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出版者:

作者:Dugopolski, Mark

出品人:

页数:305

译者:

出版时间:2008-1

价格:$ 89.27

装帧:

isbn号码:9780073206141

丛书系列:

图书标签:

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深入剖析经典力学：从牛顿定律到拉格朗日场论 本书导读 本书旨在为读者提供一个全面且深入的经典力学框架，涵盖从基础概念的建立到前沿理论的探索。它不仅仅是一本教科书，更是一份引导读者理解宇宙运行基本规律的指南。我们的目标是超越单纯的公式推导，深入探究力学定律背后的物理意义、数学结构及其在现代科学中的广泛应用。 第一部分：基础与动力学核心 第1章：运动学的几何基础 本章将建立描述物体运动所需的基本数学工具。我们将从直角坐标系下的运动学出发，重点讨论位移、速度和加速度的矢量性质。随后，我们将引入极坐标系和自然坐标系（包括单位切向量、法向量和副法向量），这对于处理曲线运动至关重要。特别是，对曲率和挠率的深入分析，将使读者对物体在三维空间中的轨迹有更直观的理解。本章的数学基础涵盖了必要的微积分知识，如向量微积分和链式法则在物理问题中的应用。 第2章：牛顿定律的严谨阐述 牛顿第二定律 $F=ma$ 是经典力学的基石，但其在不同参考系下的适用性需要精确的讨论。本章将详细分析惯性参考系和非惯性参考系。在非惯性系中，我们将引入惯性力，如科里奥利力和离心力，并结合实际例子（如地球上的运动和摆的运动）来展示其效应。绝对时间与空间的概念将在本章中得到审视，为后续引入更抽象的力学体系做铺垫。动量守恒和角动量守恒将作为牛顿定律的直接推论，进行严格的证明和应用。 第3章：功、能与保守力场 功的概念是连接力和运动的桥梁。本章将详细探讨动能、势能以及它们之间的关系，即著名的动能定理。势能的概念只有在保守力场中才具有普遍意义，因此，本章将严格定义保守力，并通过路径无关性、势能梯度与力场之间的关系进行论证。我们将分析几种重要的保守力，如万有引力、简谐振动（弹簧）的势能，并探讨如何利用能量守恒原理解决复杂系统问题，例如碰撞和轨道力学中的能量分析。 第4章：振动与波 简谐振动（SHM）是物理学中最基础的周期性运动模型。本章将从二阶常微分方程的角度求解受迫振动、阻尼振动，并深入分析共振现象。我们将探讨谐振子的质量、弹簧常数和阻尼系数对系统响应的影响。随后，我们将讨论更一般的波的性质，包括一维波动方程的建立、解的叠加原理以及驻波的形成。 第二部分：拉格朗日力学与哈密顿力学 第5章：约束系统与广义坐标 当系统受到约束时，直接使用牛顿定律和笛卡尔坐标系会变得异常复杂。本章引入了处理约束问题的核心工具：拉格朗日力学。我们将定义各种类型的约束（完整约束、非完整约束，以及单值约束与多值约束），并详细讲解如何选择一组独立的、最小的广义坐标 $(q_i)$ 来描述系统构型。 第6章：欧拉-拉格朗日方程 本章的核心是达朗贝尔原理和最小作用量原理（或称哈密顿原理）。我们将通过变分法导出欧拉-拉格朗日方程，这是拉格朗日力学的基本运动方程。本章将详尽地演示如何构造系统的拉格朗日量 $L = T - V$（动能减去势能），并利用上述方程求解复杂的约束系统，例如双摆、滑块在曲面上的运动等，展示其相对于牛顿力学的优越性。 第7章：守恒定律与诺特定理 拉格朗日力学的强大之处在于它能自然地导出守恒量。本章将详细介绍诺特定理——一个深刻的数学物理联系：系统的连续对称性必然对应着一个守恒量。我们将分析时间平移对称性对应能量守恒，空间平移对称性对应动量守恒，以及空间旋转对称性对应角动量守恒的严格推导。 第8章：哈密顿力学的建立 哈密顿力学是相空间中的经典力学表述，是量子力学的基础。本章将通过勒让德变换将拉格朗日量转换为哈密顿量 $H(q_i, p_i, t)$，其中 $p_i = partial L / partial dot{q}_i$ 为广义动量。我们将导出哈密顿正则方程，分析其形式上的对称性和其作为能量表达式的物理意义。 第9章：泊松括号与正则变换 泊松括号是连接经典力学与量子力学（通过对易子）的关键结构。本章将定义泊松括号，并展示如何利用它来检验守恒量和分析系统的演化。随后，我们将探讨正则变换——一种改变广义坐标和动量集而不改变哈密顿正则方程形式的坐标变换。本章会详细讨论生成函数法，这是求解复杂守恒系统的有力工具。 第三部分：高级主题与拓展 第10章：中心力问题与轨道动力学 中心力是经典力学中一个具有特殊重要性的问题。本章将利用角动量守恒将二维问题简化为一维的有效势问题。我们将详细分析开普勒轨道（椭圆、抛物线和双曲线）的几何性质，并利用保积积分（Binet公式）来确定轨道的形状。此外，束缚态与散射态的区分也将被明确讨论。 第11章：刚体动力学基础 刚体是系统中粒子间距离保持不变的理想化模型。本章将从描述刚体运动的欧拉角出发，定义刚体的转动惯量张量。我们将推导欧拉方程，用于描述绕定点旋转的刚体运动，并分析自由陀螺的运动，如进动和章动。 第12章：微扰理论与非线性动力学初步 在许多实际问题中，精确求解运动方程是不可能的。本章将介绍处理弱非线性系统的微扰方法。我们将讨论含时微扰论（时变哈密顿量）和不含时微扰论（能量本征态），并以受阻尼谐振子和天体力学中的摄动项为例进行说明。最后，我们将简要介绍混沌现象的初步概念，探讨相图中非周期性运动的特征。 本书特色 本书的结构严谨，从宏观的牛顿力学逐步过渡到微观的相空间理论。大量的插图、清晰的数学推导，以及精心挑选的例题和习题，确保读者不仅掌握了计算技巧，更理解了经典力学的深刻物理内涵和数学美感。本书适合物理、工程学、数学专业的高年级本科生及研究生作为核心教材或参考书使用。

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