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出版者:

作者:张捷民 刘汉臣

出品人:

页数:272

译者:

出版时间:2007-8

价格:24.00元

装帧:

isbn号码:9787030197368

丛书系列:

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• 大学物理
• 物理实验
• 实验教学
• 高等教育
• 理工科
• 物理学
• 实验报告
• 教学参考
• 大学生
• 实验指南

好的，这是一份图书简介，内容涵盖了《大学物理实验》之外的领域，详细且详实。 --- 《航天动力学与轨道设计：理论、方法与实践应用》 （一本关于深空探测与卫星姿态控制的专业著作） 第一章 绪论：航天工程的基石 本书聚焦于现代航天动力学的核心理论与前沿实践，旨在为航空航天工程、天体物理及相关交叉学科的研究人员和高年级学生提供一套系统而深入的知识体系。我们首先追溯了航天动力学的历史演进，从早期火箭理论的诞生到当代深空探测任务的复杂轨道规划，明确了该学科在国家重大科技战略中的关键地位。 本章详细阐述了航天动力学的基本概念框架，包括参考系的选择与转换（如惯性系、地球固连系、飞行器本体系）的数学描述，以及不同时间系统（如儒略日、原子时、世界时）在轨道计算中的精确应用。着重分析了卫星运动的物理基础——牛顿万有引力定律在非理想引力场（如J2项效应、大气阻力、太阳光压）下的修正模型，为后续的数值积分和轨道预报奠定了严谨的数学基础。 第二章 二体与多体问题：轨道动力学的核心方程 本章深入探讨了航天动力学中最基础也是最重要的——开普勒问题（二体问题）。我们不仅复习了经典解析解，更侧重于拉格朗日和哈密顿力学在轨道动力学中的应用。通过引入轨道根数（如开普勒根数、大地坐标根数），构建了描述椭圆、抛物线及双曲线轨道的通用数学工具。 随后，我们将研究范围扩展至限制性三体问题（Restricted Three-Body Problem, RTBP），特别是地月系和地日系中的拉格朗日点（L点）的稳定性分析。本章详尽介绍了庞加莱截面法在识别混沌区域和稳定区域中的应用，以及不变流形理论在设计地月转移轨迹中的重要性。此外，对摄动理论进行了详细的梳理，包括拉格朗日行星运动方程和牛顿误差模型，用于精确预测实际轨道与理想二体轨道的偏差。 第三章 轨道机动与转移设计 轨道机动是航天任务成败的关键环节。本章的核心在于优化理论在航天领域的应用。我们首先从霍曼转移和双椭圆转移等经典方法入手，分析其在能量效率与转移时间上的权衡。 重点突破部分集中于最优控制理论。详细阐述了庞特里亚金最小原理在脉冲推力机动（如边沿点修正、近点推力）中的应用，推导了最优反冲速度的条件方程。对于长时间、低推力的引力辅助（Slingshot）机动，本章引入了微分转向度（Turn Angle）的概念，并利用数值优化算法（如序列二次规划SQP）求解复杂的多目标转移路径，例如多行星际探测任务的路径优化。 第四章 姿态动力学与控制：刚体运动的精确描绘 姿态动力学是卫星精确指向和稳定性的基础。本章首先界定了描述刚体姿态的数学工具，包括欧拉角、方向余弦矩阵（DCM）以及四元数（Quaternions），并对比了它们在避免奇异性、保证连续性方面的优缺点。 刚体动力学方程的推导是本章的核心。通过对欧拉动力学方程的深入分析，结合卫星的外部扰动力矩（如地球磁矩、大气阻力矩、太阳光压矩），构建了非受迫和受迫姿态动力学模型。 在控制方面，本章系统介绍了惯性导航与控制（GN&C）系统。重点讲解了陀螺仪与星敏感器的数据融合算法（如扩展卡尔曼滤波 EKF），以及姿态控制律的设计，包括最优反馈控制、滑模控制（SMC）在抗外部干扰下的性能分析，并对反应轮/磁力矩器等执行机构的饱和约束进行了建模和处理。 第五章 轨道确定与状态估计 精确的轨道确定是遥测与轨道保持的前提。本章详细介绍了观测量的物理模型，包括测距（Range）、测速（Doppler）和方位/高度角测量，并分析了传感器误差特性。 状态估计部分以卡尔曼滤波（KF）理论为核心，系统推导了非线性系统的扩展卡尔曼滤波（EKF）和无迹卡尔曼滤波（UKF）在轨道预测与修正中的应用流程。对于高精度要求的任务，本章引入了批处理最小二乘法（Batch Least Squares），用于长时间观测数据的联合平差解算，并讨论了协方差矩阵的物理意义及其对轨道不确定性的量化。 第六章 深空任务与前沿技术 本章面向下一代航天任务，探讨了航天动力学在极端环境下的应用。 1. 行星际轨道设计与“引力之弧”方法论：讨论了如何利用多体动力学效应设计高效的行星际转移轨迹，包括歌剧（Porkchop）图分析和小行星捕获轨道（Capture Orbits）的稳定性分析。 2. 非开普勒运动建模：深入研究了受微小天体引力摄动的轨道（如近地小行星或系内不规则卫星），并讨论了Bloch方程在描述此类不规则运动中的应用。 3. 低推力/电推进系统轨迹优化：详细分析了螺旋上升轨迹的设计，利用直接配点法求解长时间低推力机动的优化问题，旨在平衡任务时间和燃料消耗。 4. 轨道碎片清除（ADR）的动力学挑战：讨论了目标捕获机动中的相对导航、碰撞规避的实时动力学计算，以及在低质量约束下实现有效离轨的脉冲策略。 本书结构严谨，理论推导详实，并配有大量的工程实例和数值模拟代码思路，是航天领域专业人士和研究生的重要参考资料。 ---

