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力学（物理类） 前言
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本书系为理科大学物理类专业学生编写的普通物理力学教材，主体内容是经典力学，其后，用适量的篇幅介绍了狭义相对论中的运动学和质点动力学。
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力学是为大学一年级学生设置的专业基础课，基本内容在高中物理课上虽已讲授过，但较为粗浅。再则，多数学生受高考影响，偏重解题得分，对经典力学普遍缺乏较为系统的认识。考虑到这一欠缺对后续理论课程的学习将会十分不利，因此，在力学课程中拟强调教学内容的融会贯通，在教材主体结构方面则采用传统的方式以展现经典力学内在的系统性。
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经典力学主体结构的基础是实验定律，从现象观测直至定律成文，其间的过程始终是未完成的归纳。未完成性为后来的物理学家提供了进一步探索的可能，使得经典力学能经爱因斯坦的工作，修正、发展成为狭义相对论力学。归纳和演绎是必要的。定律之后，运用数理逻辑导出一系列定理、公式，乃至形成相当完整的理论体系，其后效应不仅仅在于社会应用，更在于深化了人类对自然界的认识。
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经典力学包含两组定律，其一为牛顿三定律，其二为力的结构性定律。牛顿三定律是核心内容，具有普适性，由此演绎出动量、能量、角动量三组定理。力的结构性定律涉及物体（或物质）间具体的相互作用规律，其中包括牛顿万有引力定律、胡克弹性力定律、摩擦力定律、库仑定律等。两组定律结合展开成的经典力学体系，可以统一地解释宏观世界和部分宇观世界中出现的种种力学现象。
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梳理经典力学系统，逻辑上的简洁性产生的美感，当能激起学生对牛顿和前辈学者的崇敬之心。
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当前正在进行的中学物理教学改革，删去了部分经典的定量内容，增添了部分近代的定性半定量的内容，旨在减轻应试负担，提高中学生的综合素质。改革的长远效果将会显现，但就近期而言，却难免会影响大一新生的物理基础。面对现实，力学课程既然不宜降低教学标准，就更需考虑如何化解学生听课的困难。为此，本教材在基础内容陈述方式上，力求兼顾多数学生的可接受性。例如将质心、刚体合并在同一章内，从刚体平动问题遇到的动力学困难引入质心，使学生感觉自然。又如狭义相对论一章中安排了一段内容，从逻辑上定性叙述了如何由光速不变原理导出惯性系之间时钟零点校准的差异，又由这一差异导出运动直尺长度的收缩，继而由长度收缩导出运动时钟计时率的变慢。帮助学生理清光速不变原理与时空度量相对性之间的因果关联，意在化难为易。
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从教多年，深感较好的题目不仅可以起到训练学生运用理论知识解决具体问题的能力，而且也能提升学生对物理学科的兴趣。本书编写过程中刻意为学生编制和选录了各章习题，按易、难程度分成A、B两组，附于各章后，并将全部题解汇集成册，与教材配套出版，供学生解题参考。
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舒幼生
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2005年8月于北京
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力学（物理类） 内容简介
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本书系为大学物理类专业学生编写的普通物理力学教材，适用于综合性理科大学和师范类大学，也可用作工科类大学的力学教学参考书。全书分为经典力学和狭义相对论两部分。前7章阐述经典力学内容，其中第1，2，3，4章讲解质点运动学、牛顿定律和动量、能量、角动量定理，第5章讨论质心和刚体，第6章介绍流体，第7章专述振动与波，第8章阐述狭义相对论中的运动学和质点动力学内容。本书的经典力学部分采用传统的方式展现主体结构中内在的系统性，在狭义相对论章节的引文中，尤其注意内容之间的逻辑关联。全书在陈述方式上，始终顾及大学一年级学生的可接受性。考虑到课后练习的重要性，本书编写过程中刻意为学生编制和选录各章习题，按易、难程度分成A和B两组，并将全部题解汇集成册，书名为《力学习题与解答》，与教材配套出版，供学生解题后参考。
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力学（物理类） 1 质点运动学
