3小时读通基础物理：力学篇 pdf epub mobi txt 电子书 下载 2025

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　　力学不难，日本高中物理名师教你三步骤解题！
　　【等加速度运动】懂得作图，就会解题。
　　弹簧力、摩擦力，【牛顿三大运动定律】，
　　用四色笔画出所有分力，进入【能量守恆】作功的世界！
　　【补充】压力、浮力、力矩平衡，实测日本大学考题，
　　不再害怕高中物理，一本融会贯通！

深入理解宏观世界：经典力学体系的构建与应用 引言：从日常观察到精确描述 人类对运动和力的探索从未停歇。从亚里士多德对物体下落的朴素观察，到伽利略对理想斜面实验的精妙设计，再到牛顿将这些积累汇聚成一个普适性的理论体系，经典力学作为物理学的基石，构筑了我们理解宏观世界运行规律的数学框架。本书旨在带领读者超越简单的概念记忆，深入剖析经典力学从基本公理到复杂系统应用的完整逻辑链条，强调物理图像的建立和数学工具的熟练运用。 第一部分：运动学的基石——精确描述位置与变化 在力学研究的开端，我们首先关注的是“如何描述运动”而非“为何运动”。本部分将详尽阐述一维和三维空间中的运动学概念，为后续的动力学分析打下坚实的基础。 1. 坐标系的选择与相对性： 我们将从笛卡尔坐标系出发，探讨其在处理直线运动中的简洁性。随后，我们将引入更适用于旋转和曲线运动的坐标系，如极坐标和柱坐标系，并详细推导在这些非惯性系中描述位置、速度和加速度的数学形式。重点解析速度和加速度的矢量特性，强调其与瞬时方向和变化率之间的内在联系。惯性系与非惯性系的区分是理解牛顿定律应用前提的关键一步。 2. 矢量运算与微积分的引入： 运动学本质上是位矢对时间的微分过程。本章会回顾必要的矢量代数，如点乘和叉乘在物理学中的具体含义（例如，功和力矩的计算）。随后，我们将系统地应用导数和积分的概念来处理恒定加速度运动和变加速运动。特别地，对于涉及简谐振动的分析，对正弦和余弦函数的时间导数的熟练运用是必不可少的。 3. 相对运动的分析： 在处理多个物体相互作用或观察者自身运动的场景时，相对运动的概念至关重要。本节将深入探讨相对速度和相对加速度的矢量合成法则，并通过具体的例子（如船过河流、追击问题）来展示如何通过转换参考系来简化问题的几何复杂性。 第二部分：动力学的核心——牛顿定律与作用量 动力学是经典力学的灵魂，它回答了“什么导致了运动的改变”。本部分将严格遵循牛顿三定律的逻辑结构，并将其转化为可量化的数学方程。 1. 质量、惯性与力的概念： 质量作为物体惯性的量度，其定义远比“物体含有多少物质”要深刻。我们将探讨如何通过实验（如碰撞实验）来操作性地定义和比较质量。力（Force）的引入是关键，它被定义为改变物体运动状态的原因，并作为矢量存在。 2. 牛顿第二定律的矢量形式与应用： $mathbf{F} = mmathbf{a}$ 不仅仅是一个公式，它是一个动态方程。本章将重点解析其矢量形式在处理二维和三维问题时的优势。我们将分析各种常见的力场：重力（包括地面和非均匀引力场）、弹力（胡克定律的微观基础）、摩擦力（静摩擦和动摩擦的阈值分析），以及约束力。