理論力學(xué)教學(xué)

魏久平 王甜

【摘要】隨著科學(xué)技術(shù)的日益發(fā)展和我國(guó)現(xiàn)代化進(jìn)程的加快，會(huì)不斷提出新的力學(xué)問(wèn)題。在機(jī)械、建筑等行業(yè)，復(fù)合材料的研制，新型機(jī)械、新型建筑的研究和應(yīng)用，都給力學(xué)知識(shí)的發(fā)展和應(yīng)用提供了新的機(jī)遇和天地。學(xué)好理論力學(xué)知識(shí)，將有利于我們?nèi)ソ鉀Q和理論力學(xué)有關(guān)的新問(wèn)題，從而促進(jìn)科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，同時(shí)也推動(dòng)理論力學(xué)向前發(fā)展。

【關(guān)鍵詞】理論力學(xué)；機(jī)械；建筑

一、理論力學(xué)研究的內(nèi)容

理論力學(xué)是研究物體機(jī)械運(yùn)動(dòng)一般規(guī)律的科學(xué)。物體在空間的位置隨時(shí)間的改變都稱為機(jī)械運(yùn)動(dòng)。在客觀世界中，存在著各種各樣的物質(zhì)運(yùn)動(dòng)，例如發(fā)聲、發(fā)光等物理現(xiàn)象，化合和分解等化學(xué)變化，以及動(dòng)、植物的生長(zhǎng)和人的思維活動(dòng)等。在所有的運(yùn)動(dòng)形式中，機(jī)械運(yùn)動(dòng)是最簡(jiǎn)單的一種。例如，車輛的行駛，機(jī)器的運(yùn)轉(zhuǎn)，水的流動(dòng)，建筑物的振動(dòng)，人造衛(wèi)星的運(yùn)行，等等，都是機(jī)械運(yùn)動(dòng)。平衡是機(jī)械運(yùn)動(dòng)的特例，例如物體相對(duì)于地球處于靜止的狀態(tài)。物質(zhì)的各種運(yùn)動(dòng)形式在一定的條件下可以互相轉(zhuǎn)化，而且在高級(jí)和復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)中，往往存在著簡(jiǎn)單的機(jī)械運(yùn)動(dòng)。

理論力學(xué)研究的內(nèi)容是速度遠(yuǎn)小于光速的宏觀物體的機(jī)械運(yùn)動(dòng)，它以伽利略和牛頓總結(jié)的基本定律為基礎(chǔ)，屬于古典力學(xué)的范疇。至于速度接近于光速的物體的運(yùn)動(dòng)，必須用相對(duì)論的理論進(jìn)行研究；而基本粒子的運(yùn)動(dòng)，則用量子力學(xué)的觀點(diǎn)才能予以完善的描述。宏觀物體遠(yuǎn)小于光速的運(yùn)動(dòng)是日常生活及一般工程中最常見(jiàn)的，因此說(shuō)，在現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)中，古典力學(xué)仍然起著重大作用。

理論力學(xué)通常分為靜力學(xué)、運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)三部分。

靜力學(xué)：研究物體的平衡規(guī)律，同時(shí)也研究力的一般性質(zhì)及其合成法則。

運(yùn)動(dòng)學(xué)：研究物體運(yùn)動(dòng)的幾何性質(zhì)，而不考慮物體運(yùn)動(dòng)的原因。

動(dòng)力學(xué)：研究物體的運(yùn)動(dòng)變化與其所受的力之間的關(guān)系。

在理論力學(xué)中，力是一個(gè)很重要的概念。力是物體間的相互作用，這種作用使物體的機(jī)械運(yùn)動(dòng)狀態(tài)或形狀發(fā)生改變。力使物體機(jī)械運(yùn)動(dòng)狀態(tài)發(fā)生變化的效應(yīng)稱為力的運(yùn)動(dòng)效應(yīng)（也稱外效應(yīng)）；力使物體發(fā)生變形的效應(yīng)稱為力的變形效應(yīng)（也稱內(nèi)效應(yīng)）。在理論力學(xué)中只討論力的運(yùn)動(dòng)效應(yīng)。

二、理論力學(xué)的研究方法

實(shí)踐，認(rèn)識(shí)，再實(shí)踐，再認(rèn)識(shí)，這是任何科學(xué)技術(shù)發(fā)展的正確途徑。理論力學(xué)的發(fā)展也遵循這一規(guī)律。具體地說(shuō)，是從實(shí)際出發(fā)，經(jīng)過(guò)抽象化、綜合、歸納，建立公理，再應(yīng)用數(shù)學(xué)演繹和邏輯推理而得到定理和結(jié)論，形成理論體系，然后再通過(guò)實(shí)踐來(lái)驗(yàn)證理論的正確性。

