目录

  • 1 绪论
    • 1.1 走进物理
    • 1.2 如何学习物理
  • 2 质点运动学
    • 2.1 质点的位矢
    • 2.2 质点的运动方程和轨道方程
    • 2.3 位移
    • 2.4 速度
    • 2.5 加速度
      • 2.5.1 加速度(一)
      • 2.5.2 加速度(二)
    • 2.6 运动学中的两类问题
      • 2.6.1 已知运动学方程求速度和加速度
      • 2.6.2 已知加速度求速度和运动学方程
  • 3 质点动力学
    • 3.1 四种基本作用力
    • 3.2 牛顿运动定律
    • 3.3 常见的作用力
    • 3.4 牛顿定律的应用
      • 3.4.1 牛顿定律的应用(一)
      • 3.4.2 牛顿定律的应用(二)
      • 3.4.3 牛顿定律的应用(三)
    • 3.5 伽利略的相对性原理
      • 3.5.1 伽利略变换
      • 3.5.2 伽利略力学相对性原理
    • 3.6 惯性力
      • 3.6.1 惯性力(一)
      • 3.6.2 惯性力(二)
      • 3.6.3 惯性力(三)
      • 3.6.4 惯性力(四)
    • 3.7 狭义相对论
      • 3.7.1 狭义相对论的建立
      • 3.7.2 相对论效应(一)
      • 3.7.3 相对论效应(二)
      • 3.7.4 狭义相对论原理(一)
      • 3.7.5 狭义相对论原理(二)
      • 3.7.6 洛伦兹坐标变换(一)
      • 3.7.7 洛伦兹坐标变换(二)
      • 3.7.8 洛伦兹时空观
      • 3.7.9 相对论速度变换
  • 4 运动定理
    • 4.1 冲量与动量
      • 4.1.1 冲量和动量
      • 4.1.2 质点的动量定理
      • 4.1.3 质点系动量定理
      • 4.1.4 质点系动量守恒
      • 4.1.5 质心
      • 4.1.6 质心运动定理
      • 4.1.7 火箭飞行问题
    • 4.2 功与能
      • 4.2.1 能量的类型
      • 4.2.2 功和功率(一)
      • 4.2.3 功和功率(二)
      • 4.2.4 动能定理
      • 4.2.5 保守力
      • 4.2.6 势能(一)
      • 4.2.7 势能(二)
      • 4.2.8 内力做功的特点
      • 4.2.9 功能原理
      • 4.2.10 机械能守恒(一)
      • 4.2.11 机械能守恒(二)
    • 4.3 相对论
      • 4.3.1 动量和质量
      • 4.3.2 动能
      • 4.3.3 冲量与功
      • 4.3.4 质能关系
      • 4.3.5 能量与动量的关系
    • 4.4 冲量矩与角动量
      • 4.4.1 角动量
      • 4.4.2 力矩的定义
      • 4.4.3 角动量定理(一)
      • 4.4.4 角动量定理(二)
      • 4.4.5 质点系的角动量
      • 4.4.6 质点系的角动量定理
      • 4.4.7 角动量守恒
    • 4.5 对称性
  • 5 刚体力学
    • 5.1 刚体的基本运动
    • 5.2 刚体定轴转动的描述
    • 5.3 刚体的角动量
      • 5.3.1 刚体的角动量
      • 5.3.2 转动惯量
      • 5.3.3 刚体角动量定理(一)
      • 5.3.4 刚体角动量定理(二)
      • 5.3.5 刚体角动量定理(三)
      • 5.3.6 角动量守恒
    • 5.4 刚体的动能
      • 5.4.1 刚体的动能
      • 5.4.2 刚体转动的功能原理
    • 5.5 刚体定点转动
      • 5.5.1 刚体定点转动
      • 5.5.2 定点转动刚体的角动量守恒
    • 5.6 进动
      • 5.6.1 进动(一)
      • 5.6.2 进动(二)
    • 5.7 刚体平面平行运动
      • 5.7.1 刚体平面平行运动
      • 5.7.2 刚体平面平行运动的应用
  • 6 振动
    • 6.1 简谐振动
    • 6.2 简谐振动的运动学描述和特征量
      • 6.2.1 简谐振动的运动学特征量
      • 6.2.2 简谐振动的运动学描述(一)
      • 6.2.3 简谐振动的运动学描述(二)
    • 6.3 振动的合成
      • 6.3.1 同方向同频率简谐振动的合成
      • 6.3.2 同方向不同频率简谐振动的合成
      • 6.3.3 同频率垂直简谐振动的合成
      • 6.3.4 不同频率垂直简谐振动的合成
    • 6.4 阻尼振动
    • 6.5 受迫振动
      • 6.5.1 受迫振动
      • 6.5.2 共振
  • 7 机械波
