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出版者:Addison Wesley Publishing Company

作者:Charles W. Misner

出品人:

页数:228

译者:

出版时间:1991-2

价格:USD 36.00

装帧:Paperback

isbn号码:9780201164107

丛书系列:

图书标签:

• 物理学
• 电子表格
• 计算物理
• 科学计算
• 数据分析
• 建模
• 教学
• STEM教育
• 可视化
• 模拟

机械之舞：从牛顿到量子力学的经典力学探索 图书简介 《机械之舞：从牛顿到量子力学的经典力学探索》是一部深入浅出、全面系统的经典力学教材，旨在为读者构建一个坚实而直观的物理学基础。本书超越了传统教科书的枯燥叙述，以一种富有启发性和历史感的方式，带领读者穿越人类理解物质世界运动规律的伟大历程。我们聚焦于宏观尺度上物体运动的精确描述、预测与控制，这是现代工程学、天文学乃至许多新兴技术领域不可或缺的基石。 第一部分：牛顿的基石——运动的精确量化 本书的开篇将追溯艾萨克·牛顿爵士奠定的经典力学框架。我们不会仅仅停留在对三大定律的罗列，而是深入剖析这些定律在不同参考系下的适用性与深刻内涵。 1. 运动学的几何学基础： 详细探讨了直线运动、抛体运动以及圆周运动的数学描述。我们使用矢量分析和微积分工具，清晰地展示了位移、速度和加速度之间的动态关系。特别地，我们为读者复习了必要的微积分知识，确保读者能够流畅地驾驭瞬时变化率的概念，这是理解“力”这一概念的前提。 2. 牛顿第二定律的普适性与局限性： $F=ma$ 不仅仅是一个公式，它是一种操作原理。本章将通过大量实例，从简单的滑块运动到复杂的系绳连接体，展示如何运用牛顿定律解决实际问题。我们着重讲解了力的分解、平衡态分析以及非惯性系下的虚拟力（如科里奥利力和离心力）的引入，为后续的拉格朗日力学做铺垫。 3. 守恒定律的优雅力量： 动量守恒和角动量守恒是理解系统演化的两大支柱。本书详尽分析了碰撞问题（包括弹性与非弹性碰撞），并深入探讨了角动量在行星轨道、刚体转动中的核心作用。我们通过介绍质心系的概念，展示了系统整体运动的简洁性，即使内部结构复杂。 第二部分：能量与场——从点粒子到连续介质 经典力学的美妙之处在于它能够处理从基本粒子到宏大星系的尺度。本部分将视线从孤立物体的运动扩展到能量和场论的范畴。 1. 功、能与保守力： 势能的概念是解决复杂动力学问题的关键。我们详细分析了重力势能、弹性势能等保守力的特性，并推导出变力做功的计算方法。机械能守恒定律在此被提升到理论高度，解释了为什么在某些约束条件下，运动的复杂性可以被能量的单一标量所概括。 2. 万有引力：行星运动的精确轨迹： 本章将重访开普勒定律，并从牛顿的引力理论出发，严格推导出椭圆轨道的数学形式。我们探讨了二体问题，并引入了拉普拉斯的早期宇宙学思想，展示经典力学如何支撑了整个太阳系的稳定结构。 3. 振动与波的数学描述： 简谐振动（SHM）是自然界中最基本、最普遍的运动形式之一。我们从阻尼振动和受迫振动入手，引入了复数表示法，并分析了共振现象的物理意义和工程重要性。随后，我们将这些概念推广到一维和三维空间中的波的传播，奠定了声学和光学的基础。 第三部分：高级分析力学——拉格朗日与哈密顿的蜕变 为了处理更加复杂的约束系统和更抽象的物理情景，经典力学从牛顿的直观的矢量方法（力）转向了更强大的变分原理（能量）。 1. 欧拉-拉格朗日方程： 这是全书的转折点。我们首先回顾了变分法的基本思想，并引入了泛函和欧拉-拉格朗日方程。通过推导拉格朗日量 $L=T-V$，本书展示了如何通过单一的标量函数，自动“生成”系统的运动方程，极大地简化了具有复杂几何约束（如双摆、滚珠导轨）的求解过程。 2. 约束系统的处理与广义坐标： 广义坐标的选择自由度是分析力学的核心优势。我们将详细探讨单形约束和非完整约束，并通过具体实例，展示如何利用拉格朗日方程优雅地消除约束力，从而专注于描述系统的本质自由度。 3. 哈密顿力学：相空间的几何学： 导向量子力学的最后一步是进入哈密顿形式。本书介绍了正则变换、泊松括号，并将系统状态提升到六维相空间。哈密顿量 $H=T+V$ 在保守系统中的意义（即能量的守恒），以及哈密顿正则方程，为理解相空间流和保守系统的长期稳定性提供了全新的视角。我们简要提及了哈密顿-雅可比方程，作为连接经典力学与量子力学 WKB 近似的桥梁。 结语：经典力学在现代世界的地位 《机械之舞》的最终目标是使读者深刻理解经典力学的普适性和局限性。我们总结了哪些现象（如光速、原子内部行为）是经典框架无法描述的，从而自然地引出对相对论和量子力学的需求，但全书的核心始终围绕着牛顿、拉格朗日和哈密顿所建立的宏伟、精确且极其有效的经典运动学大厦。本书适合物理、工程、数学专业的本科生，以及对基础物理学有深入探究热情的自学者。阅读本书，您将掌握的不仅仅是一套解题技巧，而是理解自然界运动规律的强大思维工具。

