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第一篇 力学 1

目录 1

第一章　质点运动学 2

第一节　参考系 时间和空间 2

一、参考系　坐标系 2

二、时间的测量 2

三、长度的测量 3

第二节　质点运动的描述 4

一、质点 4

二、位矢　运动方程和轨迹方程 4

三、速度　加速度 5

四、自然坐标系 切向加速度和法向加速度 9

第三节　相对运动 14

阅读材料（一） 伽利略与他对落体和抛体运动的研究 16

习题一 17

第一节　牛顿运动定律 19

一、牛顿第一定律 19

第二章　牛顿运动定律 19

二、牛顿第二定律 20

三、牛顿第三定律 21

第二节 国际单位制　量纲 21

第三节 常见的力 22

、力的基本类型 22

二、引力重力 22

三、弹性力 24

四、摩擦力 24

第四节 牛顿运动定律的应用 25

第五节　非惯性系　惯性力 29

一、伽利略相对性原理 29

二、平动加速参考系　平动惯性力 30

三、匀速转动参考系　惯性离心力 30

阅读材料（二）　失重、微重力和超重 31

习题二 32

第三章　动量及动量守恒定律 36

第一节　质点和质点系的动量定理 36

一、冲量　质点的动量定理 36

二、质点系的动量定理 38

一、动量守恒定律 40

第二节　动量守恒定律 40

二、火箭的运动 42

第三节　质心　质心运动定理 43

一、质心 43

二、质心运动定理 45

三、质心系 45

阅读材料（三） 宇宙飞船与载人航天 46

习题三 49

第四章　功、能量及机械能守恒定律 51

第一节　功　功率 51

一、功 51

二、几种常见力的功 55

第二节　质点动能定理 58

第三节　质点系动能定理 60

一、保守力与非保守力 62

二、势能 62

第四节　保守力与非保守力 势能 62

三、势能曲线 64

第五节　功能原理　机械能守恒定律 65

一、质点系的功能原理 65

二、机械能守恒定律 67

三、能量守恒定律 69

第六节　碰撞 70

一、完全弹性碰撞 70

二、完全非弹性碰撞 72

阅读材料（四） 能源的开发与利用 73

三、非完全弹性碰撞 73

一、几种基本能源 74

二、合理利用能源、保护生态环境 76

习题四 77

第五章　质点的角动量和角动量守恒定律 80

第一节 质点的角动量和角动量守恒定律 80

一、力对参考点的力矩 80

二、质点角动量 81

三、质点的角动量定理 82

四、质点角动量守恒定律 83

第二节 质点系的角动量定理和角动量守恒定律 85

一、质点系角动量定理 85

二、质点系的角动量守恒定律 86

阅读材料（五） 对称性与守恒定律 87

一、什么是对称性？ 87

二、物理定律的对称性 88

三、空间均匀性与动量守恒 89

四、空间各向同性与角动量守恒 90

五、时间均匀性与机械能守恒 90

习题五 91

第六章　刚体力学基础 92

第一节　刚体运动的描述 92

一、刚体 92

二、刚体的自由度 92

三、刚体运动的几种形式 93

四、定轴转动的描述 94

一、力矩 95

第二节 刚体定轴转动定律　角动量守恒定律 95

二、定轴转动定律　转动惯量 96

三、刚体定轴转动的角动量与角动量定理 103

四、定轴转动刚体的角动量守恒定律 104

第三节 刚体的能量 106

一、刚体定轴转动的动能和动能定理 106

二、刚体的重力势能 108

一、不受外力矩作用的陀螺 111

二、陀螺的进动 111

阅读材料（六） 陀螺的运动 111

习题六 116

第七章　流体力学简介 120

第一节　流体静力学 120

一、静止流体内的压强 121

二、液体的表面张力 121

第二节　理想流体的定常流动 121

一、定常流动 121

二、连续性方程 122

三、伯努利方程 122

四、伯努利方程的应用 124

第三节　黏滞流体的流动 125

一、流体的黏滞性 125

二、黏滞流体的运动规律 125

阅读材料（七） 血液的流动 126

习题七 127

第八章　狭义相对论 129

第一节　爱因斯坦的两个基本假设 129

一、牛顿力学的时空观 130

二、爱因斯坦的两个基本假设 133

第二节　爱因斯坦的时空观 134

一、同时性的相对性 134

二、时间延缓 136

三、长度收缩 138

第三节　洛伦兹变换和速度的合成 142

一、洛伦兹变换 142

二、速度的变换 146

第四节　几个经典佯谬 147

二、孪生子效应 148

一、因果关系 148

三、高速物体的视觉效应 150

第五节　相对论力学中的牛顿第二定律形式 152

一、相对论质量和动量 152

二、力和加速度的关系 155

第六节　相对论能量 158

一、相对论动能 158

二、质能关系 160

三、能量和动量的关系 162

阅读材料（八） 星系的诞生与演化 163

习题八 164

第二篇　机械振动　机械波 166

第九章　机械振动 167

第一节　简谐运动 167

一、简谐运动的特征及其运动方程 167

二、简谐运动方程中的三个基本物理量 169

第二节 简谐运动的旋转矢量表示法 172