    • 7.1 机械波运动学描述和特征量
      • 7.1.1 机械波运动学特征量
      • 7.1.2 机械波运动学描述
      • 7.1.3 机械波运动学描述的应用
    • 7.2 波动方程
    • 7.3 波的能量
      • 7.3.1 波的能量
      • 7.3.2 波的能流密度
    • 7.4 多普勒效应
      • 7.4.1 多普勒效应
      • 7.4.2 多普勒效应的应用
    • 7.5 惠更斯原理
      • 7.5.1 惠更斯原理
      • 7.5.2 折射和反射
      • 7.5.3 透射波和反射波的相位关系
    • 7.6 波的叠加干涉
      • 7.6.1 波的叠加干涉
      • 7.6.2 波的叠加和干涉的应用
      • 7.6.3 驻波
      • 7.6.4 简正模
  • 8 热力学平衡态
    • 8.1 热力学系统及研究方法
    • 8.2 平衡态
    • 8.3 热力学第零定律和状态参量
    • 8.4 温度和温标
    • 8.5 理想气体状态方程
    • 8.6 理想气体压强和温度
      • 8.6.1 理想气体压强和温度(一)
      • 8.6.2 理想气体压强和温度(二)
    • 8.7 分子热运动的速度和速率统计分布规律
      • 8.7.1 分子速率分布函数(一)
      • 8.7.2 分子速率分布函数(二)
      • 8.7.3 麦克斯韦速率分布
      • 8.7.4 分子速率分布
      • 8.7.5 分子热运动的能力统计分布规律
      • 8.7.6 外力场中粒子数密度分布
      • 8.7.7 能量均分定理
    • 8.8 涨落现象
  • 9 热力学
    • 9.1 准静态过程
    • 9.2 内能、功、热和热力学第一定律
    • 9.3 热容
      • 9.3.1 热容(一)
      • 9.3.2 热容(二)
    • 9.4 循环过程
      • 9.4.1 循环过程(一)
      • 9.4.2 循环过程(二)
    • 9.5 热力学第二定律
      • 9.5.1 热力学第二定律(一)
      • 9.5.2 热力学第二定律(二)
    • 9.6 熵
      • 9.6.1 熵的定义
      • 9.6.2 熵增原理
    • 9.7 熵的统计学意义
      • 9.7.1 玻尔兹曼关系
      • 9.7.2 热力学第二定律统计意义
      • 9.7.3 自组织现象
  • 10 静电场
    • 10.1 电荷
    • 10.2 库仑定律
    • 10.3 电场
      • 10.3.1 点电荷电场
      • 10.3.2 线分布电荷电场
      • 10.3.3 面分布电荷电场
    • 10.4 高斯定理
      • 10.4.1 电场线
      • 10.4.2 电通量
      • 10.4.3 高斯定理
      • 10.4.4 高斯定理的应用(一)
      • 10.4.5 高斯定理的应用(二)
    • 10.5 环路定理
    • 10.6 电势
      • 10.6.1 电势(一)
      • 10.6.2 电势(二)
      • 10.6.3 电势梯度
  • 11 导体电学
    • 11.1 导体经典平衡性质
      • 11.1.1 导体的电场与电势
      • 11.1.2 导体上的电荷分布(一)
      • 11.1.3 导体上的电荷分布(二)
    • 11.2 电容及电容器
      • 11.2.1 电容
      • 11.2.2 电容器
    • 11.3 电流
      • 11.3.1 电流密度
      • 11.3.2 稳恒电流
    • 11.4 稳恒电场
      • 11.4.1 稳恒电场(一)
      • 11.4.2 稳恒电场(二)
    • 11.5 电源
  • 12 电介质
    • 12.1 电介质及其极化
      • 12.1.1 电介质
      • 12.1.2 电介质的极化
    • 12.2 极化强度
      • 12.2.1 极化强度
      • 12.2.2 极化电荷密度
    • 12.3 介质中的高斯定理
      • 12.3.1 介质中的静电场
      • 12.3.2 介质中的高斯定理
      • 12.3.3 电介质中高斯定理的应用(一)
      • 12.3.4 电介质中高斯定理的应用(二)
    • 12.4 介质边界两侧的静电场
      • 12.4.1 电介质中边界两侧电场强度关系
      • 12.4.2 电介质中边界两侧电位移矢量关系
    • 12.5 静电场的能量
      • 12.5.1 电场能量密度
      • 12.5.2 电荷系统的静电能
      • 12.5.3 电势能和静电能的对比
  • 13 阅读
    • 13.1 阅读
  • 14 问卷调查
    • 14.1 问卷调查
四种基本作用力
  • 1 视频
  • 2 章节测验