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1.1 空间和时间
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物体各个点部位的空间位置随时间而变化，形成运动，因此，空间和时间是运动的两个要素．据我国古人所言：“往古来今谓之宙，四方上下谓之宇”（《淮南子·齐俗训》），可将空、时及其中包含的物质，全体合称宇宙．
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1.1.1 空间
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人类对空间的认识起源于对物体结构和运动的观察．物体在结构方面有左右、前后、上下（即“四方上下”）三对可延展的方向，物体在运动方面也有这三对可移位方向．人们便自然地认为世界上首先存在的是什么都没有的空间，世间万物容纳于这一空间之中，运动在这一空间之中．数学家依据生活经验建立了三维平直空间，其中点是空间的最基本结构单元，点沿一对方向延展成线，线沿第二对方向延展成面，面沿第三对方向延展成体．空间的平直性表现为欧几里得平行线公理在其内成立，因此由三条直线两两相交所成三角形的内角之和恒为180°，以及直角三角形两条直角边平方之和恒等于斜边平方．平直空间可无限延伸，是无限空间．在此基础上，经典物理学家建立了绝对空间观．他们首先认为真实空间的存在是绝对的，也就是说没有物体和观察者的空间仍然是存在的．他们还认为真实空间的内在几何性质是绝对的，不会因物体的存在和物体的运动而发生变化．具体而言，经典物理学家认定真实空间是三维平直空间．牛顿在《自然哲学的数学原理》中关于绝对空间观作过概括性的阐述：“绝对空间，就其本性来说，与任何外在的情况无关，始终保持着相似和不变．”
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绝对空间观中还包括着空间量度的绝对性．空间的最基本量度是几何线段长度的度量．在三维平直空间中选取两点，定义其间直线段长度为1个单位，继而通过若干等分来获得更小的长度单位．几何学中的度量都是静态重合的度量，在平直空间中存在一种假想的几何移位，任何一个静态线段从空间原有位置移动到其他位置后没有任何形变．据此，移动上述标准直线段，便可测量其他直线段甚至曲线段的长度．真实世界中必须将此标准线段物化为一把直尺，这一替代可取的前提是该直尺移位前后的静态长度不变，经典物理学认为理论上必定存在这样的一把直尺，称为刚尺．刚尺处于静止状态时可以用来测量各个物体的线度，被测物体可以是静止的，也可以是运动着的．经典物理学还认定，刚尺在移动过程中也不会发生任何形变，用动态刚尺测得的物体线度与用静态刚尺测得的物体线度相同．这就是经典物理绝对空间观中空间量度的绝对性．
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在长度单位方面，开始时把从北极到赤道通过巴黎某位置子午线的一千万分之一长度定义为1个标准长度单位，称为米，用字符m代表．发现了原子光谱波长的稳定性后，在1960年的一次国际会议上，改用氪86原子光谱中一条橙黄色谱线对应光波波长的1650763.73倍定为1m．在第17届国际计量大会（CGPM，1983）上又定义米为“光在真空中（1/299792458）s时间间隔内所经路径的长度”．
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20世纪初，爱因斯坦先后建立了狭义相对论和广义相对论．狭义相对论认为只有能被测量的空间才是真实的空间，或者说真实空间不能脱离测量者而单独存在．每一个测量者都有相对其静止的真实空间．由于测量者之间的相对运动，各自空间的度量属性彼此会有差异，这表现在刚尺的长度会因运动而缩短．因此引发出一些有趣的现象，例如在测量者A的空间中，一个等边三角形，由于相对运动，在测量者B的空间中它可能会是一个等腰直角三角形．在狭义相对论中，空间仍然是无限伸展的平直三维空间．广义相对论进一步认为空间的几何性质取决于周围的物质分布，物质的运动又受到空间几何性质的制约．物质的存在，使得空间不是平直的而是弯曲的三维空间．与在球面这样一个弯曲的二维空间中不存在直线类似，弯曲的三维空间中也未必存在直线．平直空间中两点之间最短的连线段是直线段，弯曲空间中两点之间最短的连线段称为短程线段（球面上短程线段是大圆弧段）．广义相对论指出，真实空间弯曲程度与物质密度有关．天文观察显示物质在宇观尺度上的分布是均匀的，整个宇宙空间各处弯曲程度相同．进一步的研究发现宇宙是不稳定的，事实上处于膨胀状态．据此建立的宇宙大爆炸理论，认为宇宙起源于一个物质密度趋于无穷大的高温区域，而后急剧膨胀并降温，经历种种演变，物质又凝聚成团，形成了银河、太阳、地球等天体，地球上又出现了迄今为止仍可谓万物之灵的人类．宇宙膨胀至今，从地球上能观察到的宇宙天体，理论上已可远至1026m的距离．
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