《力學教程（上）》是作者多年來在清華大學給物理系、基礎(chǔ)科學班、電子工程系等本科生授課的基礎(chǔ)上，吸取國內(nèi)外同行的經(jīng)驗并結(jié)合自己教學研究的成果總結(jié)而成，包括牛頓力學和相對論力學兩部分。
《力學教程（上）》突出理論體系架構(gòu)，對牛頓理論體系做了較深入的分析和討論�！读W教程（上）》強調(diào)非慣性系的意義和規(guī)律，加強了連續(xù)介質(zhì)力學和波動力學兩大部分�！读W教程（上）》以愛因斯坦假設(shè)和狹義相對論為根據(jù)，系統(tǒng)討論廣義相對論的史瓦西場。教學中遇到的疑難問題《力學教程（上）》都做了詳盡的討論。
《力學教程（上）》可作為高等學校物理專業(yè)以及其他理、工專業(yè)本科生的教材或參考書，也可以供相關(guān)教師參考。
本書是基礎(chǔ)物理學（普通物理學）中力學部分的教材，包括經(jīng)典力學的牛頓力學系統(tǒng)和相對論力學基礎(chǔ).
物理學是研究物質(zhì)世界組成、運動、變化的最普遍、最基本的規(guī)律的科學.物理學由物質(zhì)的組成和物質(zhì)之間的相互作用出發(fā)，解釋自然現(xiàn)象，揭示自然的奧秘，研究自然的變化規(guī)律.物理學是整個自然科學的基礎(chǔ)，基本的物理學定律、物理學原理是一切自然過程都遵循的. 物理學的研究方法、實驗手段也是整個自然科學領(lǐng)域的基本研究方法和實驗手段.物理學家費曼指出： “物理學是最基本的、包羅萬象的一門學科，它對整個科學的發(fā)展有深遠的影響.事實上，物理學是與過去所謂的‘自然哲學’相當?shù)默F(xiàn)代名稱，現(xiàn)代科學大多數(shù)就是從自然哲學中產(chǎn)生的.許多領(lǐng)域內(nèi)的學生都發(fā)現(xiàn)自己正在學習物理學，這是因為它在所有的現(xiàn)象中起著基本的作用." R.P.費曼. 費曼物理學講義. (第一卷)上海： 上海科學技術(shù)出版社，21
物理學是理論與實驗相結(jié)合的科學，物理思想、物理規(guī)律都來自物理實驗. 物理學不是抽象的思維游戲，也不是單純的數(shù)學運算、公式推導，而是對客觀世界運動規(guī)律的分析和研究.物理學來自客觀世界，又要接受客觀世界的檢驗.因此物理學的理論必須而且應(yīng)該與日常生活、生產(chǎn)實踐和科學研究相聯(lián)系，所有重要問題都要符合實際，要重視物理量的量級和公式的應(yīng)用條件.這是物理學最重要的特點.
力學曾是物理學中創(chuàng)立最早、成熟最早的部分，現(xiàn)已發(fā)展成為一門完整的與物理學并立的獨立學科，而力學的基本原理仍然是物理學的重要基礎(chǔ). 本書作為普通物理的第一部分，突出力學基礎(chǔ)理論、深挖事物發(fā)展和變化的本質(zhì)、強調(diào)對物理過程的分析、加強物理性質(zhì)的圖像化理解.
雖然經(jīng)典力學是成熟的理論，取得了輝煌的成就，但絕不是完美無缺的，仍有局限性，在基本概念和理論體系上還存在一些疑難和不確定性，還有發(fā)展和改進的余地.
對基本原理的闡述和學習是很難的事情，需要花大工夫下大力氣.正如19世紀末赫茲在《力學原理》的序言中寫到：“我有這樣的經(jīng)驗，要向肯動腦筋的聽眾闡明力學的真正基本的內(nèi)容，而不會不時感到為難，不會一再激起歉意，不想盡快跨過原理部分而向他們講述一些應(yīng)用的例子，那是極端困難的一件事."
本書著重在以下幾個方面做了一些努力.
1. 對牛頓定律等基本原理、基本概念和基本方法做比較深入的討論和分析. 對其中一些疑難和爭議提出自己的看法和意見.