理論力學(xué)普遍采用抽象化和數(shù)學(xué)演繹的方法來(lái)研究物體的機(jī)械運(yùn)動(dòng)。抽象化的方法是根據(jù)所研究的問(wèn)題的性質(zhì)，抓住主要的、起決定作用的因素，撇開(kāi)次要的、偶然的因素，深入事物的本質(zhì)，了解其內(nèi)部聯(lián)系。理論力學(xué)中，在研究物體的機(jī)械運(yùn)動(dòng)規(guī)律時(shí)，抓住影響物體運(yùn)動(dòng)的主要因素，忽略影響較小的次要因素，可把實(shí)際物體抽象為力學(xué)模型作為研究對(duì)象。理論力學(xué)中的力學(xué)模型有質(zhì)點(diǎn)、質(zhì)點(diǎn)系和剛體。要強(qiáng)調(diào)的是，抽象應(yīng)當(dāng)以所研究的問(wèn)題為前提條件。例如，對(duì)同一個(gè)物體，研究其機(jī)械運(yùn)動(dòng)規(guī)律時(shí)可視其為剛體，若研究其材料的內(nèi)力分布與所受外力的關(guān)系等問(wèn)題，必須視其為可變形固體。理論力學(xué)中的力學(xué)模型有質(zhì)點(diǎn)、質(zhì)點(diǎn)系和剛體。

質(zhì)點(diǎn)：只有質(zhì)量而無(wú)大小的幾何點(diǎn)。如果物體的尺寸和形狀與所研究的問(wèn)題關(guān)系不大時(shí)，就可以把此物體抽象為質(zhì)點(diǎn)。

質(zhì)點(diǎn)系：由有限個(gè)或無(wú)限個(gè)質(zhì)點(diǎn)組成的系統(tǒng)。質(zhì)點(diǎn)系是最一般的力學(xué)模型。

剛體：在力的作用下，其內(nèi)部任意兩點(diǎn)之間的距離始終保持不變的物體，即剛體在力的作用下不發(fā)生變形。剛體是質(zhì)點(diǎn)系的一個(gè)特例，是對(duì)一般固體的理想化。當(dāng)物體大小、形狀的改變很小，對(duì)問(wèn)題的研究影響不大時(shí)，可視其為剛體。

數(shù)學(xué)演繹是建立理論力學(xué)體系的重要方法。經(jīng)過(guò)抽象化，將長(zhǎng)期實(shí)踐和實(shí)驗(yàn)所積累的感性材料加以分析、綜合、歸納，得到一些基本的概念、定律和原理之后，再以此為基礎(chǔ)，經(jīng)過(guò)嚴(yán)密的數(shù)學(xué)推演，得到一些定理和公式，構(gòu)成了系統(tǒng)的理論力學(xué)理論。這些理論揭示了力學(xué)中一些物理量之間的內(nèi)在聯(lián)系，并經(jīng)實(shí)踐證明是正確的。在學(xué)習(xí)理論力學(xué)的過(guò)程中，注意到這門學(xué)科理論的系統(tǒng)性、嚴(yán)密性，對(duì)于理解、掌握這門課程很有幫助。

近代計(jì)算機(jī)的發(fā)展和普及，為解決復(fù)雜的力學(xué)問(wèn)題提供了數(shù)值計(jì)算的方法。計(jì)算機(jī)已成為學(xué)習(xí)理論力學(xué)知識(shí)的有效工具，并在邏輯推演、公式推導(dǎo)、力學(xué)理論的發(fā)展中發(fā)揮重大作用。

三、結(jié)論

理論力學(xué)研究的是力學(xué)中最一般、最基本的規(guī)律，它是機(jī)械、建筑類專業(yè)的技術(shù)基礎(chǔ)課。許多后繼課程，例如材料力學(xué)、機(jī)械原理、機(jī)械零件、結(jié)構(gòu)力學(xué)、振動(dòng)理論等等，都要以理論力學(xué)的理論為基礎(chǔ)。理論力學(xué)分析問(wèn)題、解決問(wèn)題的思路和方法，對(duì)學(xué)好后繼課程也很有幫助。

一些日常生活中的現(xiàn)象和工程技術(shù)問(wèn)題，可直接運(yùn)用理論力學(xué)的基本理論去分析研究。比較復(fù)雜的問(wèn)題，則需要用理論力學(xué)知識(shí)結(jié)合其它專業(yè)知識(shí)進(jìn)行研究。所以，學(xué)習(xí)理論力學(xué)知識(shí)，可為解決工程實(shí)際問(wèn)題打下一定基礎(chǔ)。

理論力學(xué)的理論既抽象而又緊密結(jié)合實(shí)際，研究的問(wèn)題涉及面廣，而且系統(tǒng)性和邏輯性很強(qiáng)。理論力學(xué)問(wèn)題既靈活又有一定的規(guī)律可循。這些特點(diǎn)，對(duì)于培養(yǎng)辨證唯物主義世界觀，培養(yǎng)邏輯思維和分析問(wèn)題的能力，也起著重要作用。

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