【9成新】【良好】张朝的理课

自序

 小学的时候，我是在外面奔跑玩耍中长大，这奠定了我后来好的体魄 及三维空间的直接体验。
 中学开始，中国恢复了高考制度，我开始发奋读书。在所有科目里，我发现数学和物理最讲道理，我清楚地记得牛顿第一定律让我理解了公共汽车突然刹车后发生的事情的那一刻—哦，原来是这样！我是在五机部工厂大院长大的，我父母都是医生，那个年代，“听诊器”和“方向盘”很吃香，子弟中学的老师跟我父母关系很好。有一天我妈跟没代过我课的最牛的物理老师说：“李老师，考考朝阳哦，看看他水平咋样。”我星期天去李老师办公室，他出题：在有摩擦力的斜面上一个物体什么时候不往下滑？我两分钟给出答案： µ≥ tanθ。李老师显得很高兴，但没说什么，只是说“你回去吧”。后来我妈告诉我，李老师说我是个人才，哈哈哈。
 中学的我，物理大爆发，兴趣浓厚，考试也没什么压力，物理竞赛得过第一名，也下定决心今后要成为一名物理学家。
 后来，大学时代，全国的尖子都放一块儿，80 年代，人们都很单纯幼稚，没有 PC，没有手机，没有互联网，甚至没有固定电话，脑子里只有几根筋，尖锐的几根筋支撑起的人生目标，局部压强极大，每个人都希望自己是最聪明、最可能当科学家的那一个，考试成绩变得如生死般重要，不因为就业、赚钱，而因为人的自我价值、自我判断。我们拼命地做习题，为了考试不出错，苏联的“吉米多维奇”上的题做了不少。考试出错扣分带来了挫败感和伤害，后来很多年这种挫败感以及异国他乡的亚文化孤独是我的人生底色，我变得厌学、拖延和叛逆……
 时间快进到几年前，我已经重整了价值观，在人生过半的年月，满血复活。我看到的是一个充满意义的新的地平线，这个价值观的核心是，每个人来到世上，是带着责任和使命的，人生际遇分配给你的角色，你有责任尽最大的努力去完成。我环顾四周看看我能做点儿什么。其他的事情就不说了，如果我以前有物理的背景，那么构成过去两百年人类科技进步的基础的神奇的物理，我居然没有搞懂，那不是没有尽到此生的责任吗？在复活的这几年，厌学已经荡然无存，我又像中学时期的我，如饥似渴，学习一切。
 在朋友圈看到描述理查德·费曼的学习方法的文章：一是围绕一个问题，翻阅资料，研究，而不是把一本书从头看到尾；二是写下来（自己推导）；三是讲给别人。这个方法我深表赞同，我叫它研究式学习。其实几百万年前智人从树上下来，围猎聚餐，在交流中发展了认知与语言。玻尔的哥本哈根学派就是在讨论争吵中窥视到了量子力学的真谛。所以我需要表达！
 而这短视频、直播的年代，每个人可以容易地获得听众。哈哈哈！2021 年的 11 月 5 日，《张朝阳的物理课》直播开张。
 这研究式学习一发不可收拾，大半年过去了，每周我确立兴奋点（主题），读一些资料，自己进行推导计算，写成讲稿，直播上课。课后再与几位来自中科院、清华大学等单位的博士生涂凯勋、李松、葛伯宣、张圣杰等讨论一小时，并由他们写成文字，剪成视频，这个循环已经进行了100 多次，本书是前 50 节课的内容。本书应用力学、热力学、统计力学、电磁学及量子力学的基础知识，对一些基本的物理问题进行了有个人风格的推导与演算，值得读者将其作为传统物理教科书的补充书籍阅读。
 可以挑着看，跳着看，结合搜狐视频上的“张朝阳”账号的全程回放以及“张朝阳的物理课”的二创短视频一块儿看。书中可能有不严谨的地方，欢迎大家一起探讨……

Enjoy reading and calculating!

