物理学——结合医学和生物学解说性实例 卷一力学PDF电子书下载

1.运动学 1

1.1 引言 1

1.2 一维运动：速度和加速度 2

1.3 在二维和三维运动中的速度与加速度 8

A.匀速圆周运动 9

B.抛体运动 11

1.4 单位及换算因子 14

附录 矢量 15

参考及补充读物 22

习题 23

2.动力学 28

2.1 引言 28

2.2 牛顿第一定律：惯性定律 28

2.3 牛顿第二运动定律 28

2.4 牛顿第三运动定律：作用和反作用定律 30

2.5 物理学中的基本力 30

A.万有引力 31

B.卫星或月球围绕地球的运动 32

2.6 非基本力或派生力 35

A. 接触力 35

B. 流体(液体和气体)中的阻曳力 38

2.7 牛顿定律在动力学问题中的应用 38

A.引言 38

B.例题 39

ⅰ)运输列车 39

ⅱ)斜面上的木块 42

ⅲ)谐振动 44

ⅳ)弹簧枪 48

ⅴ)粘滞阻尼力 指数函数 51

ⅵ)空气阻曳力和收尾速度 55

ⅶ)摆的阻尼振动 57

ⅷ)离心摆 62

参考及补充读物 67

习题 68

3.静力平衡和作用在人体肌肉及骨骼上的力 74

3.1 引言 74

3.2 静力平衡条件 74

3.3 静力学的应用 78

A.靠在墙上的木板 78

B.作用在髋关节上的力 80

ⅰ)股骨和髋骨的基本解剖 81

ⅱ)计算作用在股骨头上和髋外展肌内的力 83

ⅲ)临床上和解剖学上的联系 86

ⅳ)手杖对作用于髋关节诸力的影响 87

C.作用在腰椎上的诸力。腰痛。椎间盘疾病 90

ⅰ)脊柱，脊椎和背肌的基本解剖 90

ⅱ)弯腰和伸腰时作用在第五腰椎上的力 95

ⅲ)“脊柱弯曲症”患者腰骶椎间盘中的剪切胁强 98

D.进一步的应用；关于静力平衡转矩条件的一些注释 100

3.4 可变形物体的静力平衡：胁强、胁变与断裂 100

A.引言 100

B.伸张和压缩时的胁强和胁变。虎克定律。杨氏模量。损坏和断裂 103

C.梁的挠矩和曲率 104

D.求荷重梁挠曲的微分方程 109

E.梁或骨的弯曲和断裂：在胫骨骨折上的应用 113

F.切变中的胁强和胁变，应用于滑雪事故中的骨扭折 116

3.5 流体的静力平衡：流体静力学 121

A.引言和流体静压强的定义 121

B.重力场中的流体：压强随深度的变化 123

ⅰ)不可压缩流体：帕斯卡定律；压强单位 125

ⅱ)可压缩的流体：理想气体，压强随高度的变化 126

ⅲ)浸没在流体里的物体所受的浮力 128

C.高压流体的生理效应 131

ⅰ)潜水 131

ⅱ)对血压的体位效应 133

ⅲ)高加速度的效应 134

D.低气压生理效应 135

ⅰ)高山病 135

ⅱ)气球升高和低气压的生理效应 138

ⅲ)血液中氧的储存和输送，28高山病和高空缺氧症，血红蛋白的氧离解曲线 141

ⅳ)高空气层中的旅行：加压舱 145

E.浮力和大分子分子量的测定 146

参考及补充读物 149

习题 151

4.动量 161

4.1 引言 161

4.2 多质点系统的动量及动力学 161

4.3 扩展物体质心的运动 163

A.两物体的质心 164

B.直角三角形的质心 165

C.质心的实验测定--应用于测定人体各部分的重量 167

4.4 动量守恒 169

A.由男孩、球及船组成的系统 169

B.箱子内的振子 170

4.5 心冲击图描记术 173

A.引言 174

B.心脏的基本解剖及生理 175

C.心冲击图 175

4.6 冲量及动量的变化 180

A.引言及冲量定义 180

B.碰撞期间的作用力：说明性的实例 181

ⅰ)受击高尔夫球 181

ⅱ)电梯下坠及骨折 182

ⅲ)从高处跳落或掉落地面和骨折 183

ⅳ)全身碰撞容限级，从很高处掉下的幸存者 185

ⅴ)减速脉冲及伤势指数：脑震荡及脑损伤标准 188

ⅵ)汽车事故中的安全措施 190

4.7 质量流和动量流，流体的输运 190

A.流密度 190

B.液流产生的压强 192

C.弯曲皮带管壁上的压强：救火水龙和主动脉 193

参考及补充读物 197

习题 198

5.功和能 203

5.1 引言 203