针对复杂的受力系统，如连接体、滑轮组和斜面问题，我们将系统地演示“隔离体分析法”（Free-Body Diagram）的绘制与应用，确保力的平衡和非平衡状态的精确处理。 3. 牛顿第三定律与动量守恒： 第三定律揭示了力的相互性，即作用力与反作用力。这个看似简单的原理是动量守恒定律的微观基础。我们将定义动量 $mathbf{p} = mmathbf{v}$，并推导出动量守恒定律，特别是在弹性碰撞和非弹性碰撞中的应用。碰撞问题的处理将区分内力和外力，强调在隔离系统中动量总量的守恒性。 第三部分：能量与守恒——从做功到势能 虽然牛顿定律能解决所有动力学问题，但在许多情况下，能量的概念能提供一个更简洁、更少依赖矢量计算的解决方案。 1. 功、动能与动能定理： 功被定义为力在位移方向上的累积效应。我们将处理恒力做功和变力做功（涉及积分，如弹簧拉伸），并推导出动能 $K = frac{1}{2}mv^2$。动能定理将力做功与物体动能的变化联系起来，是连接力与速度的关键桥梁。 2. 势能与保守力： 保守力（如重力和静电力）的特性在于其做功与路径无关，这使得引入势能函数 $U$ 成为可能。我们将详细推导重力势能和弹性势能的表达式，并强调保守力可以表示为势能的负梯度（或一维中的负导数）。 3. 机械能守恒定律： 在只有保守力和不做功的约束力（如光滑的表面）作用时，系统的总机械能 $E = K + U$ 保持不变。本部分将利用机械能守恒定律来解决斜抛运动的最高点速度、摆锤的振幅以及复杂的滑块在非水平面上的运动问题，展示其在简化计算中的巨大威力。 第四部分：深入分析——圆周运动、振动与转动 经典力学必须能够描述非直线运动，特别是周期性的运动和刚体的旋转。 1. 匀速圆周运动与向心力： 匀速圆周运动虽然速度大小不变，但方向时刻改变，因此存在加速度——向心加速度 $a_c = v^2/r$。本章将解析向心力并非一种新力，而是由实际的物理力（如张力、重力或摩擦力）提供的合力，并分析如卫星绕轨、抛体在最高点的受力情况。 2. 简谐振动（SHM）： 简谐振动是自然界中最基本、最普遍的周期性运动。我们将从牛顿第二定律出发，推导简谐振动的微分方程 $mfrac{d^2x}{dt^2} = -kx$，并求得其通解 $x(t) = Acos(omega t + phi)$。重点分析相位、周期、频率以及能量在振动过程中的转化，并扩展到实际系统如单摆（小角度近似）和物理摆。 3. 刚体转动动力学： 当物体不仅平动，还进行旋转时，我们需要引入转动概念。我们将类比平动中的质量、力、动量，引入转动惯量 $I$、力矩 $oldsymbol{ au}$ 和角动量 $mathbf{L}$。详述转动定律 $oldsymbol{ au} = Ioldsymbol{alpha}$，并分析转动惯量的平行轴定理和转轴选择对计算的影响。最后，探讨角动量守恒在陀螺稳定性和行星轨道（开普勒第二定律的力学基础）中的应用。 结语：从微观到宏观的桥梁 经典力学的完备体系，为后续的相对论和量子力学提供了不可或缺的参照系和直观模型。本书的结构旨在确保读者不仅掌握了解决特定问题的技巧，更能理解从基本公理到复杂现象之间严谨的逻辑推导，真正建立起对宏观世界运动规律的深刻洞察力。

