理论力 学z 配套电子教 案y Ox周衍柏 编高等学校试用教材高等教育出版社预备 知识:普通力学+高等数学理论力学：两个深化两个面 向方法上: 严谨 的数学描述理论体系上：经典力学面向学科发展前沿和应用面向实际 体系学习内容：第一章：质点力学（20学时） 第二章：质点组力学（10学时） 第三章：刚体力学（24学时） 第四章：非惯性系动力学（8学时） 第五章：分析力学（12学时）学习成绩： 平时成绩（20）其中考试成绩 （20）+期末（60%）期末考试：闭卷 平时作业:1. 习题 （周衍柏理论力学）2.Project 报告 （基于阅读 多篇文献后的读书报 告，必须附文献） 提交方式：书面 或 电子（PDF or PS 格式） （独立完成）绪 言Nature and natures law lay hid in night: God said: let Newton be! And all was light！自然和自然规律为黑暗 所蒙蔽上帝说，让牛 顿来！一切遂臻光 明！一、理论力学研究对 象物理学是研究物质性质、结构、运动规律的科学。世界物质可 分 为不同层次、不同运动级别 ，因而有相应的主要研究科学：物 质 层 次线度重要运动形式相互作用能量重要研究科学宇观108m天体运动1011焦耳粒子物理、色 动物理理论力学是研究宏观物体低速运动情况机械运动(即一个物体 相对另一个物体发生位移变化)的科学。机械运动指物体的位形随时间变化。包括:平动、转动 、流动 、 变形、静止等。 根据研究对象性质分：质点力学、刚体力学、连续 介质力 学 （流体弹性、塑性） 理论力学主要研究：质点、质点组、刚体。 二、理论力学研究方法观察、实验， 总结实验规 律 ，建立物理模型，提出合 理假设，数学演译、逻辑推理 ， 探讨规律，实验验 证 。 理论力学与普通物理的力学不同点是：逻辑推理、数学演译 更强。主要数学要求是：微积分和解常系数微分方程。理论力学分为矢量力学（即牛顿力学）和分析力学两大部 分 。矢量力学是以牛顿运动定律为基础，从分析质量和物体受 力情况，由此探讨物体的机械运动规律。在矢量力学中，涉及 的量多数是矢量，如力、动量、动量矩、力矩、冲量等。力是 分析力学中最关键的量。分析力学以达朗伯原理为基础，从分析质量和质量系能量 情 况，由此探讨物体机械运动规律。分析力学中涉及的量多 数是 标量，如动能、势能、拉格朗日函数、哈密顿函数等。 动能和 势能是最关键的量。本书中这两部分内容如下：三、理论力学的内容结构矢量力学质点运动学：第一 章1.11.3质点动力学：第一 章1.41.9质点组动力学：第二 章2.12.8刚体运动学 ：第三 章3.13.3刚体动力学：第三 章3.43.10非惯性系动力学：第四章：4.1 4.5分析力学质点系运动状态的描述：第五章5.1分析力学的理论基础：第五章5.2 分析力学的基本方程第五章 分析力学的基本定理第五章 分析力学的基本方法第五章5.35.55.65.75.85.11三.发展简史 ： 我国墨翟（前468-382）学派著作墨经有重心、力 的 概念。“力，形之奋也”。古希腊亚里士多德（前 384322）“力是维持速度的原因”。阿基米德杠杆平衡等 。地恒动而人不知，譬如闭舟而行，不觉舟之远也。 （孙毅）, Ming dynasty阿基米德 (公元前287-前212),古希腊伟大的 数学家、力学家 。后人对阿基米德给以极高 的评价，常把他和I.牛顿、C.F. 高斯并列为有 史以来三个贡献最大的数学家。他的生平没 有详细记载 ，但关于他的许多故事却广为流 传。据说他确 立了力学的杠杆定律之后，曾 发出豪言壮语：“给我一个 立足点，我就可 以移动这个地球！”