张朝阳
2022年五一假期

空间站会不会突然掉下来？
微波炉加热食物的原理是什么？
天空为什么是蓝色的，而云朵是白色的？
太阳的寿命是多久?
怎么计算出声音的速度？
如何计算潮汐的高度？

“张朝阳的物理课”是火遍全网的烧脑在线课程，以高密度知识输出赢得超高人气。
在本书中，张朝阳从自然界的现象出发，引出基本物理概念，推导基本理论，研算现象后面的根本原因，达到本质的理解，涵盖力学、热力学、电磁学、量子力学等。本书中使用较多数学推导展示物理与数学的不可分割，也能帮助读者提升数学水平。

张朝阳

搜狐创始人、董事局主席兼首席执行官。

1986年毕业于清华大学物理系，同年考取李政道奖学金（CUSPEA）赴美留学，1993年底在美国麻省理工学院（MIT）获得博士学位，并继续在MIT从事博士后研究。1996年持风险资金，回国创立爱特信公司，并于1998年推出“搜狐”产品，同时将公司更名为搜狐公司。

在搜狐视频打造知识直播平台的背景下，《张朝阳的物理课》于 2021年 11月5日开播，每周周五、周日中午12时，张朝阳在搜狐视频上直播开讲物理。目前已经开讲了一百多课，本书是前50讲的内容。

读者可以在搜狐视频App“关注流”中搜索“张朝阳”，观看直播及往期完整视频回放；关注“张朝阳的物理课”账号，查看课程内容短视频；此外，还可以在搜狐新闻 App的“搜狐科技”账号上，阅览每期物理课的详细文章。
 

朝阳博士是中国互联网的重要先驱者之一，今天沉淀下来思索物理，推导公式且不断讲课，让人们看到他用物理学第一原理修炼精神、重塑事业、回归初心的努力。这本书花了心思，绝非玩票，多处彰显了当年李政道奖学金（CUSPEA）留美生扎实的 “童子功”。
——孙昌璞 中国科学院院士，发展中国家科学院院士，中国工程物理研究院研究生院院长

对大众而言，理解作为现代科学技术基石的物理学理论是一件很困难的事。在这本书中，张朝阳独出心裁，从有趣的物理问题出发，通过详尽推导，深入浅出地介绍了原本枯燥的物理学基础理论，给出了引人入胜的物理图像。张朝阳的物理课成为网络上的一股清流，感谢他对普及物理学知识的贡献。
——段文晖 中国科学院院士，清华大学理学院院长、物理系主任

不为考试，不为创业，只为打通物理学的理路、领略物理方程的大美。张朝阳淋漓尽致地体现了物理人的严谨与浪漫，推动了国人学习物理的新热潮，值得激赏。
——吴国盛 清华大学科学史系教授

从前张朝阳跳出物理圈发展得如此好，我不惊讶，坚信物理学好了干啥都能创奇迹。今天张朝阳一只脚踏回物理圈，我惊喜了。这本书，大中学生以及有或即将有孩子的青年人都应该看看，体会物理人的严谨和浪漫，眼界和气魄，提升自己，育好后代。
——吴於人 同济大学物理学教授

张朝阳用他的事业向我们展示了懂物理的人因为掌握了思想方法能做好许多事。现在他回到物理中来，你在书中可以看到许多有趣的问题，其实更重要的是他在把自己的学习经验和思考方式分享出来。
——陈征 北京交通大学副教授，“典赞·2019科普中国”十大科学传播人物

张朝阳博士在毕业多年后重回物理领域，有一种打通任督二脉的透彻感。我也很希望好好研读学习这本书！
——郝景芳 科幻作家，童行书院创始人

大多数人只知道张朝阳是初代互联网创业者，却忘了他物理学博士的身份。他扎实的物理学功底以及他对用户的了解，造就了这样一本面向大众却又不失专业性的读物。
——严伯钧 科普作家

今年持续登上热搜的《张朝阳的物理课》，我也曾有幸现场观摩过，课堂气氛很好，感觉体现出了张朝阳先生“人生底色”是物理人的严谨与浪漫。如果一直想走进物理世界的你，迟迟没有遇见合适的物理老师，那么你不妨看看这本书，没准就遇见了。
——李永乐 科普达人

自序

第一部分 经典力学问题 
牛顿定律与守恒量专题 002
空间站的速度有多快？——初识牛顿运动定律和万有引力 003
在力的作用下物体的动能怎么改变？——介绍能量守恒与动量守恒 009
均匀球体的引力可否等效到球心？——推导球坐标系的体积微元 015
卫星如何绕地飞行？——推导卫星轨迹方程 024
空间站受到扰动会不会掉下来？——第二宇宙速度及空间站扰动问题 034
花样滑冰怎样才能转得更快？——质点系的运动定律和角动量定理 044
陀螺仪为什么能定位方向？——讨论飞轮进动的原理 055

