalSciences2.Mechanics,Elasticity,Fluids,andDiffusion”（物理學(xué)2.力學(xué)，彈性，流體，擴(kuò)散）所選用的教材。《PhysicsforScientists&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(xué)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(xué)伯克利分校的教授，撰寫了很多和大學(xué)物理學(xué)相關(guān)的書籍。比如，大學(xué)物理學(xué)的前三版、大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)、物理學(xué)原理及應(yīng)用、學(xué)生物理手冊、袖珍指南和物理習(xí)題集等。DouglasC.Giancoli對物理學(xué)有很寬泛的認(rèn)識(shí)，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(xué)的發(fā)展經(jīng)歷了20世紀(jì)的突飛猛進(jìn)，到了21世紀(jì)日益成熟。一本概括所有物理學(xué)分支領(lǐng)域的書對于物理學(xué)專業(yè)和其它的理工科專業(yè)的學(xué)生來說是很重要的，這樣能讓他們從基礎(chǔ)上了解物理學(xué)的知識(shí)，對物理產(chǎn)生濃厚的興趣?！禤hysicsforScientists&Engineers》是美國哈佛大學(xué)的物理學(xué)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(chǔ)上進(jìn)行了改進(jìn)。這次改進(jìn)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(xué)界的最新研究，使本書的第三版有了更多的亮點(diǎn)。本書的內(nèi)容主要包括了運(yùn)動(dòng)學(xué)（測量、物體的運(yùn)動(dòng)），動(dòng)力學(xué)（牛頓定律、萬有引力定律、動(dòng)能定理、能量守恒定律、動(dòng)量和角動(dòng)量），流體力學(xué)，波動(dòng)，聲學(xué)，熱力學(xué)（熱力學(xué)定律），電磁學(xué)（電荷和電場、高斯定理、電勢、電容、電流、電路、磁場、電磁感應(yīng)、麥克斯韋方程組），光學(xué)（反射和折射、棱鏡和光學(xué)器件、干涉），狹義相對論，原子物理，量子力學(xué)，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(xué)的分支，對于非物理學(xué)專業(yè)的理工科本科生和初步了解物理學(xué)的學(xué)者來說是一本很好的參考書。三、主要特點(diǎn)本書的內(nèi)容豐富、圖片精美，用生動(dòng)通俗的方式講解物理學(xué)的基本原理，并涉及大量在生活和工程中的應(yīng)用，對經(jīng)典物理和近代物理都有相當(dāng)全面、系統(tǒng)的介紹。在第二版的基礎(chǔ)上，第三版做了很大的改進(jìn)。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(kuò)展的部分包括現(xiàn)代物理，其中分成了九個(gè)章節(jié)；最后一部分是天體物理和宇宙學(xué)。3.1排版方面的特點(diǎn)這本書在排版方面很特別，圖片精美，顏色鮮明，對學(xué)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(gè)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(shí)驗(yàn)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(xué)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(xué)書籍，這本書的旁注能提醒讀者那些還會(huì)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(huì)有明顯的旁注或者被矩形的方框包圍。一些重要的公式會(huì)加上很亮的背景，以作強(qiáng)調(diào)。這本書的每章開篇都會(huì)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(rèn)為是這一章的一個(gè)總結(jié)，有的時(shí)候這也是對讀者的一種挑戰(zhàn)。3.2內(nèi)容方面的特點(diǎn)這本書的內(nèi)容豐富，用生動(dòng)通俗的方式講解物理學(xué)的基本原理，并涉及大量在生活和工程中的應(yīng)用，對經(jīng)典物理和近代物理都有相當(dāng)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(yuǎn)鏡、粒子物理和宇宙學(xué)（宇宙的年齡）等方面做了更新。新加入了物理學(xué)課題：進(jìn)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(dòng)機(jī)效率無滑滾動(dòng)和有滑滾動(dòng)以及其他關(guān)于轉(zhuǎn)動(dòng)的細(xì)節(jié)；橋、拱門以及圓屋頂?shù)氖芰?；方波；麥克斯韋分布的應(yīng)用；奧托循環(huán)；自由膨脹中熵的計(jì)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(biāo)準(zhǔn)；希格斯玻色子和超對稱。