Zhaozhou Bridge,apply the structure of low arc, built in Sui dynastyEarthquake detection instrument,apply the theory of inertia force. Produced by Zhangheng, In DongHan dynasty.Ligneous tower , Shanxi province, built in 1056.It is the earliest higher tower which use wood as the main material. Implies the basic theory of equilibrium and the carrying capacity of materials.牛顿力学的建立：在哥白尼(日心说)推翻了托勒玫的地 心 说， 和在第谷布拉赫积累的天文观察资料基础上,开普勒发现了 行星三定律总结万有引力定律，牛顿总结了三定律， 1687自然哲学的数学原理。 分析力学:（1788）拉格朗日力学建立(至此认为力学天衣 无缝) 近代力学：19世纪末20世纪初出现了经典力学无法解释的 矛盾。 1）高速（与c比）：相对论（爱因斯坦）； 2）微观粒子：量子力学（薛定格）； 3）纳米技术：0.1100nm尺度起关键作用。(原子直径 10-10; 人头发10-4；人100亚里士多德 (前384-前322)亚里士多德是世界古代史上最伟大的哲 学 家、科学家和教育家。他创立了形式 逻辑 学，丰富和发展了哲学的各个分支 学科， 对科学作出了巨大的贡献。亚里土多德出生在马其顿的斯塔吉拉， 17 岁时，他赴雅典在柏拉图学园就读达 20年 ，直到柏拉图去世后方才离开。也许是受 父亲的影响，亚里士多德对生物学和实 证 科学饶有兴趣；而在柏拉图的影响下 ，他 又对哲学推理发生了兴趣。 工具论主要论述了演绎法，为形式逻辑奠定了基础。物理 学 讨论了自然哲学，存在的原理，物质与形式，运动，时间和空 间 等方面的问题。论天一书中开始讨论物质和可毁灭的东西 。 气象学讨论了天和地之间的区域，即行星、彗星和流星的 地带。 形而上学、伦理学、政治学和分析前篇和后篇等哥白尼 (1473-1543)：伟大的波兰天文学家， 日心说的创立者， 近代天文学的奠基人。1473年2月19日生于波兰维斯瓦河畔的托伦城 。10岁丧父，由舅父瓦琴洛德抚养。18岁时进 克拉科夫大学， 14971500年间他在波洛尼亚 大学读书，除教会法规外，还同 时研究多种学 科，尤其是数学和天文学。1497年3月9日，他 在 波洛尼亚作了他遗留下的第一个天文观测记 录：月球遮掩金牛 座（毕宿五）的时刻。 1503年，在费拉拉大学获得教会法博 士学。 1506年，哥白尼从意大利回到波兰。他把大部分精力都用在天文学的研究上。日心地动说的创立 和 天体运行论的出版 哥白尼的主要贡献是创立了科学的日心 地动说，写出“自然科学的独立宣言”天体运行论。 公 元1616年把天体运行论列为禁书。然而经过开普勒、伽利 略 、牛顿等人的工作，哥白尼的学说不断获得胜利和发展；恒星 光 行差、视差的发现，使地球绕太阳转动的学说得到了令人信 服的 证明。托勒玫（公元90168）是古希腊著名的天 文学家、地理学家。约公元90年诞生于埃 及的亚历山大里亚。在公元168年去世， 终 年78岁。托勒玫于公元127年到151年在亚历山大 里 亚进行了长期的、大量的天文观测， 托 勒玫把这些天文观测成果和地心体系 总 结成十三卷巨著大综合论，后来 阿 拉伯文译本改名为至大论。托勒玫的另一巨著是八卷地理学指南，书中最早提出了类似 于现代经、纬度的概念。托勒玫对物理学的重要贡献包括在他的光学一书中。他研究 了光在平面镜上的反射和光从一种介质进入另一种介质的时候发 生折射的现象。第谷布拉赫（Tycho Brahe，1546-1601） ，丹麦天文学家和占星学家。