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绪论1

一、物理学的研究内容、研究方法及其在自然科学中的地位1

二、物理学的逻辑与历史2

三、力学在物理学中的地位和作用18

四、力学的知识体系18

五、如何学好力学的建议19

第一篇 质点基本运动规律23

第一章 质点运动学23

1.1 位置矢量、速度、加速度及其相互关系23

1.1.1 质点、参考系、坐标系23

1.1.2 位置矢量、位移、速度、加速度及其相互关系25

1.2 位置矢量、速度、加速度相互关系的坐标表示27

1.2.1 直角坐标系下的表示28

1.2.2 平面极坐标系下的表示31

1.2.3 本征坐标系下的表示33

1.3 相对运动34

1.3.1 速度和加速度在平动与静止参考系间的变换35

1.3.2 速度和加速度在匀角速转动与静止参考系间的变换37

本章知识单元和知识点小结40

习题40

第二章 惯性系下质点动力学43

2.1 牛顿三定律43

2.1.1 牛顿第一定律43

2.1.2 牛顿第二定律44

2.1.3 牛顿第三定律47

2.2 万有引力定律48

2.2.1 开普勒三定律48

2.2.2 万有引力定律的建立过程48

2.3 自然界中的基本力及力学中常见的力50

2.3.1 自然界中最基本的相互作用力50

2.3.2 力学中常见的力51

2.4 量纲57

2.4.1 基本量和导出量57

2.4.2 量纲58

2.4.3 量纲的意义58

2.4.4 时间、长度和质量的计量59

本章知识单元和知识点小结60

习题61

第三章 非惯性系下质点动力学66

3.1 相对性原理66

3.2 非惯性系下质点动力学67

3.2.1 加速平动非惯性系中的惯性力68

3.2.2 匀角速转动非惯性系中的惯性力70

3.3 地球表面惯性力现象分析73

3.4 惯性力的物理本质79

3.4.1 惯性质量与引力质量80

3.4.2 引力场82

3.4.3 等效原理83

本章知识单元和知识点小结85

习题85

第二篇 运动定理（原理）与守恒定律91

第四章 动量定理与动量守恒定律91

4.1 质点系的质心运动91

4.1.1 质点系的质心与质心运动定律91

4.1.2 质心的特点与求法93

4.1.3 质心坐标系96

4.2 质点系动量定理与动量守恒定律97

4.2.1 质点的动量定理97

4.2.2 质点系动量定理98

4.2.3 质心动量定理99

4.2.4 质点系动量守恒100

4.2.5 质心系下质点系总动量102

4.3 变质量系统103

4.3.1 变质量系统动力学方程103

4.3.2 变质量系统动力学方程应用举例104

本章知识单元和知识点小结106

习题107

第五章 功能原理与机械能守恒定律111

5.1 质点系动能定理111

5.1.1 质点动能定理111

5.1.2 力的功、功率112

5.1.3 质点系动能定理115

5.2 质点系动能定理中的内力功分析117

5.2.1 一对内力功的特点117

5.2.2 保守内力与非保守内力118

5.2.3 质点系的势能120

5.3 质点系功能原理与机械能守恒定律124

5.3.1 质点系功能原理124

5.3.2 质点系机械能守恒定律126

5.3.3 静系与质心系下质点系动能关系127

5.3.4 质心系下质点系的功能原理128

5.3.5 能量守恒定律129

5.4 碰撞130

5.4.1 碰撞的特点130

5.4.2 一维碰撞过程与分类130

5.4.3 碰撞定律132

5.4.4 二维碰撞134

阅读资料A 关于动量和能量的历史讨论137

本章知识单元和知识点小结138

习题138

第六章 角动量定理与角动量守恒定律144

6.1 质点角动量定理144

6.1.1 质点的角动量定理144

6.1.2 力的力矩146

6.1.3 质点的角动量147

6.1.4 质点角动量守恒148

6.2 质点系角动量定理与角动量守恒定律150

6.2.1 质点系角动量定理150

6.2.2 质点系角动量守恒定律153

6.2.3 静系与质心系下质点系角动量关系154

6.2.4 质心系中质点系的角动量定理155

6.3 有心力场问题156

6.3.1 三种宇宙速度157

6.3.2 有效势能与轨道特征159

6.3.3 两体化单体问题161

6.4 守恒律与对称性162

6.4.1 对称性162

6.4.2 因果关系与对称原理163

6.4.3 守恒律与对称性163

本章知识单元和知识点小结164

习题165

第三篇 两种特殊质点系的运动与两种普遍的运动形式169

第七章 刚体169

7.1 刚体定轴转动运动学169

7.1.1 描述刚体定轴转动的转动参量169

7.1.2 转动参量的矢量性分析171

7.1.3 转动角量与线量的关系172

7.2 刚体定轴转动动力学173

7.2.1 刚体定轴转动的势能、动能、角动量、外力功173

7.2.2 转动惯量175

7.2.3 刚体定轴转动的转动定律179

7.2.4 刚体定轴转动的角动量定理与角动量守恒定律180

7.2.5 刚体定轴转动的动能定理181

7.3 刚体平面平行运动的处理方法183

7.3.1 作用在刚体上的力系及其简化183

7.3.2 刚体平面平行运动的处理方法185

7.4 以质心为基点处理刚体的平面平行运动186

7.4.1 平面平行运动的动能及角动量的表达式187

7.4.2 描述刚体的平动和转动的方程187

7.4.3 刚体平面平行运动举例188

7.5 刚体平面平行运动中的瞬时转轴199

7.5.1 刚体平面平行运动中的瞬时转轴199

7.5.2 刚体绕瞬时转轴的动能定理200

7.5.3 刚体绕瞬时转轴的转动定律201

7.6 刚体的平衡202

