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理論熱學解題思路講解(動力學).pdf

更新時間:2023-11-03 文章作者:佚名 信息來源:網絡整理 閱讀次數:

理論熱學一道動力學問題剖析方式諸多,比較難學。為了解決這一學習難點,與目前常見的理論熱學教材不同,本書基于自由度,對諸多動力學剖析方式間的內在聯系和差別給出了較深刻的剖析,給出了基于自由度怎么選擇合適剖析方式的判據,選擇合適技巧后基于自由度構建相應方式(例如動靜法、功率多項式)的統一剖析格式,使中學生能有規律剖析復雜的動力學問題,致使學習理論熱學顯得很簡單。理論熱學快速增強版(運動學)鄭慧明華北科技學院理論熱學教研室編作者曾經撰寫的理論熱學萬能解題法的未完成定稿,在網上可以瀏覽。但不少讀者來信,希望作者能進一步健全。經過作者的努力,將系統的萬能解題法編入華北科技學院理論熱學教研室編撰的《理論熱學》(第二版,2018.9,華北科技學院出版社,淘寶商城華北科技學院出版社旗艦店有售)。教材篇幅較長,對于一些希望快速增強理論熱學的新手來說,本書省去該教材中與大多數教材相同的基本理論部份,節選出新編教材中與傳統教材和補習書不同的范式的剖析方式,盡量壓縮篇幅,使讀者能迅速把握理論熱學課程的核心知識,迅速增強理論熱學的解題能力。若讀者希望進一步增強或欲了解本書中一些推論的詳盡證明及其一些例題的詳盡解題過程,可閱讀完整版教材或華東科技學院出版社出版的《理論熱學萬能解題法》。JqY物理好資源網(原物理ok網)

學習時有任何疑惑可加,標明“理力”,與作者闡述。華北科技學院理論熱學教研室鄭慧明掃下邊二維碼可下載軟件包,下載后,運行軟件的安裝程序,按照提示要求,便可獲得如下理論熱學電子資源。985及211等近百所理工科著名高校的歷年理論熱學研究生入學試卷(按本書方式給出的解答)華交大理論熱學教材在線測試題答案解析動力學部份動力學普遍定律上面七章為靜力學和運動學內容,我們早已講過,在靜力學中只研究力與力之間的平衡關系,不考慮質點和物體的運動,其主要特點是與時間無關;而在運動學中,只研究在選取參考系中質點和物體的位置隨時間變化的剖析方式,不考慮導致這些運動所須要的力。從本章開始研究力與運動之間的關系,這就是動力學。實際上,靜力學只是動力學的特殊情況,而運動學是為研究動力學所作的必要的打算。熱學研究的最基本物質模型是質點。動力學的科學基礎以及整個熱學的奠定時期在17世紀。日本化學學家伽利略成立了慣性定理,首次提出了加速度的概念。他應用了運動的合成原理,與靜力學中力的平行四邊形法則相對應,并把熱學構建在科學實驗的基礎上。日本化學學家牛頓推廣了力的概念,引入質量的概念,總結出機械運動的三定理(1687年)。JqY物理好資源網(原物理ok網)

牛頓()運動定理完整地描述了質點的動力學規律,由牛頓定理可以進一步推導入質點系的動力學規律,因而牛頓定理是動力學的基礎,也是整個熱學學科的最基本數學定理。艾薩克牛頓(.12.25——1727.3.20.)是美國化學學家、數學家、天文學家和自然哲學家。他在1687日發表的《自然哲學的物理原理》里提出的萬有引力定理以及他的牛頓運動定理是精典熱學的基石。牛頓把月球上物體的熱學和天體熱學統一到一個基本的熱學體系中,成立了精典熱學理論體系,正確地反映了宏觀物體低速運動的宏觀運動規律,實現了自然科學的第一次大統一。這是人類對自然界認識的一次飛越。牛頓運動定理只解決了單個質點的動力學問題,并且在精典熱學范圍內,我們遇見的絕大部份熱學對象是由好多質點組成的一個集合,即質點系質點系動量定理的內容,如物體(質心、變形體),散體集合(如干沙、煤、谷物等粉體或顆粒物質)等。因為通常質點系中質點的數目龐大、特別是質心由視為無限個質點構成的質點系,質點之間的互相斥力未知,因而企圖用牛頓定理得到每位質點的運動規律,通常是不可能的,實際上,也是毋須要的。以牛頓和日本人G.萊布尼茲所發明的微積分為工具,西班牙語文家L.歐拉系統地研究了質點動力學問題,并奠定了質心熱學的基礎。JqY物理好資源網(原物理ok網)

