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第1部分 力学 3

第1章 质点运动学 3

1.1 质点和参考系 3

1.1.1 质点 3

1.1.2 参考系 4

1.1.3 坐标系 4

1.2 描述质点运动的物理量 5

1.2.1 时间和空间 5

1.2.2 过程量和状态量 6

1.2.3 位置矢量 6

1.2.4 位移矢量和路程 7

1.2.5 瞬时速度矢量 8

1.2.6 瞬时加速度矢量 10

1.2.7 位矢、速度、加速度的关系 12

1.3 抛体运动 14

1.3.1 运动叠加原理 14

1.3.2 运动方程和运动轨迹 15

1.4 质点的圆周运动 17

1.4.1 匀速率圆周运动 17

1.4.2 变速率圆周运动 17

1.4.3 圆周运动的角量描述 19

1.4.4 角量和线量的转换关系 21

1.5 一般平面曲线运动和自然坐标系 23

1.5.1 一般平面曲线运动 23

1.5.2 自然坐标系 25

习题 28

气象物语A 大气的运动 29

A.1 空气质点模型 29

A.2 空气质点的运动描述 30

第2章 质点动力学 32

2.1 牛顿运动定律 32

2.1.1 牛顿第一定律（惯性定律） 32

2.1.2 牛顿第二定律 33

2.1.3 牛顿第三定律 35

2.2 国际单位制和量纲 36

2.2.1 单位制 36

2.2.2 量纲 36

2.3 常见的力 37

2.3.1 基本的自然力 37

2.3.2 常见技术上的力 39

2.4 牛顿运动定律的应用 41

2.4.1 质点动力学的两类问题 41

2.4.2 质点动力学问题解题步骤 41

2.4.3 例题 41

2.5 相对运动和非惯性系力学 46

2.5.1 运动描述的相对性 46

2.5.2 力学相对性原理（伽利略相对性原理） 50

2.5.3 平动加速运动参考系中的惯性力 51

2.5.4 匀角速转动参考系中的惯性力 53

习题 58

气象物语B 大气动力学 61

B.1 作用于空气的力 61

B.2 大气运动动力学方程 65

第3章 运动的守恒量和守恒定律 67

3.1 质点和质点系的动量定理 67

3.1.1 动量 冲量 质点动量定理 67

3.1.2 质点系动量定理 71

3.2 动量守恒定律 73

3.3 功 功率 动能定理 75

3.3.1 功 75

3.3.2 功率 78

3.3.3 动能定理 79

3.4 保守力与非保守力 势能 81

3.4.1 保守力做功特点 81

3.4.2 保守力与非保守力 保守力做功的数学表达式 83

3.4.3 势能 84

3.4.4 势能与保守力的微分关系 85

3.4.5 势能曲线 86

3.5 质点系功能原理 机械能守恒定律 87

3.5.1 质点系动能定理 87

3.5.2 质点系功能原理 89

3.5.3 机械能守恒定律 89

3.6 碰撞 90

3.6.1 弹性碰撞 91

3.6.2 完全非弹性碰撞 91

3.6.3 非弹性碰撞 92

3.7 能量守恒定律 94

3.8 角动量 角动量守恒定律 95

3.8.1 角动量 95

3.8.2 力矩 96

3.8.3 角动量定理 96

3.8.4 质点系角动量定理 97

3.8.5 角动量守恒定律 98

习题 99

第4章 刚体力学 105

4.1 刚体运动学 105

4.1.1 刚体 105

4.1.2 平动和转动 105

4.1.3 定轴转动 107

4.1.4 定轴转动的角量描述 107

4.1.5 定轴转动角量和线量的关系 110

4.2 定轴转动的转动定理 112

4.2.1 力对轴的力矩 112

4.2.2 定轴转动的转动定理推导 113

4.2.3 转动惯量 115

4.3 定轴转动的动能定理 121

4.3.1 力矩的功 122

4.3.2 力矩的功率 123

4.3.3 转动动能 123

4.3.4 定轴转动的动能定理 123

4.4 质心与质心运动定理 124

4.4.1 质心 124

4.4.2 质心运动定理及质心运动守恒定律 127

4.5 刚体系统的功能原理及机械能守恒定律 129

4.5.1 刚体的重力势能 129

4.5.2 刚体系统的机械能 129

4.5.3 刚体系统的功能原理 129

4.5.4 刚体系统的机械能守恒定律 129

4.6 定轴转动的角动量定理及角动量守恒定律 131

4.6.1 角动量定理 131

4.6.2 角动量守恒定律 133

4.7 刚体的平面运动 137

4.7.1 平动 137

4.7.2 转动 138

4.7.3 纯滚动条件（无滑滚动） 138

4.7.4 刚体平面运动的动能 141

习题 141

气象物语C 流体力学简介 144

C.1 理想流体模型 144

C.2 理想流体的连续性方程 145

C.3 伯努利方程 146

第2部分 振动与波动 151

第5章 机械振动 151

5.1 简谐振动 151

5.1.1 振动的基本概念 152

5.1.2 简谐振动 152

5.1.3 简谐振动的特征量及计算 157