5.2 一维运动的功、功能及功率 203

A.牛顿第二定律的一次积分，功-动能公式 203

B.功率及动能的变化率 204

C.用功能考虑确定x(t) 205

D.保守力和非保守力 206

E.简单保守力场中一维运动的实例 206

ⅰ)在恒定重力场中的运动 206

ⅱ)线性恢复力作用下的运动，谐振子 208

ⅲ)在不均匀重力场(万有引力场)中的运动 212

F.保守力与机械能守恒 216

G.非保守力。功率。机械能与热的守恒定律 218

ⅰ)物体在粘滞性液体中的下落运动。热和机械能守恒 220

H.单位及换算因子 224

5.3 三维运动的功、能和功率 225

A.功-动能公式 225

B.保守力、约束力和机械能守恒 227

C.力学实例 229

ⅰ)反冲砧块 229

ⅱ)跳板跳水 231

a)最高高度和能量守恒 231

b)垂直上跳的力学--功和功率 234

c)起跳时机：硬跳板和软跳板 236

d)关于跳高 236

D.三维空间中力和势能的关系--数学注释 237

E.能量图和力学稳定性--叉-木塞摇摆器、稳定、不稳定和亚稳定 239

5.4 热力学第一定律 244

A.机械能守恒、外功及热 244

B.电(热)水热器中的热、功及能量变化 245

C.能量守恒定律的发展史略 247

D.动物代谢，功和热力学第一定律 253

ⅰ)分解代谢率，热和功率的产生 253

ⅱ)氧的“卡价” 254

ⅲ)各种活动的耗氧量和分解代谢率--基础分解代谢 255

ⅳ)人体的机械功率输出和机械效率 256

E.基础代谢 258

ⅰ)哺乳动物的基础代谢率：从小鼠到大象，哺乳动物生理学中的“定标” 258

ⅱ)人体不同器官所需要的能量，心脏功，呼吸功，肾脏功 260

ⅲ)基础代谢率和甲状腺异常 265

5.5 转动 266

ⅰ)转动刚体的动能 267

ⅱ)对转动刚体所做的功，转矩，角动量 267

ⅲ)复摆 269

参考及补充读物 272

习题 274

6.物理及生物系统中的反馈、控制和稳定性 280

6.1 引言 280

A.热机、动力生产和自动控制 280

B.自动控制科学简史 281

C.力学和反馈及控制理论 284

6.2 一个自动控制下的机械系统：蒸汽机和它的离心调速器 285

A.蒸汽机运转的全过程描述 285

B.无自动控制蒸汽机运转的数学模型 286

ⅰ)汽机输出轴的运动方程 286

ⅱ)汽机的稳态运行转速。汽压和负载发生变化时的影响 287

ⅲ)汽机对汽压和负载力矩变化的时间响应 289

C.离心摆反馈控制蒸汽机运转的定量分析 292

ⅰ)蒸汽机(包括离心调速器在内)的微分方程 292

ⅱ)汽压或负载矩变化引起的汽机转速的稳态变化。“开环增益” 295

ⅲ)蒸汽机在比例反馈控制下对汽压变化的时间响应 296

D.蒸汽机反馈控制系统的不稳定性 299

ⅰ)离心摆响应时间tg和汽机转速变化的特性时间 299

ⅱ)不稳定性来源的定性讨论 300

ⅲ)反馈控制系统不稳定性的定量分析 300

a)包括调速器延迟的运动方程 301

b)用分段积分法求解 302

c)用试解法求解 304

6.3 用反馈的温度控制 310

A.无反馈受热(或冷却)系统的温度，开环运转 310

ⅰ)作为时间函数的系统温度方程 310

ⅱ)稳态工作温度 312

ⅲ)周围温度或输入功率变化所引起的瞬态响应 313

B.有反馈的受热(或冷却)系统的温度 313

ⅰ)通-断控制系统 313

a)通-断控制系统的温度变化方程 314

b)“通-时间”与“断-时间” 315

c)占空比 316

ⅱ)比例控制系统 316

a)比例控制系统的温度作为时间函数的方程 317

b)在整定温度(输入)或周围温度(负载)变化的情况下，受控热浴的稳态工作温度 319

c)比例控制热浴的暂态响应：延迟和不稳定性 320

ⅲ)积分控制系统 321

6.4 体温的控制 323

A.疾病和健康状态下的体温 323

B.人体的热性质 323

C.体温调节的控制基元 326

6.5 血糖浓度的控制 328

A.引言。糖耐量试验 328

B.血糖浓度的控制方程 329

C.理论与实测糖耐量曲线的比较 332

参考及补充读物 334

习题 335