伯克利物理學教程(SI版)第3卷：波動學(翻譯版)

中譯本再版前言
「伯克利物理學教程」 序
「伯克利物理學教程」 原序（一）
「伯克利物理學教程」 原序（二）
出版說明
前言
致謝
教學說明

第1章 簡單體系的自由振動……… ２
11引言………………………………… ２
12一個自由度體系的自由振動……… ３
術語…………………………………… ３
回復力和慣性………………………… ４
振動的行為…………………………… ４
物理意義………………………… ４
阻尼振動……………………………… ４
例1： 單擺……………………………… ４
例2： 有質量的物體和彈簧———縱向
振動……………………………… ６
例3： 有質量的物體和彈簧———橫向
振動……………………………… ７
玩具彈簧近似………………………… ８
小振動近似…………………………… ８
例4： ＬＣ 電路………………………… １０
13線性和疊加原理………………… １１
線性齊次方程………………………… １１
初始條件的疊加……………………… １２
線性非齊次方程……………………… １３
例5： 球面擺………………………… １３
14兩個自由度體系的自由振動…… １４
一個模式的性質……………………… １４
例6:簡單的球面擺………………… １５
例7:二維諧振子…………………… １５
簡正坐標……………………………… １６
振動模式的系統求解法……………… １７
例8:兩個耦合的有質量物體的縱向
振動…………………………… １９
例9:兩個耦合的有質量物體的橫向
振動…………………………… ２１
例10: 兩個耦合的ＬＣ 電路………… ２３
15拍………………………………… ２４
調制…………………………………… ２５
准諧振動……………………………… ２５
例11:兩個音叉產生的拍…………… ２６
平方律探測器………………………… ２６
例12:兩個可見光源之間的拍……… ２８
例13:兩個弱耦合的等同振子的簡
正模式之間的拍……………… ２８
特殊例子……………………………… ３１
習題與課外實驗………………………… ３１

第2章 多自由度體的自由振動…
第3章 受迫振盪
第4章 行波
第5章 反射
第6章 調制、脈沖和波包
第7章 二維和三維的波
第8章 偏振
第9章 干涉和衍射 索引

前言

這一卷專門研究波動學。這是一個廣泛的課題。人人都知道許多涉及波動的自然現象，諸如水波、聲波、光波、無線電波、地震波、德布羅意波以及其他各種波。而且仔細查閱一下任何物理學圖書室的書架都會發現，對波動現象某一個方面的研究（譬如說水中的超聲波）就可以占用整本的書或期刊，甚至可能吸引某個科學家的全部注意力。令人驚異的是，在這些狹窄研究領域之一工作的「專家」，通常能夠相當容易地同其他一些被認為在與此無關的也被認為是狹窄的領域內工作的專家進行交流，為此他首先只需要學會對方的行話，學會他們所使用的單位（譬如，秒差距是什麼意思？）以及哪些物理量是重要的，等等。的確，一旦他發現自己的興趣有了改變，他就可以迅速地改行而成為新領域里的「專家」。這種情況之所以可能，是由於有一個明顯的事實，即許多完全不一樣的和表面上互不相干的物理現象，都可以用一系列共同的概念來描述，因而科學家之間具有共同的語言。在這些共同使用的概念中，有許多就暗含在波動這個詞內。

本書的主要目的是闡述波動學的一些基本概念以及這些概念之間的相互聯系。為了達到這個目的，本書是按照這些概念，而不是按照諸如聲、光等可觀察的自然現象來組織編寫的。

另一個目的是要使讀者熟悉許多重要而有趣的波動例子，從而具體地認識這些基本概念的普遍性及其廣泛應用。所以，每當引進一個新概念后，就把它立即應用到許多不同的物理體系上加以說明，例如弦線、玩具彈簧、傳輸線、硬紙筒、光束等。與之相並列的另一種方法，是先用一個簡單例子（例如拉緊的弦）引出這些有用的概念，然后再考慮其他有意義的物理體系。

通過選擇彼此之間具有相似幾何「外貌」的不同示例，我希望能鼓勵學生去尋求不同的波動現象之間的相似性和類比性。我也希望能激發學生的勇氣，當他們面對一些新現象時能夠利用這些類比來「妄測」。類比法的利用常常會有眾所周知的危險性，也可能隱藏着錯誤。但是，什麼事情都會是這樣。（把光猜測為可能「像是」類似果凍的「以太」中的機械波，曾經是一種非常有效的類比。它曾經幫助麥克斯韋得出他的著名方程組，並導出了一些重要的預言。有一些實驗———特別是邁克爾遜和莫雷實驗證明這種機械模型不可能完全正確，愛因斯坦於是指出了如何放棄這個模型而仍然保留下麥克斯韋方程組。愛因斯坦寧願直接去推測這些方程組，這可以稱為「純粹的」導出法。現在大多數物理學家雖然仍然在利用類比法和模型來幫助導出一些新的方程，但他們在發表結果時通常只給出方程，而不給出利用類比和模型導出這些方程的過程。）

課外實驗是本卷的重要組成部分，它們能夠給學生帶來樂趣和培養他們的洞察力，而這是從普通課堂演示和實驗室實驗得不到的，盡管課堂演示和實驗室實驗也同等重要。這些課外實驗全都是「家庭物理學」類型的實驗，只需要很少的甚至不需要特殊的設備。（只需要有一個光學工具箱。雖然手頭可能沒有音叉、玩具彈簧和硬紙筒等，但它們十分便宜，並不「特殊」。）這些實驗確實是讓學生在家里做的，不是在實驗室里做的。其中的許多實驗，叫做演示可能比叫做實驗更確切些。

本書中討論的每一個主要概念，都至少有一個課外實驗加以演示。除了引用例子來說明概念外，課外實驗還使學生有機會與一些物理現象直接「接觸」。由於這些實驗是在家里做的，這種接觸是十分密切的，是從容不迫的。這一點很重要。在家里做實驗沒有伙伴幫忙，一切都必須自己動手；也沒有指導教師向你解釋演示的意義和結果，一切都要依靠自己。你可以按照自己的速度進行演示，想做多少次就可以做多少次。

課外實驗有一個很寶貴的特點，那就是，如果你在晚上才想起你上星期做過的一個實驗有不清楚的地方，那麼十五分鍾以后，你就能安排妥當重做一次實驗。這一點很重要，因為在真正的實驗工作中，從來沒有一個人頭一次就「把它搞對了」。事后的思考是成功的秘訣（還有一些別的因素）。對於學習來說，有害和有妨礙的事情，莫過於由於「實驗設備已經拆掉了」或者由於「實驗室已經關門」（或由於別的莫明其妙的理由）而不善於在實驗以后繼續進行思考。

最后，我還希望通過課外實驗去培養學生具有我稱之為的「對現象的鑒賞力」。我希望學生用自己的雙手去創造出一個場面，能使他的眼睛、耳朵和頭腦既感到新鮮、驚奇，又感到十分愉快……