2. 對慣性定律、慣性系、慣性力有一些新的體會和見解，導致這些內(nèi)容都有較大改變，明確提出非慣性系相應(yīng)的運動定律和運動定理.
3. 對經(jīng)典力學教學中的重點和難點都著重分析、討論.有些以前難以在基礎(chǔ)力學中解釋的重要問題如陀螺的章動等，也在基本原理的基礎(chǔ)上做了簡化討論.
4. 質(zhì)點和質(zhì)點系的功能原理、動量定理、角動量定理的應(yīng)用比牛頓力學要普遍和有效得多，而且貫穿于整個力學、物理學中，因此在教學中突出功能原理、動量定理、角動量定理.
5. 淡化剛體力學的地位，理順剛體力學教學系統(tǒng)，精煉和加強剛體力學的內(nèi)容.
剛體只是一個特殊的質(zhì)點系，在剛體力學中并沒有新的基本原理，只是質(zhì)點系角動量定理、功能原理、動量定理的應(yīng)用，因此沒有單獨作為一章. 由于重新安排了教學系統(tǒng)和討論方法，所以雖然在本書中剛體力學只占一節(jié)，但是不僅討論了一般教材里的剛體力學內(nèi)容，而且還增加了章動、剛體定點角動量L與角速度ω的關(guān)系、歐拉方程等介紹性內(nèi)容.
6. 加強連續(xù)介質(zhì)力學，增加了應(yīng)力、應(yīng)變、廣義胡克定律、固體形變等.
在后續(xù)的理論力學課程中一般沒有連續(xù)介質(zhì)力學內(nèi)容，因此本書對此適當加強. 一般普通物理力學教材中很少涉及應(yīng)力、應(yīng)變、固體形變等，本書對此作認真討論.
7. 加強振動和波動
在后續(xù)的理論力學課程中一般也沒有振動和波動內(nèi)容，因此本書對此適當加強. 普通物理力學教材中一般只推導彈性棒內(nèi)縱波波動方程. 本書從應(yīng)力、應(yīng)變、廣義胡克定律出發(fā)，對固體彈性波、流體聲波的波動方程作認真的推導. 水面波是少數(shù)可以直接觀察的波動，本書對水面波進行了較全面的分析.
8. 廣義相對論的物理基礎(chǔ)
以等效原理和廣義相對性原理為基礎(chǔ)，以愛因斯坦關(guān)于鐘、尺假設(shè)為根據(jù)，依靠狹義相對論知識，本書嘗試用普通物理的語言和方式，系統(tǒng)、完整、定性和半定量地討論了廣義相對論的基本原理、史瓦西場時空、自由粒子的運動、常加速度內(nèi)稟剛性加速系，介紹了大爆炸宇宙學.
9. 考慮與理論力學的聯(lián)系、銜接或貫通，與理論力學作為一個整體通盤考慮，內(nèi)容優(yōu)化組合.整合的重點是將原來理論力學中的牛頓力學部分去掉，其主要內(nèi)容分別融合到普物力學和分析力學中.
作為大學物理教材，應(yīng)該而且必須為學生留有充分的自主學習空間，因此相對而言本書內(nèi)容更廣泛和深入.參考本書的同學，可以根據(jù)自己的目標、能力、興趣、愛好以及能夠利用的時間，閱讀相應(yīng)的部分.
書中融合了清華大學高炳坤教授關(guān)于慣性系的思想; “振動與波”一章重點參考了清華大學牟緒程教授的《波動與光學》(上冊); 特此表示感謝.
感謝陳澤民老師為組長的清華大學基礎(chǔ)課工科多學時教學小組老師們的支持和幫助.
本書是我在清華大學多年教學的總結(jié).教學相長是亙古不變的道理，書中也包含了學習我的課程的幾千清華學子的聰明才智.