力学起源于人类对自然现象的观察和开展生产劳动的经验。古代人在建筑、灌溉等劳动中使用杠杆、斜面、汲水器等工具,逐渐积累起对物体受力平衡的认识。例如古希腊的德谟克利特等人就猜想过惯性定律,阿基米德奠定了静力学或平衡理论的基础等。

古代人还通过观察日、月等天体运行和使用弓箭、车轮、发石车等工具,掌握了简单的运动规律,如匀速移动或转动、抛体运动等。但是直到欧洲文艺复兴以后,人们对力与运动的关系才逐渐有了正确的认识。16世纪到17世纪期间,力学开始发展成为一门独立的、系统的学科。伽利略以实验研究和理论分析为基础,率先阐明自由落体运动的规律,提出加速度概念,验证惯性定律,提出相对性原理等。17世纪末,牛顿继承并发展了前人的研究成果,特别是开普勒的行星运行定律,提出物体运动的三个基本定律和万有引力定律,使经典力学成为系统的理论。所以,伽利略、牛顿奠定了运动学和动力学的基础。

此后,力学的研究对象由单个自由质点,转向受约束的质点及质点系,标志性成就是达朗贝尔原理和拉格朗日的分析力学。其后,欧拉把牛顿运动定律用于刚体和理想流体,开创了对连续介质的力学研究。纳维、柯西、泊松、斯托克斯等人将运动定律和物性定律相结合,创立了弹性固体力学和粘性流体力学。哈密顿提出了哈密顿原理并建立了与能量密切相关的哈密顿函数,极大地发展了分析力学。从牛顿到哈密顿期间的力学理论体系组成了物理学中一门具有完善理论的分支——经典力学。经典力学是物理学发展史上的第一次巅峰。

大学物理中介绍的力学知识一般包括经典力学的质点、质点系力学,刚体力学和狭义相对论的基础知识。


甲骨文中就有“力”这个字,有学者认为力象征古代耕田的犁形,也有学者认为力象征人的手臂相连,但是所有看法都承认汉字中的力是个象形字,与力量有关。人类对力的认识经历了漫长的历史。中国古代《墨经》总结出“力,形之所由奋也”,意在指出力是物体开始运动及运动增减的原因,可见力的概念是自然地反映到人的意识中来的。

在西方,力的概念及其争论首先发生在思想领域。古希腊的泰勒斯等人认为自然界有生命,是活的,像人体一样能自己运动。这种思想不涉及物体运动起源的命题,也就没有力的概念。后来帕门尼德从逻辑推理提出运动并不存在的观点,而其反对者提出运动的根源是力以证明运动是存在的。这是原始的“力为因,运动为果”的因果论观点。

柏拉图也认为力是非物质的,他认为自然界所有力的终极根源是不为人所知的世界灵魂。这种观点很难解释力与运动的关系,例如万有引力及其作用下产生的运动。

亚里士多德提出力是从一个物体发射到另一物体上去的,这种发射的力不是物质,而是依赖于物质存在的一种“形式”。根据这样的概念,力的作用将局限于相互接触的物体:只有通过推或拉,物体才能相互影响。亚里士多德的“运动定律”曾指出,运动物体的速度与其经过介质时所受的阻力成正比,但没有提出对该结论的度量单位及测量方法。其后的很长时期内,力的概念深受亚里士多德学说的束缚,几乎没有进展。