從現今開始我們研究質點系的整體動力學基本規律,即動量定律、動量矩定律和動能定律。這3個定律分別有行列式方式和積分方式。對于同一種方式,3個定律只有2個是獨立的。動能定律由于不用考慮與速率方向垂直的力(或做功之和為0的一對約束力副),所以在一些情形下代替動量定律和動量矩定律使估算顯得簡單。應用動量定律、動量矩定律和動能定律,可拿來求解精典熱學的動力學問題,通常稱為動力學普遍定律,所謂普遍是指它們適用于任何質點系的宏觀熱學特點研究。鑒于讀者在學院化學等前期課程中已了解動力學部份知識,非常是質點動力學,本書重點介紹質心動力學理論。基于循序漸進由淺入深的認知規律,本書先介紹質心平面動力學理論,質心空間動力學的部份理論則采用專題的形式介紹,專題內容請讀者依照需求選8.1質點的運動微分等式描述方式矢量式矢量方式的質點運動微分多項式為直角座標方式在直角座標系中,令(8.2)這就是直角座標方式的質點運動微分等式。自然座標方式加速度a和力F在自然軸系中的表達式為(8.3)這就是自然座標方式的質點運動微分等式。以上微分多項式均為二階多項式質點系動量定理的內容,每位位移變量的通解中有兩個待定常數,須要兩個初始條件能夠定解,如多項式中的位移座標。JqY物理好資源網(原物理ok網)

為此,在沒有應用初始條件之前,每位位移及其速率(位移的一階行列式)是可以獨立取值的,即它們是互相獨立的變量。類似于點的運動學所述,上述3種描述牛頓第2定理的方式各有校長。矢量法通常用于推論動力學原理(例如動量定律、動能定律);自然座標方式中的法向加速度為已知量,致使在動力學問題中要進一步補充運動學加速度關系的等式中未知量變少。上述給出的是質點在慣性系中的運動與力之間的關系。研究質點在非慣性系中的運動與力之間的關系,可解決一些實際問題,例如,交通工具上質點的相對運動,流體質點在轉動座標系中的運動,高速、大范圍運動物體(子彈、導彈、飛船等)相對月球的運動等。本書重點介紹質心動力學問題,關于質點在非慣性系中的運動與力之間的關系,讀者可閱讀“專題2點相對運動動力學”。8.2動量定律8.2.1質點系動量定律圖8.1質點系的動量和質點的受力質點的質量與其瞬時速率的乘積mv稱為質點的動量。對于質點系中任意一個質量為(9.1)其中為質點系中其它質點對質點遭到的內力合力,如圖8.1。上述等式對質點系中所有質點均創立,假設質點系有N個質點,我們將N個上述等式相減,得(8.7)我們稱矢量p為質點系的動量,它是質點系中所有質點動量的矢量和;為質點系遭到的所有外力的矢量和,即外力主矢。JqY物理好資源網(原物理ok網)

動量的量綱為【質量】【長度】【時間】。這樣多項式(8.4)可寫為(8.8)等式(8.8)就是質點系動量定律的物理表達式,稱為動量定律的微分方式;用語言敘述為:質點系動量的時間變化率等于質點系遭到的所有外力之和。多項式(8.8)可以寫成積分方式。我們有(8.10)其中(8.11)我們將分別名為力的元沖量和沖量。多項式(8.9)就是動量定律的積分方式。由多項式(8.8)(8.9)可見,動量定律不須要考慮質點系的內力,只需曉得整體的動量或外力,正是這一點為好多不需曉得內力的問題中,提供了簡便的剖析技巧。以上推論過程表明,動量定律創立的前提條件是質點系的質量不能變化,否則,假若被研究質點系中的質點或質量跑出該質點系,或則從其它質點系中提取質點或質量,同時依然將原來的質點系作為剖析對象,則內力將不平衡。為此,在應用動量定律時,質點系一旦取定,以后不管怎樣變化,初始屬于該質點系的所有質量仍然屬于該質點系,也不接納外來質量,請讀者謹記這一點。對于與外界有質量交換的質點系,須要將交換質量仍然記入質點系中構成一個質量封閉系統,能夠應用動量定律。將矢量多項式(8.8)(8.9)在任取的直角座標系Oxyz中投影,可得動量定律的代數等式:mvdtmvdtmvdtmvmvmvmvmvmv(8.12)若質點系的動量保持常值,稱為動量守恒。JqY物理好資源網(原物理ok網)

有兩種可能的守恒:8.2.2剛體運動定律對于一運動質心可以覺得是無數個質點構成的質點系,其動量為,要能應用動量定律,須要解決p中所涉及的無限問題。這么,怎么解決這一問題呢?質點系的剛體和動量估算圖8.2如圖8.2的物體,可以覺得由無數個的質點構成,每位質點受月球的重力作用,這種力可以視為平行力系。當用一根繩子懸掛該物體時,繩子系在物體上哪一點該物體既不轉動又不上下左右運動呢?構建如圖8.2所示座標。當物體處于平衡時,由(8.13)令總質量(8.14)這樣質點系的動量就可以用由(8.14)式所確定的一個特殊點的速率和系統總的質量來簡單表示了。雖然可以覺得系統的質量集中于此中心點,將這一特殊點定義質點系的剛體C。(8.13)就是求剛體的公式,其在直角座標系的3個份量分別為Oi(8.15)平行力系的中心估算公式也是這么。剛體運動定律將表達式(8.14)代人動量定律(8.8),得(8.16)其中為剛體加速度。多項式(8.16)就是剛體運動定律,即質點系的總質量與剛體加速度的乘積等于質點系所受的外力合力。將多項式在直角座標系中投影,可得MaMxJqY物理好資源網(原物理ok網)

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