生于克努兹 斯图普（今属瑞典）。1572年11月11日第谷发现仙后座中的一颗 新星（银河系的一颗超新星），第二年发 表论文新星，后来受丹麦国王腓特烈 二世的邀请，在汶岛建造天堡观象台，建 造了许多大型精密的天文仪器，经过20年 的天文观测，第谷发现了许多新的天文 现 象，如黄赤交角的变化、月球运行的二 均 差，并重新测量了岁差数值（每年51 ）。第谷布拉赫曾提出一种介于地心说和日心说之间的宇宙结构 体系：地球静居中心，行星绕太阳运行，而太阳则带领 行星绕地 球运转。这一体系十七世纪初传入我国后曾一度被接受。伽利略 (1564-1642)伟大的意大利物理学家和天文学家，科学 革命的先驱。伽利略1564年2月15日生于比萨,父亲芬琴 齐奥伽利莱精通音乐理论和声学，著有 音乐对话 一书。1574年全家迁往佛 罗伦 萨。为了证实和传播N.哥白尼的日心说，伽 利 略献出了毕生精力。由此，他晚年受 到教 会迫害，并被终身监禁。开普勒 (1571-1630)德国近代著名的天文学家、数学家 、物理学家和哲学家。 开普勒是继哥白尼之后第一个站 出来捍卫太阳中心说 、并在天文学方面有突破性成就的人物，被后世的科 学 史家称为“天上的立法者”。 开普勒出生在德国威尔的一个贫民家庭，开普勒是 一个早产儿，体质很差。他在童年时代遭遇了很大的 不 幸，四岁时患上了天花和猩红热，虽侥幸死里逃生 ，身体却受到了严重的摧残，视力衰弱，一只手半残 。但开普勒身上有一种顽强的进取精神，但一直坚持 努 力学习，成绩一直名列前茅。1587年进入蒂宾根大学。 第谷最大的天文学成就就是发现了开普勒。第谷在 临 终前将自己多年积累的天文观测资 料全部交给了开普勒，再三叮嘱开普勒 要继 续他的工作，并将观察结果出版出来。开普勒接过了第谷尚未完成的研 究工作 。 后来，开普勒在伽利略的影响下，通过对行星运动进行深入的研究，抛弃 了 柏拉图和毕达哥拉斯的学说，逐步走上真理和科学的轨道。 1630年11月，因 数月未得到薪金，生活难以维持，年迈的开普勒不得不亲 自到雷根斯堡索取。不幸的是，他刚刚到那里就抱病不起。1630年11月15日， 开普勒在一家客栈里悄悄地离开了世界。他死时，除一些书籍和手稿之外，身 上仅剩下了7分尼（1马克等于100分尼）。拉格朗日Lagrange, Joseph Louis，1736-1813 法国数学家。 1736年1月25日在意大利西北部的都灵出生。 只有18岁的他就以纯分析的方法发展了欧拉 所开创的变分法， 奠定变分法之理论基础 。 后入都灵大学。 1755年，19岁的他就已当 上 都灵皇家炮兵学校的数学教授。不久便成 为 柏林科学院通讯院院士。两年后，他参与 创 立都灵科学协会的工作，并于协会出版的 科 技会刊上发表大量有关变分法、概率论 、微 分方程、弦振动及最小作用原理等论文 。分析力学1788。关于解数值方程1767及关 于 方程的代数解法的研究1771。他还写了两部分析巨着 解 析函数论1797及函数计算讲义1801。数学界近百多年来的许多成就都可直接或简接地追溯于拉格朗 日的工作。为此他于数学史上被认为是对分析数学的发展产生 全面影响的数学家之一。爱因斯坦 (1879-1955)1879年 3月14日生于德国乌耳姆一个经营电 器作坊的 小业主家庭。一年后，随全家迁居慕尼黑。在任工程 师的叔父等人的影响下,爱因斯坦较早地受到科学和哲 学的启蒙。1894年,他的家迁到意大利米兰,继续在慕尼 黑上中学的爱因斯坦因厌恶德国学校窒息自由思想的 军国主义教育，自动放弃学籍和德国国籍，只身去米 兰。1895年他转学到瑞士阿劳市的州立中学；1896年 进苏黎世联邦工业大学师范系学习物理学，1900年毕业。由于他的落拓不羁的性格和独立思考的习惯，为教授们所不满