振动和波专题 063
微波炉为什么能加热食物？——振动方程和共振现象 064
琴弦的频率该怎么调？——推导并求解琴弦的波动方程 072
声音的速度和什么有关？——推导空气的声波方程和声速 079

第二部分 光电问题 
电磁波与光的散射 088
蓝天红日白云朵，光的散射现象多 095

第三部分 热力学与统计物理问题 101
热力学定律专题 102
绝热过程中压强与体积有何关系？——讲解热力学基本定律103
熵是什么？——探讨热力学第二定律109
熵为何不能减小？——再探热力学第二定律116

温度与温标专题 123
氧气含量为什么随着高度降低？——分析分子数密度随高度的变化
热力学温标与理想气体温标为何一致？——推导理想气体状态方程 131

统计物理专题 136
经典力学的绝热指数为何与实验不符？——推导理想气体的绝热方程 137
定容比热为何会随温度成阶梯状？——探究双原子分子的比热问题 144
大气中氢气含量为何低？——推导麦克斯韦速度分布律150

第四部分 黑体辐射问题 157
黑体辐射、瑞丽金斯公式的推导第一部分158
瑞丽金斯公式推导第二部分，及普朗克修正、黑体辐射公式164
从普朗克黑体辐射公式看维恩位移定律174
计算太阳的光强与推导斯特藩定律179

第五部分 量子力学问题 187
量子力学基础专题
量子力学诞生的背景——进军量子力学
波粒二象性——量子力学的核心特点
薛定谔方程——量子力学的牛顿定律
求解(定态)薛定谔方程——以无限深方势阱为例

从“氢”开始研究
求解氢原子模型（一）——将二体问题化为单体问题
求解氢原子模型（二）——哈密顿量算符径向与角向分离
求解氢原子模型（三）——求解薛定谔方程的角向部分
求解氢原子模型（四）——氢原子径向波函数
从原子走向化学——分析多电子原子262
求解谐振子模型——量子力学更广泛的应用274
双原子分子的光谱问题——结合氢原子和谐振子281

第六部分 相对论问题 287
狭义相对论专题 
迈克尔逊—莫雷实验，洛伦兹变换，时间膨胀，长度缩短289
洛伦兹变换推导，质量速度关系推导，质量能量关系推导303
狭义相对论应用实例313

第七部分 天体物理 321
太阳专题 
太阳究竟有多大、有多重？——对常见天文常量的估算323
太阳的寿命有多长？——估算太阳的寿命和太阳形成所花的时间 330
太阳的中心温度等于多少？——探讨太阳内部结构336
光竟然具有压力——探讨太阳辐射层光压能否辅助气压抵抗引力 345
太阳对流层的对流速度有多大？——借助光的多普勒效应354

潮汐专题 
怎么解释潮汐现象（上）？——求解地月系统的离心势能与引力势能 361
怎么解释潮汐现象（下）？——计算潮汐高度368
太阳也有潮汐力？——计算太阳引力对地月系统的影响376

中子星专题 384
中子星自转有多快？——中子星的起源与自转角速度

1. 麻省理工学院物理学博士、搜狐创始人张朝阳首部著作。从初代互联网创业者到回归物理学领域，展现物理人严谨而浪漫的追求和另一种人生意义的实现。
2. 火爆全网的硬核物理课精华呈现。空间站的速度有多快？微波炉为什么能加热食物？为什么天空是蓝的而云朵是白的？太阳究竟有多大有多重？《张朝阳的物理课》通过设置一个个话题，拆解7大物理专题，带领读者进入神秘而又浪漫的物理世界。 
3. 以公式推导解释物理原理，40多幅原画手稿细节再现推导过程。《张朝阳的物理课》以基础的物理、数学知识，研算我们存在的世界，获得本质的恍然大悟。
4. 中科院院士孙昌璞，中科院院院士、清华大学物理系主任段文晖，清华大学科学史系教授吴国盛，同济大学物理学教授吴於人，北京交通大学副教授陈征，新东方教育科技集团董事长俞敏洪，科幻作家郝景芳，科普作家严伯钧，科普达人李永乐联袂推荐