作者简介

桑子  研 Ken Kuwako

　　生于1981年。国、高中物理老师。毕业于东京学艺大学，筑波大学研究所课程修毕。第一间教课学校就是女校，面对看到物理就大感冒的女学生们，每天都十分苦恼。于是使用iPod制作影像教材，更开发三步骤解题法等教学法，融入课堂之中。

　　在他独特的教学之下，学生们终于不再害怕，重获自信。目前以打造新的理科教育环境为目标，并投入教职员录用顾问、校外学习规画、师生共同绘本制作等活动。

　　着作有《3小时读通基础物理 波动篇》（世茂出版）

　　推特：twitter.com/kuwako

译者简介

李汉庭

　　1979年生，毕业于国立海洋大学电机系，自学日文小成。2003年进入专利事务所开始从事翻译工作，2006年底开始从事书本翻译。领域从电机专利文件乃至于小常识、生活医学、科技等等的中日对译，乐于在工作中吸收新知识。目前尝试将触角延伸到特殊造型与影像创作，有各方面之作品。往后仍希望能接触更多领域，增加知识广度，同时磨练文笔。译有《图解风力发电入门》《3小时读通有机化学》、《3小时读通太阳能电池》、《3小时读通基础物理 波动篇》等（以上世茂出版）。

第一堂课  奋勇向前冲  等加速运动…13
前言…14
掌握v-t图！…14
三种基本运动…14
1静止…15
2等速运动…15
3等加速运动…15
三种图表…16
1x-t图…16
2v-t图…18
3a-t图…19
运动与图表的总结…20
v-t图定律…21
v-t图的斜率为加速度…22
v-t图的面积为移动距离…23
v-t图定律的使用法…24
四色笔123...24
专栏1  要习惯符号！…30
活用「等加速运动三公式」！…31
等加速运动三公式…31
「等加速运动三公式」的用法…32
等加速运动123…33
「无时间公式」的用法…35
专栏2  单位守恆…37
自由落体也属于「等加速运动三公式」…38
自由落体是等加速运动！…38
解出「自由落体」…40
垂直上抛…42
「做轴法」练习…46
问题练习1  等加速运动…48
第一堂课总结…52

第二堂课  一切的起源  运动方程式…53
前言…54
力与运动的关系…54
新的力单位「牛顿」…54
用箭头画出力…55
学习目标问题…56
无作用力的情况：惯性定律…57
有单一力作用的情况：运动方程式…59
运动方程式的用法…61
有两股力作用的情况：力的相互抵消…62
1两股力往同方向作用的情况…62
2两股力往反方向作用的情况…63
3两股力互相抵消的情况…63
多数力进行作用的情况…65
别看错！「力的相互抵消」or「运动方程式」…66
力的找寻法123...66
果冻找寻法！…68
重力W强度…69
垂直阻力N…70
「力的找寻法」练习…71
解出学习目标问题…74
以牙还牙！作用力与反作用力定律…78
专栏3  重力的反作用力…83
细线定律…84
问题练习2  运动方程式…87
其他应有的知识…93
力分解123…94
斜面上的物体运动…97
弹簧的力…101
摩擦力…103
摩擦力大小会不停改变…103
摩擦力图…105
1力的互相作用「静摩擦力f」…105
2一瞬间的「最大静摩擦力fmax」…106
3持续守恆的「动摩擦力f’」…106
摩擦力公式的意义…107
摩擦力方向会不停改变…108
以小力F小拉扯的情况…109
以大力F大拉扯的情况…109
算出摩擦力…110
问题练习3  摩擦力…113
第二堂总结…118

第三堂课  能量捉迷藏  能量守恆…119
前言…120
功与能量…120
物理的「功」…120
正功、负功…121
何谓能量？…123
1速度就是能量「动能」…124
2高度就是能量「位能」…125
3ㄉㄨㄞ~「弹簧位能」…128
全都找出来！能量守恆…129
寻找能量！…129
能量守恆…133
A外界不做正负功的情况…135
B外界做正负功的情况…137
使用能量守恆…139
能量守恆与各种运动…141
1云霄飞车与能量守恆…141
2弹簧与能量守恆…145
3钟摆与能量守恆…148
问题练习4  摩擦力与能量守恆…150
能量123…151
问题练习5  弹簧与能量守恆…156
第三堂总结…164

午休时间  解题法的地图…165

补课第一堂  关键在于压力差！浮力…167
前言…168
压力的基础知识…168
何谓压力？…168
何谓气压？…170
气压的特征…172
挤满的程度「密度」…173
何谓水压？…174
水压的重点…175
别忘了气压！…176
专栏4  深海鱼与零食包…177
压力差造成浮力…178
浮力之谜…178
浮力大小…179
阿基米德原理…182
问题练习6  浮力…183
下午第一堂总结…188

补课第二堂  转不动？力矩的相互抵消…189
前言…190
力矩的基础知识…191
何谓力矩？…191
两个重点…192
1在平行于力臂的方向上施力，力矩为零！…192
2直接拉扯转轴，力矩为零！…193
斜拉的情况..194
1力的分解…194
2创造新力臂…195
创造力臂123...195
另一项武器「力矩相互抵消」…198
力矩相互抵消…198
算出力矩…201
另解：分解力的解法…211
第二堂总结…213
下课…214

作业与附录  作业․综合试题…217
作业․综合试题…218
附录1  等加速运动三公式推导法…225
附录2  推导动能․位能…227
附录3  要默记物理公式…229
附录4  物理123...232

后记…234
鸣谢…235
索引…236
参考文献…238
出版感言…239

序

从「Physics」到「物理」…
现在正是重新面对物理的好时机

　　有没有人到现在还觉得「物理好难」？

　　其实物理并没有我们想像中那样难。物理非常的简单直接。国中生就已经能够解出大学学测的物理试题。我目前在女校（国中与高中）教物理，每天看着各式各样的学生与物理交手，因此深信不疑。