介紹了現(xiàn)代物理學(xué)：空間曲線的萬有引力和黑洞；行星繞很遠(yuǎn)的恒星的旋轉(zhuǎn)；相對速率的動(dòng)能；核碰撞；恒星崩塌；星系紅移和多普勒效應(yīng)；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(dǎo)線中的電子；超導(dǎo)；電子的發(fā)現(xiàn)和性質(zhì)和荷質(zhì)比；油滴實(shí)驗(yàn)；霍爾效應(yīng)；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(gè)知識(shí)點(diǎn)的思考，從而更清楚地了解物理學(xué)的知識(shí)。比如：利用對稱性；哪個(gè)物體從山上滾下速度最快；洞的熱膨脹等。重視知識(shí)點(diǎn)的應(yīng)用：基本在每一章都有一小節(jié)是關(guān)于這章知識(shí)點(diǎn)的應(yīng)用。這也是這本物理學(xué)用書的一大特點(diǎn)。換句話說，這讓讀者重新去思考為什么學(xué)習(xí)物理這個(gè)問題。本書也在第二版的基礎(chǔ)上加了很多其他的應(yīng)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(jī)；電容濾波器；光纖；相機(jī)；望遠(yuǎn)鏡；顯微鏡；半導(dǎo)體等等。四、學(xué)術(shù)價(jià)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(xué)的專業(yè)領(lǐng)域書籍，但是在學(xué)術(shù)價(jià)值上也有其獨(dú)到之處。這本書對于那些初涉物理學(xué)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(shí)際聯(lián)系起來，讓學(xué)生在學(xué)習(xí)物理的過程中找到樂趣，并不僅僅是枯燥的理論學(xué)習(xí)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(yīng)用，比如說安全氣囊、防鎖定制動(dòng)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(yīng)用和研究都是很前沿的，而本書讓那些初涉物理學(xué)的讀者在學(xué)習(xí)基礎(chǔ)知識(shí)的同時(shí)也了解到了物理學(xué)前沿的研究進(jìn)展。相信這樣的特點(diǎn)在引起讀者興趣的同時(shí)，也會(huì)推動(dòng)物理學(xué)研究的進(jìn)展?？梢哉J(rèn)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(xué)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(xué)課題的思考，很容易讓讀者對物理學(xué)產(chǎn)生興趣。作為物理學(xué)的學(xué)生，也可以把這本書看成是自己知識(shí)體系的完善和回憶。這本書同時(shí)很全面的概括了物理學(xué)的各個(gè)分支，把理論和應(yīng)用緊密結(jié)合，讓人們認(rèn)識(shí)到為什么學(xué)物理。讀者通過閱讀這本書也會(huì)認(rèn)識(shí)到學(xué)科之間的聯(lián)系。實(shí)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(jìn)的教育思想和注重實(shí)際應(yīng)用、綜合素質(zhì)培養(yǎng)的教育理念，加深對物理學(xué)知識(shí)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(xué)的研究確實(shí)存在一定的差距，從而不可避免地導(dǎo)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(gè)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(xué)的教材，對我國高等教育教材建設(shè)有著很大的啟示，主要有以下幾點(diǎn)：6.1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(yùn)用大量不同的顏色，不僅能吸引讀者，在另一個(gè)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(shí)候這也是對讀者的一種指引。6.2語言風(fēng)格多樣，吸引讀者。語言風(fēng)格多樣是吸引讀者深入閱讀且適應(yīng)不同讀者群的客觀需要?，F(xiàn)在國內(nèi)的理論物理教材，在語言上過于刻板，缺少風(fēng)趣。我們可以吸收國外著名教材的不同寫作風(fēng)格，增加物理學(xué)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(shí)的積累也是很好的催化劑。6.3知識(shí)點(diǎn)全面，理論和實(shí)際結(jié)合。國內(nèi)很多物理學(xué)的書籍只是一味的強(qiáng)調(diào)記住理論知識(shí)，從而用于做題，忽略了理論知識(shí)在實(shí)際生活中的應(yīng)用。這本書基本在每一章都有一小節(jié)是關(guān)于這章知識(shí)點(diǎn)的實(shí)際應(yīng)用。這也是這本物理學(xué)用書的一大特點(diǎn)。理論和實(shí)際結(jié)合能讓讀者認(rèn)識(shí)到學(xué)習(xí)物理不只是為了做題，從而重新去思考為什么學(xué)習(xí)物理。6.4強(qiáng)調(diào)基礎(chǔ)理論，結(jié)合前沿科學(xué)研究。在基礎(chǔ)物理理論書籍中，國內(nèi)作者可以提一些該理論在當(dāng)今物理學(xué)界的前沿研究。這樣能讓那些初涉物理學(xué)界的讀者在學(xué)習(xí)基礎(chǔ)知識(shí)的同時(shí)也了解到物理學(xué)前沿的研究進(jìn)展。相信這樣的特點(diǎn)也在引起讀者興趣的同時(shí)，會(huì)推動(dòng)物理學(xué)研究的進(jìn)展。6.5及時(shí)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(jìn)和提高?？