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如果说大学物理是探索宇宙的宏大叙事，那么这本《大学物理实验》就是教我们如何用放大镜仔细观察其中一个微小却真实的片段。我之前总觉得，实验课就是按部就班地把老师要求的东西做出来，没什么创造性可言。直到我读到关于“不确定度传递”的章节时，才恍然大悟。这本书没有将不确定度计算视为一个枯燥的公式套用，而是通过一个涉及多个变量的复合测量实验（比如测量液体密度），生动地展示了微小误差是如何像滚雪球一样累积，最终影响到最终结果的可靠性。它鼓励我们思考：哪些测量环节的精度对最终结果影响最大？我们应该优先去改进哪个环节的测量工具？这种批判性的思维训练，远比记住几个公式重要得多。它培养了一种“怀疑精神”——不是对物理定律的怀疑，而是对自己测量过程的审视。阅读这本书的过程，就是不断地自我反思和精进测量技巧的过程，让人真正体会到科学研究的严谨与挑战并存的美妙。

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这本《大学物理实验》简直是理论知识与实践操作之间那道深不见底的鸿沟上架起的一座坚实桥梁。我记得我刚接触这门课程的时候，脑子里充满了各种复杂的公式和抽象的概念，总觉得那些定律好像只存在于书本的油墨里，与我手头的仪器格格不入。直到我开始翻阅这本书，情况才有了质的改变。它没有那种高高在上的学术腔调，而是用极其平实且富含逻辑的语言，一步步引导你如何将那些冷冰冰的数字和符号，转化为手中可触摸、可测量的物理现象。特别是它对于实验器材的介绍部分，详尽到让人安心，即便是初次接触示波器或者精密天平的新手，也能快速上手，避免了摸索阶段的挫败感。更让我印象深刻的是，它对误差分析的讲解极其透彻，不再是简单地告诉你“要减小误差”，而是深入剖析了系统误差和随机误差的来源及处理方法，这对于培养严谨的科学态度至关重要。读完某个实验的步骤，我仿佛能真切地感受到实验设计者的良苦用心，他们似乎预料到了我们可能会在哪一步犯错，并提前设置好了“路标”。这本书真正做到了“授人以渔”，它教给我的不仅仅是完成实验的步骤，更是一种观察世界、验证真理的方法论。

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这本书给我的最深刻的感受是它的“可操作性魔咒”。很多物理实验书的排版和语言，读起来就像是给已经熟练掌握操作的研究生准备的，充满了缩写和隐含的假设。然而，《大学物理实验》则像是一个耐心十足的学长，手把手地带着新生摸索。我特别留意了关于数据处理和图表绘制的部分——这往往是学生最容易失分的地方。这本书并没有简单地推荐某个软件模板，而是详细阐述了如何利用最小二乘法拟合直线，以及在拟合过程中如何评估拟合优度（$R^2$值），甚至还给出了不同数据点权重分配的直观解释。这种对细节的关注，体现了编者对学生真实学习困境的深刻理解。我曾尝试用它指导下的方法重做了一个之前完全失败的洛伦兹力实验，结果不仅数据点漂亮地落在了一条直线上，而且连不确定度的计算也变得井井有条，最终的实验报告质量得到了老师的高度认可。这本书的价值，已经超越了一本实验手册，它更像是一部关于如何进行可靠科学测量的“操作圣经”。

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老实说，我对很多教材都有“为凑字数而写”的印象，但翻开《大学物理实验》后，我发现这里的每一页都充满了“干货”，内容密度极高，但阅读体验却出奇地流畅，这实在难得。我尤其欣赏它在每个实验项目前设置的“背景理论回顾”部分。这部分内容并非简单地复制粘贴课本上的定义，而是高度浓缩了与本次实验最直接相关的物理原理，确保你在动手之前，头脑里对“为什么这么做”有一个清晰的脉络。举个例子，讲解如何测量介电常数时，它没有冗长地铺陈麦克斯韦方程组，而是精准地抓住了平行板电容器的电容公式，然后巧妙地与测量结果联系起来，逻辑链条衔接得天衣无缝。这种高效的学习组织方式，极大地节省了我们这些时间紧张的理工科学生的时间。而且，书中的图示和流程图设计得非常精美且专业，那些电路图和仪器布局图清晰到几乎不需要文字解释，就能让人明白装置的搭建方式。它成功地在“学术严谨性”和“操作指导性”之间找到了一个完美的平衡点，让实验课从一个令人畏惧的“任务”变成了一场可以掌控的“探索”。

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坦白讲，这本书的装帧和纸张质量可能不是市面上最豪华的，但其内容的编排和逻辑结构，绝对是顶尖水准。它最大的成功之处在于，它成功地将实验教学的目标从“完成任务”提升到了“理解物理本质”的高度。我尤其欣赏其对不同测量方法的对比分析。例如，在介绍交流电的电感测量时，它并没有局限于某一种经典方法，而是并列展示了利用共振曲线和相移测量两种不同路径的优缺点，甚至给出了每种方法在特定误差来源下的适用性区间。这种多角度的审视，极大地拓宽了我的物理视野。它教会我，解决一个物理问题往往不是只有一条“标准答案”的路径，而是存在多套有效的工具箱。对于一个即将步入科研或工程领域的学生来说，拥有这样的思维框架至关重要。这本书不是用来“读完”就束之高阁的工具书，而是应该常备在实验桌旁边，随时翻阅并对照的实践指南和理论深化器，它的实用价值和学术深度是毋庸置疑的。

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