中国科学技术大学交叉学科基础物理教程 中国科学技术大学精品教材 力学PDF电子书下载

绪论 1

0.1 物理与力学 2

0.2 力学的发展史 2

0.3 物理学的特点 6

0.4 物理学与数学的关系 7

0.5 交叉学科与力学 8

0.6 对学习力学的一些建议 9

第1章 时间、空间与测量 11

1.1 时间与空间概念的形成 12

1.2 时间的度量 13

1.2.1 定量测量方法的形成 13

1.2.2 “芝诺佯谬”与度量方法的选择 14

1.2.3 时间测量的常用方法 16

1.2.4 时间的单位和标准 17

1.3 空间（长度）的度量 18

1.3.1 空间（长度）的定量测量方法 18

1.3.2 不同尺度长度的测量方法 19

1.3.3 长度的单位和标准 19

1.4 时间、空间测量中的局限 21

1.4.1 时间和空间测量的相对性 21

1.4.2 时间和空间测量的不确定性 21

1.5 有效数字，不确定度，估算，单位制与量纲 22

1.5.1 测量 22

1.5.2 测量的精度与有效数字 22

1.5.3 不确定度 23

1.5.4 基本力学量的估算与量级分析 24

1.5.5 单位制 25

1.5.6 量纲分析及其实用意义 26

第2章 质点运动学 27

2.1 模型——实际对象的理想化与简化 28

2.1.1 理想化模型 28

2.1.2 质点—牛顿力学的基本模型 29

2.2 一维运动的描述 30

2.2.1 参照系与参考坐标系 30

2.2.2 “飞矢不动”佯谬与速度概念的引入 31

2.2.3 匀速运动与变速运动 34

2.3 平面运动 38

2.3.1 位置矢量与位移 38

2.3.2 速度与加速度 39

2.3.3 时间曲线与空间轨迹 39

2.3.4 恒定加速度平面运动，抛体运动 40

2.3.5 匀速圆周运动 41

2.3.6 平面极坐标系中的速度、加速度表示 42

2.4 三维空间运动 46

2.4.1 三维空间运动的描述 46

2.4.2 三维轨道退化为平面轨道 48

2.4.3 行星运动的向心加速度 48

2.4.4 运动轨道分类 50

2.5 运动的相对性与伽利略变换 51

2.5.1 相对与绝对 51

2.5.2 位置和轨迹的相对性 52

2.5.3 速度的相对性 54

2.5.4 加速度的相对性与绝对性 56

2.5.5 伽利略变换 56

2.5.6 速度合成律的失效 58

第3章 牛顿动力学 63

3.1 牛顿第一定律（惯性定律） 64

3.2 牛顿第二定律 66

3.2.1 牛顿第二定律的建立 66

3.2.2 质量与力的单位 69

3.3 牛顿第三定律 69

3.4 力与相互作用 70

3.4.1 几种常见的力及其机理 70

3.4.2 四种基本相互作用及其统一 73

3.5 非惯性系中的牛顿动力学 74

3.5.1 非惯性系 75

3.5.2 平动加速参考系 75

3.5.3 转动参考系 76

3.6 牛顿方程的对称性 83

3.6.1 对称性 83

3.6.2 牛顿方程的平移对称性与宇宙的均匀性 83

3.6.3 牛顿方程的转动对称性与宇宙的各向同性 84

3.6.4 矢量及其转动特性 86

3.7 牛顿动力学方程的意义与应用 86

3.7.1 牛顿动力学方程的含义 86

3.7.2 动力学方程的数值解 88

3.7.3 数值分析方法的地位 89

3.7.4 牛顿动力学方程的应用 90

3.8 经典力学、相对论力学与量子力学 96

第4章 万有引力 97

4.1 开普勒行星运动三定律与万有引力定律的建立 98

4.1.1 行星运动的描述 98

4.1.2 开普勒行星运动三定律 99

4.1.3 万有引力定律及其建立 100

4.1.4 万有引力定律的天文学验证 104

4.2 引力的几何性 105

4.2.1 惯性质量与引力质量 105

4.2.2 万有引力常量G值及其测量 106

4.2.3 引力的几何性 107

4.3 引力的计算 108

4.3.1 多质点体系的万有引力 108

4.3.2 连续体的万有引力 109

4.4 引力场 113

4.4.1 场 113

4.4.2 引力与引力场 114

4.4.3 引力场的梯度与潮汐现象、小行星撕裂 114

4.4.4 场与物理学 115

4.5 牛顿万有引力定律的适用范围与爱因斯坦的引力观 115

第5章 守恒定律 117

5.1 功与能 118

5.1.1 元功与动能定理 118

5.1.2 变力做功 121

5.2 机械能守恒 123

5.2.1 保守力场与势能 123

5.2.2 万有引力做功与引力势能 124

5.2.3 弹性力做功与弹性势能 127

5.2.4 非保守力做功与功能原理 128

5.2.5 能量的各种形式与转化 129

5.3 动量守恒 130

5.3.1 牛顿定律与动量守恒 130

5.3.2 冲量与动量定理 134

5.3.3 质心运动定理 135

5.3.4 变质量物体的运动 140

5.3.5 碰撞 145

5.4 动量矩守恒 150

5.4.1 牛顿定律与动量矩守恒 150

5.4.2 力矩与动量矩定理 152

5.4.3 有心力场中的质点运动 153

5.5 万有引力的几个重要应用 164

5.5.1 第一宇宙速度 164

5.5.2 第二宇宙速度 165

5.5.3 第三宇宙速度 166

5.5.4 万有引力在飞船轨道设计中的应用 168

5.6 势函数的对称性与物理量守恒 174

5.6.1 势函数 174

5.6.2 势函数的时间-空间平移对称性与能量-动量守恒 175