7.7 对称刚体的定点运动现象203

7.7.1 对称刚体的惯量主轴203

7.7.2 刚体不受外力矩作用时的运动现象204

7.7.3 刚体受外力矩作用时的进动现象205

7.7.4 刚体受外力矩作用时的章动现象208

7.7.5 刚体定点纯滚动时的进动现象210

本章知识单元和知识点小结212

习题213

第八章 流体222

8.1 流体静力学222

8.1.1 静流体内任意一点的压强222

8.1.2 静流体内不同点压强的关系224

8.1.3 浮力定律（阿基米德原理）225

8.1.4 帕斯卡定律228

8.2 理想流体的定常流动229

8.2.1 动流体的描述229

8.2.2 动流体内任意一点的压强230

8.2.3 连续性方程231

8.2.4 伯努利方程231

8.2.5 流体的动量与角动量232

8.3 伯努利方程的应用234

8.3.1 小孔流速测量234

8.3.2 管道中流体流速测量——汾丘里流量计234

8.3.3 非管道中流体流速测量——皮托管235

8.3.4 虹吸现象236

8.3.5 机翼的升力 马格纳斯效应236

8.4 黏性流体的流动237

8.4.1 黏性流体的黏性定律238

8.4.2 黏性流体在水平圆管内的流动——泊肃叶公式238

8.4.3 黏性流体伯努利方程的修正240

8.4.4 层流、湍流——雷诺数240

8.4.5 物体在黏性流体中所受阻力——斯托克斯公式241

本章知识单元和知识点小结241

习题242

第九章 振动246

9.1 简谐振动246

9.1.1 简谐振动的动力学方程及其解247

9.1.2 简谐振动的运动学特征250

9.1.3 简谐振动的几何描述254

9.1.4 简谐振动的合成254

9.2 阻尼振动259

9.2.1 阻尼振动的微分方程及其解259

9.2.2 弱阻尼振动的能量损失、品质因数261

9.3 受迫运动263

9.3.1 受迫振动的微分方程及其解263

9.3.2 受迫振动的共振现象264

9.3.3 受迫振动中的能量266

9.4 二自由度振动——简正频率267

9.5 非线性振动简介269

本章知识单元和知识点小结271

习题272

第十章 波动277

10.1 机械波的定性描述277

10.1.1 产生机械波的条件与波的特点277

10.1.2 波的几何描述278

10.1.3 波的分类278

10.2 机械波的波动方程279

10.2.1 张紧弦线的波动方程279

10.2.2 固体的弹性波动方程280

10.3 机械波的运动学方程282

10.3.1 机械波波动方程的解282

10.3.2 波传播形式的分类283

10.3.3 波的相速度与群速度284

10.4 简谐机械波的运动学方程287

10.4.1 描述简谐波特征的物理量287

10.4.2 相位传输法确定平面简谐波表达式288

10.4.3 平面简谐波几种常见的表达式289

10.5 机械波的能量、传播以及反射与合成290

10.5.1 行波的能量290

10.5.2 波的衍射 惠更斯原理294

10.5.3 波的叠加原理295

10.5.4 波在界面的反射与透射296

10.5.5 驻波298

10.5.6 简正频率301

10.6 多普勒效应304

10.7 声波与超波速运动简介307

本章知识单元和知识点小结308

习题309

第四篇 时空结构315

第十一章 狭义相对论简介315

11.1 经典时空观与实验的矛盾315

11.1.1 伽利略变换蕴含的经典时空观315

11.1.2 经典时空观与实验的矛盾——迈克耳孙-莫雷实验316

11.2 狭义相对论的两条基本假设318

11.3 洛伦兹变换与速度和加速度变换319

11.3.1 洛伦兹变换319

11.3.2 相对论中的速度和加速度变换321

11.3.3 伽利略变换与洛伦兹变换的分析比较322

11.4 狭义相对论运动学的基本现象324

11.4.1 同时的相对性324

11.4.2 时间延缓326

11.4.3 长度收缩329

11.4.4 时钟的同步331

11.4.5 多普勒效应336

11.5 狭义相对论动力学基本关系式338

11.5.1 相对论中的质量和动量339

11.5.2 相对论中的动能、质能关系339

11.5.3 相对论中的能量与动量的关系340

11.5.4 相对论中的力341

11.5.5 静质量为零的粒子342

本章知识单元和知识点小结342

习题343

第十二章 广义相对论简介、宇宙学与天体物理初步348

广义相对论简介348

12.1 狭义相对论的两个遗留问题349

12.2 广义相对论的理论基础350

12.2.1 等效原理350

12.2.2 广义协变性原理351

12.2.3 引力场方程352

12.3 广义相对论预言现象与实验证实354

12.3.1 光线偏折与星体位置观测和引力透镜354

12.3.2 引力时间延缓与引力红移356

12.3.3 时空弯曲与水星轨道进动357

12.3.4 引力场中光速减慢与雷达回波延迟358

12.3.5 黑洞359

12.3.6 引力子与引力波360

宇宙学与天体物理初步361

12.4 宇宙的物质结构与年龄361

12.5 宇宙的统一整体性——宇宙学原理362

12.6 宇宙在膨胀——哈勃定律与奥伯斯佯谬363

12.7 宇宙的起源——大爆炸理论模型364

12.8 暗物质与暗能量366

12.9 恒星的演化与发光星体的观测分类367

12.9.1 恒星的演化——白矮星、中子星、黑洞367

12.9.2 发光星体的观测分类——星座368

本章知识单元和知识点小结369

阅读资料B 关于引力场方程所决定的时空度规的简要介绍370

矢量运算基本知识376

常用数据379

习题参考答案381

参考文献398