　　而且物理不仅不难，还很有趣。

　　当你学了物理，就会了解自然定律。天气预报，手机，电脑，电视，汽车，飞机，我们身边一切事物都与物理有关。物理甚至能帮助我们探索遥远宇宙的秘密。学习物理，世界将更加宽阔。

　　物理非常的简单，有趣，实用。但遗憾的是，许多人光看到算式便浑身过敏。

　　因此本书以问题解法为主，整理出物理学重点，让读者能体会物理有多简单。只要使用神奇的三步骤解法，任何人都能解出大学学测考题。只要能解，物理自然就有趣。

　　我将本书送给追不上物理课程内容的国中生，高中生，以及对物理一筹莫展的社会人士们。

重力的反作用力
 
重力不需接触物体就能造成影响，十分神奇。如作用力与反作用力定律所述，任何力都必定存在反作用力。重力自然也不例外。
 
重力是「地球牵引物体的力量」。想找出反作用力，只要交换主词与受词即可。
 
反作用力就是「物体牵引地球的力量」。其实物体也在牵引地球。两个具有质量的物体会互相牵引，这种力称为「万有引力」。
 
细线定律
 
物理试题中经常出现「细线」。细线是种特别的存在，并有着神奇的定律。
 
细线定律
 
拉紧的细线，无论进行何种运动，双边都将以同样大小的力拉扯物体。
 
其他应有的知识
 
接着要看可以用于各种状况的「力分解」，以及其他两种很重要的力：「弹簧的力」「摩擦力」。
 
斜面上的物体运动
 
请想像滑雪橇或雪板时，从入门路线到高手路线的情况。高手路线坡度较陡，速度较快，令人心惊胆颤。为什么坡度越陡，速度就越快呢？
 
假设在某个角度θ的斜面上，放置质量m的物体。根据「力的找寻法123」，可知物体受到以下的作用力。
 
如此看来，并没有沿着斜面方向作用的力，也就不明白物体为何会下滑了。因此我们要试着将力一分为二。
 
摩擦力
 
摩擦力存在于我们的生活环境中，各位一定印象深刻。但一般人很难正确理解摩擦力，因此学测或推甄经常出现摩擦力考题。为何摩擦力难以理解？因为摩擦力的大小与方向，会随着条件不断改变。
 
摩擦力大小会不停改变
 
各位是否有过这样的经验？
 
假设你正在拖一件行李。但是自己不管怎么出力，就是拉不动。于是你请了一位朋友帮忙拉，终于拉动了行李。神奇的是，当你开始拉动行李之后，不靠朋友帮忙，自己一个人也拉得动了。
 
由此范例，得知摩擦力会不断变化。让我们透过简单的实验，来体验摩擦力的变化。
 
请准备两条橡皮筋，如下图般绑成一条。然后拿一本有些重量的书，翻到正中央，套上其中一边的橡皮筋，并以手抓住橡皮筋的另一边（如图所示）。
 
「橡皮筋形变」与弹簧原理相同，对「施力」成正比。施加外力越大，橡皮筋形变也越大。接着请将书放在桌上，轻轻拉扯橡皮筋。一开始，书本必然动也不动。

评分☆☆☆☆☆

作为一个曾经在物理课上“挣扎”过的学生，我对“3小时读通基础物理：力学篇”这个书名既好奇又有些许的怀疑。但我更倾向于相信，这本书能够带来一些不一样的东西。我最看重的是它能否用一种“不讲废话”的方式，直接切入力学的核心。我希望它能够快速地解释那些我一直以来感到困惑的物理概念，比如摩擦力的本质，或者转动惯量的意义。我期待这本书能够提供一些“捷径”，让我能够用最有效的方式掌握力学的基础知识，而不是在繁琐的推导和复杂的公式中迷失。我希望它能像一个经验丰富的向导，指引我快速穿越力学知识的“丛林”，让我看到那些最重要、最基础的“地标”。我尤其希望这本书能够包含一些“脑筋急转弯”式的思考题，或者一些能够激发我“顿悟”的巧妙解释，让我能够通过解决问题来加深理解。我希望这本书能够帮助我重新建立起对物理学的信心，让我明白力学并不是遥不可及的，而是可以通过清晰的逻辑和直观的理解来掌握的。