紤]到出版過程中不可避免的錯(cuò)誤和知識(shí)點(diǎn)的爭議性，當(dāng)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(shí)。因而，教材內(nèi)容要與時(shí)俱進(jìn)，讓讀者在理論方法和實(shí)驗(yàn)手段上都能及時(shí)掌握最先進(jìn)的知識(shí)。6.6循序漸進(jìn)，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?yuàn)W的知識(shí)點(diǎn)，但是這本書的作者DouglasC.Giancoli教授卻是物理學(xué)界的權(quán)威人士。DouglasC.Giancoli教授對物理界有自己獨(dú)到的認(rèn)識(shí)，也編寫了很多非物理學(xué)專業(yè)的物理學(xué)用書。我國高等教育的教材建設(shè)要上一個(gè)新臺(tái)階，必須也需要這樣的學(xué)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(gè)主要的方法1-1科學(xué)的本質(zhì)5.牛頓定律的進(jìn)一步應(yīng)用20-5熵25-2電流20-6熵和熱力學(xué)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(jì)解釋25-6家庭電路的功率20-10絕對零度和熱力學(xué)第三定律25-7交流電21.電荷和電場25-8電流的微觀觀點(diǎn)21-1靜電場；電荷和電荷守恒25-9超導(dǎo)體21-2原子中的電荷25-10電動(dòng)危害；漏電21-3絕緣體和導(dǎo)體26.DC電路21-4誘導(dǎo)電荷；驗(yàn)電器26-1電動(dòng)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(yīng)強(qiáng)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(yùn)動(dòng)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(yīng)用：檢流計(jì)，發(fā)動(dòng)機(jī)，揚(yáng)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(yīng)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(dǎo)線的磁場32-9收音機(jī)和電視28-2兩平行導(dǎo)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(yīng)和法拉利定律34.棱鏡和光學(xué)器件29-1.感應(yīng)電動(dòng)勢34-1薄透鏡；光束追蹤29-2法拉利感應(yīng)定律；楞次定律34-2棱鏡方程29-3運(yùn)動(dòng)中導(dǎo)體的感應(yīng)電動(dòng)勢34-3組合棱鏡解決問題29-4發(fā)電機(jī)34-4棱鏡制造方程29-5反電動(dòng)勢；渦流34-5相機(jī)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(yīng)的應(yīng)用：聲音系統(tǒng)，地動(dòng)儀34-8望遠(yuǎn)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(dòng)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(shí)驗(yàn)30-6LRC回路35-4連續(xù)性31.AC回路35-5雙縫干涉的強(qiáng)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(qiáng)39-5一維薛定諤方程36.衍射和極化39-6時(shí)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(qiáng)度39-8勢井中的粒子36-3雙縫衍射實(shí)驗(yàn)39-9隧道障礙36-4分辨率限制；圓孔40.原子的量子力學(xué)36-5望遠(yuǎn)鏡和顯微鏡的分辨率；波長限制40-1原子的量子力學(xué)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(xué)40-4復(fù)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(dòng)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(shí)驗(yàn)41-1分子結(jié)合37-3狹義相對論的假設(shè)41-2分子的勢能37-4同時(shí)性41-3弱結(jié)合37-5時(shí)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(shí)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(dòng)量41-8半導(dǎo)體37-10極限速度41-9半導(dǎo)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42-1原子核的構(gòu)造和性質(zhì)38.早期量子理論和原子模型42-2束縛能和核力量38-1普朗克的量子假設(shè)42-3放射性38-2光的光子理論和光電效應(yīng)42-4Alpha衰變38-3光子和康普頓效應(yīng)42-5Beta衰變38-4光子相互作用42-6Gamma衰變38-5波粒二相性；互補(bǔ)原理42-7核子數(shù)守恒和其他守恒定律38-6物質(zhì)的波特性42-8半衰變38-7電子顯微鏡42-9衰變率和半衰期的計(jì)算38-8原子的早期模型42-10衰變系列38-9原子光譜：決定原子的構(gòu)造42-11輻射時(shí)間38-10波爾模型42-12輻射監(jiān)測38-11德布羅意假