第1章 運動學
1.1 引言
1.1.1 質(zhì)點模型
1.1.2 空間
1.1.3 時間
1.1.4 參考系和坐標系
1.2 矢量簡介
1.2.1 矢量概念
1.2.2 矢量的合成與分解
1.2.3 矢量的乘法
1.2.4 矢量導數(shù)
1.2.5 矢量積分
1.2.6 矢量的大小變化率和方向變化率--矢量變化率的本征分矢量
1.2.7 空間變換下的矢量變換性質(zhì)
*1.2.8 判別是否是矢量--矢量的進一步討論
1.3 質(zhì)點運動學
1.3.1 速率
1.3.2 速度和加速度
1.3.3 一維運動問題
1.3.4 運動學三類基本問題
1.3.5 平面極坐標系、自然坐標系和球坐標系
1.3.6 路程的計算
1.4 相對運動和參考系的變換
1.4.1 運動的相對性、參考系變換
1.4.2 平動參考系的速度、加速度變換
1.4.3 勻角速度定軸轉(zhuǎn)動參考系的速度、加速度變換
1.4.4 任意運動參考系的速度、加速度變換
1.4.5 兩個物體的相對運動
1.5 實際物體的運動
1.5.1 連續(xù)介質(zhì)
1.5.2 連續(xù)介質(zhì)的運動
1.5.3 剛體的定軸轉(zhuǎn)動
1.5.4 剛體的平面平行運動
習題
附錄1.1 證明矢積滿足分配律
附錄1.2 證明無限小角位移dφ是矢量
第2章 牛頓運動定律--質(zhì)點動力學
2.1 牛頓運動定律
2.1.1 牛頓第一定律--慣性定律
2.1.2 牛頓第二定律
2.1.3 牛頓第三定律--作用與反作用定律
2.2 牛頓力學中的力
2.2.1 牛頓力學中力的概念
2.2.2 牛頓力學中力的來源
2.2.3 引力和重力
2.2.4 彈性力
2.2.5 摩擦力
2.2.6 電磁力
2.3 質(zhì)點動力學問題 --牛頓定律的應(yīng)用
2.3.1 代數(shù)方程組型
2.3.2 微分方程（組）型
2.4 非慣性系中質(zhì)點運動規(guī)律、慣性力
2.4.1 實際應(yīng)用的參考系本質(zhì)上都是非慣性系
2.4.2 非慣性系質(zhì)點運動定律
2.4.3 平動非慣性系中慣性力
2.4.4 定軸勻角速度轉(zhuǎn)動非慣性系中慣性離心力與科里奧利力
2.4.5 地球參考系中的慣性離心力和科里奧利力
2.4.6 從慣性力角度看非慣性系對慣性系的偏離
2.5 引潮力
2.5.1 潮汐
2.5.2 定性分析
2.5.3 引潮力的定量計算
2.5.4 引潮力的影響和啟發(fā)
2.6 單位制與量綱、量綱分析
2.6.1 單位制與量綱
2.6.2 量綱空間、基本量變換
2.6.3 無量綱量、無量綱量的構(gòu)成
2.6.4 π定理
2.7 牛頓力學內(nèi)在隨機性介紹--非線性系統(tǒng)混沌行為的體現(xiàn)
2.7.1 牛頓力學是確定性理論
2.7.2 牛頓力學的內(nèi)在隨機性
習題
附錄2.1 《自然哲學之數(shù)學原理》第1版序言
附錄2.2 《自然哲學之數(shù)學原理》中八個定義和研究哲學的四條規(guī)則
附錄2.2.1 八個定義
附錄2.2.2 研究哲學的四條規(guī)則
附錄2.3 力與加速度成正比是牛頓第二定律的規(guī)定
附錄2.4 牛頓第二定律與慣性系
附錄2.5 質(zhì)量的可加性
附錄2.6 最小作用量原理
第3章 萬有引力定律
3.1 開普勒行星運動三定律
3.1.1 第谷？布拉赫的精確觀測
3.1.2 開普勒發(fā)現(xiàn)行星運動定律
3.1.3 開普勒行星運動三定律
3.2 萬有引力定律
3.2.1 牛頓定律是討論行星運動的基礎(chǔ)
3.2.2 太陽對行星的作用力
3.2.3 萬有引力定律
3.2.4 慣性質(zhì)量與引力質(zhì)量、厄缶實驗
3.3 引力場
3.3.1 引力場場強
3.3.2 物質(zhì)的引力場
3.3.3 引力場圖示 --引力（場）線
3.3.4 引力場的通量定理
3.3.5 引力場的環(huán)路定理