5.1.4 旋转矢量法和复数法 166

5.1.5 简谐振动的能量 170

5.2 简谐振动的叠加 174

5.2.1 同一直线上两个同频率简谐振动的合成 174

5.2.2 同一直线上n个同频率简谐振动的合成 177

5.2.3 同一直线上两个频率相近的简谐振动合成 178

5.2.4 同一振子同时参与两个相互垂直的简谐振动的合成 179

5.2.5 振动的分解频谱 183

5.3 阻尼振动、受迫振动和共振 186

5.3.1 阻尼振动 186

5.3.2 受迫振动和共振 188

习题 190

第6章 波动 193

6.1 关于波动的基本概念 193

6.1.1 波的产生和传播 193

6.1.2 横波与纵波 194

6.1.3 波面和波线 195

6.1.4 波速、波长以及波的周期和频率 196

6.1.5 波动的特征 198

6.2 简谐波 198

6.2.1 平面简谐波和波函数 198

6.2.2 波函数的物理意义 199

6.3 波动方程和波的能量 204

6.3.1 一维波函数的二阶微分形式 204

6.3.2 一维波动方程的动力学推导 204

6.3.3 波的能量 205

6.3.4 能流和能流密度 208

6.3.5 波的吸收 210

6.3.6 声波 超声波 次声波 211

6.4 惠更斯原理与波的传播 212

6.4.1 惠更斯原理 212

6.4.2 波的衍射 213

6.4.3 波的反射和折射 213

6.5 波的干涉 214

6.5.1 波的叠加原理 214

6.5.2 波的干涉现象 相干波 相干波源 215

6.5.3 驻波 218

6.6 多普勒效应 223

6.6.1 多普勒现象 223

6.6.2 机械波的多普勒效应 224

6.6.3 其他波中的多普勒效应 227

习题 227

第3部分 近代物理学Ⅰ 233

第7章 狭义相对论 233

7.1 伽利略变换与经典力学的时空观 233

7.1.1 伽利略变换 233

7.1.2 绝对时空观 234

7.2 狭义相对论基本原理 洛伦兹变换 235

7.2.1 狭义相对论产生的历史背景 235

7.2.2 狭义相对论基本原理 236

7.2.3 洛伦兹变换 237

7.3 狭义相对论的时空观 239

7.3.1 同时的相对性 239

7.3.2 时间延缓效应 240

7.3.3 长度收缩效应 240

7.3.4 相对论速度变换 242

7.4 狭义相对论动力学 244

7.4.1 质速关系 244

7.4.2 相对论力学基本方程 246

7.4.3 质量和能量的关系 246

7.4.4 能量和动量的关系 248

习题 249

第4部分 热学 253

第8章 气体动理论 253

8.1 平衡态理想气体物态方程 253

8.1.1 物质的微观特征 253

8.1.2 气体的状态参量 255

8.1.3 气体系统的平衡态 256

8.1.4 理想气体状态方程 256

8.2 理想气体的压强和温度 259

8.2.1 理想气体的压强公式 259

8.2.2 温度的微观解释 261

8.2.3 气温和气压 262

8.3 能量均分原理 理想气体的内能 263

8.3.1 自由度 263

8.3.2 能量均分原理 265

8.3.3 理想气体的内能 265

8.4 麦克斯韦速率分布律 267

8.4.1 速率分布函数 267

8.4.2 麦克斯韦速率分布律 269

8.4.3 麦克斯韦分布律下三种特征速率 270

8.5 气体分子的平均自由程 271

8.6 范德瓦耳斯方程 274

8.6.1 分子自身体积引起的修正 274

8.6.2 分子间引力引起的修正 274

8.7 气体内的迁移现象 276

8.7.1 黏滞现象 276

8.7.2 热传导现象 277

8.7.3 扩散现象 278

习题 279

第9章 热力学基础 281

9.1 功 热量和内能 282

9.1.1 准静态过程 282

9.1.2 功热量与内能 282

9.2 热力学第一定律 284

9.3 摩尔热容 理想气体的等容过程和等压过程 284

9.3.1 热容量 284

9.3.2 等容过程 285

9.3.3 等压过程 286

9.4 理想气体的等温过程和绝热过程 287

9.4.1 等温过程 287

9.4.2 绝热过程 287

9.5 循环过程 卡诺循环 290

9.5.1 循环过程 290

9.5.2 卡诺循环 291

9.6 热力学第二定律 294

9.6.1 热力学第二定律的两种表述 294

9.6.2 可逆过程和不可逆过程 295

9.6.3 卡诺定理 296

9.7 熵 熵增原理 297

9.7.1 熵 297

9.7.2 熵增原理 298

9.8 热力学第二定律的统计意义 299

9.8.1 热力学第二定律的统计意义 299

9.8.2 熵的微观意义 301

习题 301

气象物语D 相变热力学简介 305

D.1 相变的一般特征 305

D.2 气液的相变 306

D.3 固液的相变 308

D.4 固气的相变 309

D.5 克拉佩龙方程 310

部分习题参考答案 311

参考文献 318