一、旋转矢量表示法 172

二、旋转矢量图的应用 173

一、单摆 175

第三节 单摆和复摆 175

二、复摆 176

第四节　振动的能量 177

第五节　简谐运动的合成 179

一、同方向、同频率的两个简谐运动的合成 180

二、同方向、不同频率的两个简谐运动的合成拍 182

三、相互垂直的两个简谐运动的合成 184

一、阻尼振动 187

第六节　阻尼振动　受迫振动　共振 187

二、受迫振动　共振 188

阅读材料（九） 混沌与物理 191

一、混沌运动简述 191

二、“混沌”理论的内容和研究方法 192

三、“混沌”理论对物理学发展的作用 193

四、混沌运动在工程中的利用 194

习题九 195

二、横波与纵波 199

一、机械波的形成 199

第十章　机械波 199

第一节　机械波的产生、传播和描述 199

三、波的几何描述 200

四、波速　波长　周期（频率） 201

第二节　平面简谐波的波函数 202

一、平面简谐波的波函数 203

二、波动方程 205

第三节　波的能量 209

一、波动能量的传播 209

二、能流和能流密度 210

三、能量的吸收 211

第四节　惠更斯原理　波的衍射、反射和折射 212

一、惠更斯原理 212

二、波的衍射 213

三、波的反射和折射 214

一、波的叠加原理 216

二、波的干涉 216

第五节　波的干涉 216

第六节　驻波 220

一、驻波的产生 220

二、驻波方程 220

三、驻波的能量 222

四、半波损失 223

五、振动的简正模式 224

第七节　多普勒效应 225

一、波源静止，观测者以uR相对于介质运动 226

二、观测者静止，波源以uS相对于介质运动 227

三、波源以uS运动，观测者以uR运动（相向为正） 228

第八节　声波 229

一、音量、音调和音色 229

二、声压 231

阅读材料（十） 次声波　超声波 232

一、次声波 232

二、超声波 232

习题十 234

第三篇　热学 237

第一节　热力学系统　平衡态　状态参量 239

一、热力学系统 239

二、平衡态 239

第十一章　气体动理论 239

三、状态参量 240

第二节　理想气体状态方程 243

一、理想气体的微观模型 246

二、平衡状态气体的统计假设 246

第三节　理想气体的压强公式 246

三、理想气体的压强公式 247

第四节　理想气体的温度公式 249

第五节 能量均分定理　理想气体内能 251

一、自由度 251

二、能量按自由度均分定理 253

三、理想气体的内能 253

第六节 麦克斯韦速率分布律 255

一、速率分布和分布函数 255

二、麦克斯韦速率分布律 256

三、三种速率 258

四、麦克斯韦速率分布的实验验证 259

第七节　玻耳兹曼分布 261

一、玻耳兹曼分布律 261

二、重力场中微粒按高度的分布 262

第八节　气体分子的平均自由程和碰撞频率 263

第九节　气体的内迁移现象 265

一、内摩擦现象 265

二、热传导现象 267

三、扩散现象 268

第十节 真实气体　范德瓦尔斯方程 269

一、真实气体 269

二、范德瓦尔斯方程 270

阅读材料（十一） 真空技术 真空泵 272

一、机械泵 273

二、扩散泵 274

三、离子蒸发泵 274

四、吸附泵和低温泵 275

习题十一 276

第十二章　热力学基础 278

第一节　准静态过程　功　热量 278

一、准静态过程 278

二、准静态过程压力的功 279

三、热量和热容量 280

第二节　热力学第一定律 281

一、内能 281

二、热力学第一定律 281

第三节　热力学第一定律对理想气体等值过程的应用 282

一、等体过程 283

二、等压过程 284

三、等温过程 285

第四节　绝热过程 ＊多方过程 287

一、热力学第一定律在绝热过程中的应用 287

二、绝热过程方程 288

三、绝热线和等温线的比较 289

四、多方过程 291

一、循环过程 294

第五节　循环过程　卡诺循环 294

二、热机和热机循环 295

三、致冷机和致冷系数 296

四、卡诺循环 298

第六节　热力学第二定律　卡诺定理 303

一、可逆过程与不可逆过程 303

二、热力学第二定律 304

三、卡诺定理 306

第七节　热力学第二定律的统计意义 307

一、熵和熵增加原理 309

第八节　熵和熵增加原理 309

二、熵的热力学表示 310

三、熵的计算 312

阅读材料（十二）　熵概念的扩展 314

一、熵与能量退化 314

二、熵与信息 315

三、熵与生命 316

习题十二 317

习题二 321

参考答案 321

习题一 321

习题三 322

习题四 323

习题五 324

习题六 324

习题七 325

习题八 325

习题九 326

习题十 327

习题十一 328

习题十二 329

附录 331

附录一　希腊字母表 331

附录二　常用物理常量表 332

附录三　常用天文量 333

附录四 名词索引 334

附录五 书中物理量的符号及单位 339

参考文献 343