评分☆☆☆☆☆

作为一名对科学充满好奇的普通读者，我一直觉得物理学是一门既迷人又充满挑战的学科。每当我看到一些关于宇宙、运动或者机械的描述时，总会激起我想要了解背后原理的冲动。然而，市面上很多物理学的书籍要么过于学术化，充斥着难以理解的公式和定理，要么过于浅显，无法真正触及问题的核心。“3小时读通基础物理：力学篇”这个书名，让我眼前一亮，它传递出一种“高效学习”的信号，这正是许多像我一样的业余爱好者所需要的。我希望这本书能够提供一种全新的视角来理解力学，它可能会从历史发展的角度，讲述牛顿等伟大科学家如何一步步建立起力学的基本框架，或者会从哲学思考的角度，探讨力与运动的关系。我更期待的是，这本书能够帮助我理解那些看似简单却蕴含深刻道理的物理现象，比如为什么风会吹动树叶，为什么车辆需要减速过弯，或者为什么建筑要考虑结构力学。我希望它能激发我的思考，让我不仅仅是“记住”知识，而是真正“理解”知识，并能将其运用到观察和分析周围的世界中去。

评分☆☆☆☆☆

这本书的出现，简直是为我这种“物理小白”量身定做的。我曾经在高中时接触过物理，但很多概念都模糊不清，尤其是一些关于运动和力的描述，总觉得难以把握。当我看到“3小时读通基础物理：力学篇”这个书名时，心里咯噔一下，感觉找到了救星。我最期待的是它能够深入浅出地讲解一些我一直困惑的问题，比如惯性的真正含义是什么？为什么物体在不受外力时会保持运动状态？书中是否会用一些巧妙的比喻或者生活中的实际案例来解释这些概念？我希望这本书能够提供一些“灵光一闪”的时刻，让我恍然大悟，原来物理学的原理是如此贴近我们的生活。我还希望它能帮助我构建起一个清晰的力学知识框架，让我知道从何处着手，又该如何循序渐进地深入。我特别期待作者能够用一种非常接地气的方式来阐述，避免使用过于专业的术语，或者即使使用了，也能给出清晰的解释。毕竟，我的目标不是成为物理学家，而是希望能够对物理学有一个基本的、扎实的理解，能够在日常生活中感受到物理的魅力。

评分☆☆☆☆☆

这本书的封面设计和排版都非常吸引人，简洁而又不失专业感。当我第一次拿到它的时候，就被封面上“3小时读通基础物理：力学篇”这几个字深深吸引住了。作为一名对物理一直抱有好奇心但又感到些许畏惧的读者，我一直希望能找到一本既能快速入门又不至于过于枯燥的书籍。这本书的名字恰好满足了我的需求，它承诺在短时间内掌握力学的基础知识，这对于我这样时间有限的学习者来说无疑是一剂强心针。我预想这本书会用一种非常直观和易懂的方式来讲解复杂的物理概念，比如如何用简单的例子来解释牛顿定律，或者如何通过生活中的现象来理解功和能的概念。我希望它能像一位耐心且知识渊博的朋友，一步步引导我走进物理的世界，消除我对抽象公式的恐惧，让我能真正理解力学在日常生活中的应用，比如为什么物体会向下落，或者为什么推一个箱子需要力气。我期待这本书能够用生动的语言和有趣的插图，将力学这门学科变得鲜活起来，让我不再觉得物理是冰冷的公式堆砌，而是充满智慧和趣味的科学。

评分☆☆☆☆☆

我一直对机械运动和受力分析充满了兴趣，尤其是在看到一些令人惊叹的工程奇迹或者体育竞技时，总会好奇其中蕴含的物理原理。“3小时读通基础物理：力学篇”这个书名，给了我一种“速成”的期待。我希望这本书能够用一种非常系统和结构化的方式来讲解力学的核心概念，比如力的分解与合成、动量守恒定律、能量守恒定律等。我期待它能够通过大量的图解和实例，将这些抽象的理论可视化，让我能够更容易地理解。我尤其希望书中能够包含一些关于实际应用案例的分析，例如如何分析一个桥梁的受力情况，或者如何计算一个抛射体的飞行轨迹。这本书的“3小时”概念，让我觉得它可能更侧重于抓住力学的精髓，而不是面面俱到。我希望它能提供一种“骨架式”的学习方法，让我能够快速建立起对力学的整体认知，然后可以根据自己的兴趣再做进一步的深入。我希望这本书能够让我看到力学在工程、设计、甚至日常生活中的广泛应用，从而对这门学科产生更浓厚的兴趣。