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这本书的结构设计堪称一绝，逻辑链条非常清晰流畅。它没有试图一次性涵盖所有物理分支，而是聚焦于几个核心领域，并在这些领域内做深做透。我特别喜欢它对“误差分析”的处理方式。在传统的物理实验报告中，误差往往是一个令人头疼的步骤，需要复杂的统计学知识。但在《Spreadsheet Physics》中，作者展示了如何利用表格的内置随机数生成器和标准差函数，来模拟真实世界中测量的不确定性，并直观地展示了多次测量如何收敛到真实值。这种对实验严谨性的强调，又融入在如此便捷的操作环境中，是这本书最独特的地方。它培养的不仅仅是物理知识，更是一种科学的思维习惯——即认识到任何测量都是不完美的，并学会量化这种不完美。我感觉自己对科学实验的态度都变得更加成熟和审慎了。

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如果非要给这本书挑一个“缺点”，或许是它过于依赖特定的电子表格软件环境，对于那些习惯于使用更轻量级计算工具的人来说，初期适应成本可能略高。但抛开这一点不谈，它的价值无可替代。这本书最大的成功之处在于，它成功地架起了一座桥梁——连接了理论物理的严谨性和日常工具的可及性。我以前觉得物理学是只有实验室里那些穿白大褂的人才能触及的领域，但这本书告诉我，只要有一台装有电子表格软件的电脑，任何人都可以进行有意义的物理建模和探索。我曾经用它模拟过简单的电路行为，观察电阻和电容对电流的影响，那种即时的视觉反馈，比任何电路图都来得震撼。这不仅仅是一本关于如何使用软件的书，它更是一本关于如何用数据驱动思考的书籍，强烈推荐给所有对STEM领域感兴趣但又畏惧传统物理教材的人。

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我必须承认，在翻开这本关于电子表格的物理应用书籍之前，我对这种结合持怀疑态度的。毕竟，物理学的魅力在于其严谨的数学基础和对自然规律的深刻洞察，电子表格似乎更偏向于商业或数据分析的工具。然而，这本书完全颠覆了我的认知。它巧妙地将物理学的抽象概念“可视化”并“量化”到了表格的网格之中。例如，书中对牛顿第二定律的演示部分，作者不仅仅是给出了$F=ma$这个公式，而是通过设置不同的质量和力，实时观察加速度的变化，甚至还加入了摩擦力的考虑。这种即时反馈机制，让原本静态的公式活了起来。更让我欣赏的是，作者在每一步操作后都会附带“为什么这样做”的深入解释，而不是仅仅告诉你“这样做”。这种深层次的理解，使得即便是像简谐振动这样涉及到微积分概念的内容，也能通过迭代计算的方式被清晰地呈现出来，对于像我这样多年未接触高等数学的读者来说，简直是福音。

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这本《Spreadsheet Physics》真是出乎我的意料！我原本以为这会是一本枯燥乏味的教科书，里面塞满了密密麻麻的公式和理论，但事实完全不是这样。作者的叙述方式非常接地气，仿佛他正坐在我旁边，手把手地教我如何用最熟悉的工具——电子表格，来理解那些看似高深莫测的物理学概念。我记得有一章是关于抛体运动的，我以前总是死记硬背那些时间和速度的公式，但通过书中详细的步骤，我竟然能自己构建一个动态的模型，观察小球在不同初速度和角度下的轨迹变化。这种“看得见、摸得着”的学习过程，极大地激发了我的兴趣。我甚至开始尝试用它来模拟一些我日常生活中遇到的问题，比如计算我扔出去的飞盘能飞多远。书里对Excel函数和数据透视表的运用讲解得极其到位，即便我对编程一窍不通，也能轻松上手。这种实践性的教学，远比单纯的理论灌输来得有效，它真正教会了我如何“做”物理，而不是仅仅“学”物理。

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说实话，我不是物理专业的学生，我买这本书完全是出于一种“自救”的心态，因为我女儿在高中物理课上遇到了瓶颈，而她的老师推荐的参考书对我来说如同天书。我抱着试试看的心态开始阅读《Spreadsheet Physics》，结果发现它简直是为“非专业人士”量身定制的。书中的语言非常平易近人，没有那种学术论文里常见的拗口术语。它更像是一系列精心设计的项目指南。比如，在讨论热力学时，它不是直接抛出熵增原理，而是构建了一个模拟气体分子碰撞的模型，通过不断增加分子的数量和随机性，让读者自己“观察”到系统趋向无序状态的必然性。这种启发式的学习路径，极大地增强了学习的内驱力。我感觉自己不是在被动接受知识，而是在主动探索物理世界的奥秘。我女儿现在也更愿意和我一起操作电脑，我们不再是简单的母子/父女关系，更像是两个并肩作战的“数据探险家”。

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