5.6.3 势函数的空间旋转对称性与动量矩守恒 177

第6章 振动和波 179

6.1 简谐振动 180

6.1.1 弹性力与准弹性力 180

6.1.2 振动方程的建立及其求解 181

6.1.3 简谐振动的描述方法 182

6.1.4 简谐振动的能量 184

6.1.5 几种常见的摆 185

6.1.6 复杂体系的振动 187

6.2 阻尼振动 189

6.2.1 阻尼振动的一般描述 189

6.2.2 Q值 190

6.2.3 阻尼振动的动力学方程及其求解 190

6.2.4 临界阻尼，过阻尼，最佳阻尼 192

6.3 受迫振动与共振 193

6.3.1 受迫振动方程的建立及其求解 193

6.3.2 共振现象 194

6.3.3 受迫振动方程的复数解 195

6.3.4 有阻尼受迫振动 196

6.3.5 实例 198

6.4 简谐振动的合成 199

6.4.1 傅里叶叠加 199

6.4.2 同方向、同频率简谐振动的合成 200

6.4.3 同方向、不同频率简谐振动的合成·拍 201

6.4.4 互相垂直的简谐振动的合成·李萨如图形 202

6.5 波在介质中的传播 203

6.5.1 波传播及其一般描述 203

6.5.2 空气中声波方程的建立及其求解 205

6.5.3 波动的能量和能流 209

6.6 波的叠加 212

6.6.1 惠更斯原理 213

6.6.2 波的反射、折射与衍射 213

6.6.3 波的干涉 214

6.6.4 群速度与能量的传播 216

6.6.5 驻波与波模 218

6.6.6 实例：乐器的结构与音色 221

6.7 多普勒效应及其应用 223

6.7.1 多普勒效应 223

6.7.2 多普勒效应的应用 224

6.7.3 激波与马赫数 226

第7章 刚体 227

7.1 自由度与刚体 228

7.1.1 自由度 228

7.1.2 多质点体系的自由度与刚体模型 228

7.2 基本的刚体运动 230

7.2.1 刚体的平动 230

7.2.2 刚体的定轴转动 230

7.2.3 刚体的平面平行运动 230

7.2.4 车轮的纯滚动 231

7.2.5 角速度的绝对性 232

7.2.6 刚体质心的运动 233

7.3 刚体的动能 235

7.3.1 转动惯量 235

7.3.2 刚体转动惯量的计算 236

7.3.3 刚体的动能 238

7.3.4 平行轴定理与垂直轴定理 240

7.4 刚体的动力学方程 241

7.4.1 刚体的动力学方程 241

7.4.2 刚体运动中的外力做功 242

7.4.3 刚体的平衡 252

7.5 静力学中的结构受力分析 254

7.5.1 平衡及其条件 254

7.5.2 受力分析及其在工程中的应用 255

7.5.3 断裂 258

7.6 刚体的进动与章动 258

第8章 弹性力学初步 261

8.1 弹性体模型 262

8.2 形变与弹性参数 263

8.2.1 线应变 263

8.2.2 叠加原理 264

8.2.3 体应变与剪切应变 264

8.3 圆棒的扭转 267

8.4 弹性波 269

8.4.1 剪切波（横波） 269

8.4.2 胀缩波（纵波） 270

8.4.3 固体介质中纵波和横波的转换 271

8.4.4 实例：超声波探测与成像、CT、地震波反演 272

第9章 流体力学初步 273

9.1 流体的一般概念 274

9.1.1 流体模型 274

9.1.2 “干水”模型 275

9.2 流体静力学 275

9.2.1 流体静压 275

9.2.2 流体静力学方程 277

9.3 流体动力学 278

9.3.1 连续性方程 278

9.3.2 牛顿定律的动力学方程 279

9.4 定常流动 281

9.4.1 稳恒场 281

9.4.2 流线与流管 282

9.4.3 伯努利方程 282

9.4.4 定常流动与定常无旋流动 283

9.4.5 流体的动量 284

9.4.6 伯努利方程的应用 284

9.5 黏滞流体的流动 287

9.5.1 流体的黏滞性 287

9.5.2 黏滞性的定量描述与测量 288

9.5.3 雷诺数与流体运动的相似法则 289

9.5.4 层流、环流与湍流 291

第10章 狭义相对论基础 295

10.1 狭义相对论的提出 297

10.1.1 “光速”的含义 297

10.1.2 迈克耳孙-莫雷实验 297

10.1.3 狭义相对论的两个假设 298

10.2 洛伦兹变换 299

10.3 相对论的时空观 302

10.3.1 时间间隔的相对性 302

10.3.2 长度的相对性 303

10.3.3 同时的相对性 303

10.3.4 时序与因果关系 307

10.3.5 时空间隔的绝对性与物理规律协变的四维形式 308

10.3.6 爱因斯坦速度合成律 310

10.3.7 加速度变换公式 313

10.3.8 孪生子佯谬的狭义相对论解释 314

10.4 相对论力学 317

10.4.1 相对论质量 317

10.4.2 相对论动量与动能 320

10.4.3 质能关系 320

10.5 物质、引力与时空 322

10.5.1 相对性与绝对时空 322

10.5.2 局部惯性系与引力作用 324

10.5.3 广义相对论简介 326

习题 329

部分习题参考答案 395

参考书目 407

附录A 力学中的常用物理量 409

附录B 矢量概述 410

附录C 微积分简介 415

附录D 复变函数初步 426

附录E 建议学时和习题安排 428

常用概念中英文索引 430