3.3.6 引力場的勢--引力勢
3.3.7 引力場強與引力勢的定量關(guān)系
習題
附錄3.1 質(zhì)點對稱性與質(zhì)點引力場的性質(zhì)及推廣
第4章 動量
4.1 質(zhì)點動量定理
4.1.1 質(zhì)點動量定理
4.1.2 沖量
4.1.3 狀態(tài)量和過程量
4.1.4 質(zhì)點動量守恒定律
4.1.5 非慣性系中質(zhì)點動量定理和動量守恒定律
4.2 質(zhì)點系動量定理
4.2.1 質(zhì)點系動量定理
4.2.2 質(zhì)點系動量守恒定律
4.2.3 變質(zhì)量體運動、火箭飛行原理
4.2.4 非慣性系中質(zhì)點系動量定理和守恒定律
4.3 質(zhì)心和質(zhì)心運動方程
4.3.1 質(zhì)心
4.3.2 質(zhì)心運動定律
4.3.3 非慣性系中質(zhì)心運動規(guī)律
4.3.4 質(zhì)心參考系和質(zhì)心坐標系
4.3.5 宇宙參考系即理想慣性系
習題
第5章 功和能
5.1 動能、功、動能定理
5.1.1 動能
5.1.2 功、功率
5.1.3 動能定理
5.1.4 非慣性系中動能定理
5.1.5 質(zhì)心系中動能定理及柯尼希定理
5.2 保守力與勢能
5.2.1 一對相互作用力的合功與參考系無關(guān)
5.2.2 保守力
5.2.3 勢能
5.2.4 幾種常見的勢能
5.2.5 點元系統(tǒng)的勢能
5.2.6 由勢能求保守力
5.2.7 勢能分布圖
5.2.8 等勢面
5.2.9 保守系統(tǒng)與時間反演不變性
5.3 功能原理、機械能守恒
5.3.1 功能原理
5.3.2 機械能守恒
5.3.3 非慣性系中的功能原理
5.3.4 質(zhì)心系中的功能原理
5.3.5 利用勢能曲線和相圖定性討論質(zhì)點運動
5.4 自由碰撞
5.4.1 碰撞
5.4.2 一維碰撞普遍解
5.4.3 正碰中動能損失和資用能--對心碰撞中的能量關(guān)系
5.4.4 二維碰撞
5.4.5 質(zhì)心系中討論碰撞
5.4.6 α衰變和β衰變、中微子預(yù)言
習題
附錄5.1 能量守恒定律與牛頓第三定律
第6章 角動量 剛體
6.1 質(zhì)點角動量和質(zhì)點角動量定理
6.1.1 對點之矩--力矩和質(zhì)點動量矩
6.1.2 對軸之矩--對軸力矩和對軸質(zhì)點角動量
6.1.3 質(zhì)點角動量定理
6.1.4 質(zhì)點角動量守恒定律
6.1.5 非慣性系中質(zhì)點角動量定理
6.2 質(zhì)點系角動量定理
6.2.1 質(zhì)點系角動量定理
6.2.2 質(zhì)點系角動量守恒定律
6.2.3 非慣性系中質(zhì)點系角動量定理
6.2.4 質(zhì)心系中角動量定理
6.3 萬有引力場中質(zhì)點的運動
6.3.1 保守有心力場中質(zhì)點運動的一般特點
6.3.2 用廣義勢能討論質(zhì)點徑向運動
6.3.3 萬有引力場中橢圓運動參量
6.3.4 萬有引力場自由質(zhì)點的運動軌道
6.3.5 兩體問題和兩體方法
6.4 剛體
6.4.1 定軸轉(zhuǎn)動剛體的動量、角動量、動能--對軸轉(zhuǎn)動慣量
6.4.2 定軸轉(zhuǎn)動運動規(guī)律
6.4.3 剛體平面運動規(guī)律
6.4.4 剛體定點運動簡介--陀螺運動規(guī)律
6.4.5 剛體對定點角動量l（o）與角速度ω的關(guān)系
6.4.6 剛體定點運動的動力學方程--歐拉方程
6.4.7 剛體上力系的簡化
6.4.8 剛體平衡條件
習題
附錄6.1 相對慣性系平動的坐標框架
附錄6.2 對稱陀螺旋進和章動的簡化討論
附錄6.3 對稱性與守恒律
附錄6.3.1 對稱性原理
附錄6.3.2 牛頓力學的討論
習題答案
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