伽利略对经典力学的建立做出了重要的贡献,例如揭示自由落体定律,建立加速度概念,较正确地认识物体的惯性,但是他没有提出完备的力的概念,也没有明确质量的定义。然而伽利略率先把力与速度的变化联系在一起,破除了亚里士多德把力与速度相联系的长期思想枷锁,为以后牛顿把力和加速度相联系铺平了道路。

笛卡尔通过研究物体的碰撞,扩展了惯性定律,明确提出力是改变物体运动状态的原因,这对牛顿建立力的概念提供了十分重要的思路。

牛顿在1664年提出力是物体动量对时间的变化率,并把动量定义成质量乘以速度。同时,牛顿以成熟的惯性定律指出力的本性是使物体运动状态发生变化的原因,也就是说只有在物体运动状态改变时,才会有力产生。另外,牛顿还提出了作用力与反作用力定律。力的概念在牛顿力学中占据了最核心的位置,牛顿在其1687年出版的著作《自然哲学之数学原理》中,详细阐述了三大运动定律及万有引力定律。

牛顿的万有引力理论突破性地解释了物体之间不接触却可以存在力的作用,并明确地给出了任意两个物体之间相互产生作用力的定律,使力的概念从此毫无疑问地推广到物理学的其他分支乃至其他自然科学,将人们对力的认识推到了空前的高潮。但是,牛顿力学并不能从物理本质上给出物体之间不接触即可产生作用力的合理解释,所以一度备受批评。尽管如此,牛顿力学依然可以广泛地解释当时几乎所有已知的力学现象,而且与实验结果的对比十分令人满意。牛顿是经典力学发展历史上是最具光芒的代表人物,他的理论也被沿用到今天。

爱因斯坦1915年创立的狭义相对论,一方面论证了时间和空间的相对性,从而指出牛顿绝对时空观的局限性,另一方面预言了一切物理作用的传播速率不可能超过光速,从而指出牛顿建立的力的概念及万有引力理论的局限性。爱因斯坦1915创立的广义相对论明确指出了万有引力的传播速率不可能超过光速,从而启发人们对力的认识仍需要进一步探索。

物理学能有当今如此的成就,是因为有些问题一直指引着人们不断地去追寻,其中之一就是力的产生根源和作用机理究竟是什么?基于力是物体之间的相互作用这种认识,人们在探索力本性的同时,也逐渐认识到力的分类,即课程中所讲的四种基本力:万有引力、电磁相互作用、弱相互作用和强相互作用。


伴随着对力的产生根源和作用机理的追寻,人们对大到宇宙小到微观粒子的物质结构的认识也得到了长足的发展。物质由基本微粒组成,这种思想可以追溯到古希腊,德谟克利特就提出过物质都是由“原子”组成的(原子在古希腊语中本意是不可分)。与此类似,中国古代的人们也普遍认为客观世界由金木水火土5种元素组成。而该思想成为科学认识是19世纪才发生的,如今已发展成近代物理学的一个重要分支——粒子物理或高能物理。从1897年汤姆孙发现电子到20133月欧洲核子研究中心宣布发现希格斯粒子,一套被称为“标准模型”的基本粒子理论全部得到了实验验证。最后一个被证实的就是希格斯粒子。

希格斯粒子的特殊之处是什么?在标准模型中,粒子的作用不同,例如费米子负责组成物质,而玻色子负责传递作用;粒子的特征也不相同,例如有些粒子具有质量,而有些粒子质量为零。希格斯粒子正是为解释粒子的质量来源而建立的理论模型。1964年,英国物理学家彼得·希格斯(P. W. Higgs)提出存在一种粒子,该粒子是能吸引其他粒子并使其产生质量的玻色子,该理论也被称为希格斯机制。他认为这种玻色子是物质的质量之源,是电子和夸克等形成质量的基础,其他粒子在这种粒子提供的场中产生惯性,进而形成质量,并构筑成客观世界。所以,希格斯粒子是整个标准模型的基石,如果希格斯粒子不存在,整个标准模型理论将失去意义。

1988年诺贝尔物理学奖得主莱德曼在其科普读物《上帝粒子:假如宇宙是答案,究竟什么是问题?》中所说“上帝粒子”即指希格斯粒子。2013年诺贝尔物理学奖颁发给了比利时物理学家弗朗索瓦·恩格勒特和英国物理学家彼得·希格斯,前者于1964年在标准模型理论的建立中做出了突出的贡献,而后者于同年提出了希格斯机制。