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理论力学
第3次开课
开课时间: 2020年09月24日 ~ 2021年02月05日
学时安排: 4小时/周
当前开课已结束 已有 2129 人参加
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课程详情
课程评价(117)
spContent=理论力学知识与我们的生活工作息息相关。我们MOOC课程强调理论学习与解决实际问题并重。在深入地剖析各力学原理的基础上,将生活和工程中常见的力学问题分类,针对各类问题提出了有规律性、可操作的具体分析步骤和解决方法。本课程不仅适合社会求知群体,也适合大学本科学习,同时也服务于考研的学生。 本课程支撑的本科生毕业要求指标点: 1. 能针对具体的对象建立数学模型并求解(80%) 2. 能基于相关科学原理和数学模型方法正确表达复杂工程问题(20%)
理论力学知识与我们的生活工作息息相关。我们MOOC课程强调理论学习与解决实际问题并重。在深入地剖析各力学原理的基础上,将生活和工程中常见的力学问题分类,针对各类问题提出了有规律性、可操作的具体分析步骤和解决方法。本课程不仅适合社会求知群体,也适合大学本科学习,同时也服务于考研的学生。 本课程支撑的本科生毕业要求指标点: 1. 能针对具体的对象建立数学模型并求解(80%) 2. 能基于相关科学原理和数学模型方法正确表达复杂工程问题(20%)
—— 课程团队
课程概述

一:为什么要学习理论力学

理论力学是研究物体机械运动一般规律的科学。机械运动是指物体的空间位置随时间的变化,这是最常见、最普遍、最基本的运动形态。理论力学不仅可以直接用于生产实践以及研究自然规律,它还是很多后续课程的技术基础课 ,是各门力学分支的基础。

 

二:理论力学的主题

理论力学是研究物体机械运动一般规律的科学。主要包括三部分:静力学、运动学和动力学。静力学是研究物体在力系作用下的平衡规律的科学。主要研究物体受力分析的方法、力系简化的方法,以及受力物体平衡时作用力所应满足的条件。运动学是研究物体运动几何性质的科学。主要从几何角度研究物体的运动,如轨迹、速度和加速度。动力学研究物体的机械运动与作用力之间的关系。


三:学习理论力学的收获

1:理论力学是一门理论性较强的技术基础课。工程专业一般都要接触机械运动问题,学习理论力学是为解决工程问题打下一定的基础;

2:很多工程专业的课程,例如材料力学、机械原理、机械设计、结构力学、弹塑性力学、流体力学、飞行力学、振动理论、断裂力学以及许多专业课程等,都要以理论力学为基础,所以理论力学是学习一系列后续课程的重要基础;

3:随着现代科学技术的发展,力学的研究内容已渗透到其它学科领域,例如固体力学和流体力学的理论被用来研究人体内骨骼的强度,血液流动的规律,以及植物中营养的输送问题等,形成了生物力学;流体力学的理论被用来研究等离子体在磁场中的运动,形成电磁流体力学;还有爆炸力学、物理力学等都是力学和其它学科结合而形成的边缘科学。这些新兴学科的建立都必须以坚实的理论力学知识为基础。

4:理论力学的研究方法,与其它学科的研究方法有不少相同之处。因此充分理解理论力学的研究方法,不仅可以深入地掌握这门学科,而且有助于学习其他科学技术理论,有助于培养辩证唯物主义世界观,培养正确分析问题和解决问题的能力,为今后解决生产实际问题,从事科学研究工作打下基础。

 

四:华中科技大学理论力学课程的特色

1: 理论与工程实践问题的分析并重。团队秉承华中科技大学理论力学课程体系严谨的传统,深入剖析各力学原理的特点,将工程问题分类,针对各类问题提出了具有规律性、可操作的具体分析步骤。

2:以学生为核心。课程设计有利于学生建立对该课程的宏观把控能力和提高实际解决问题的能力。团队针对学生普遍反映的理论力学难学、尤其是在动力学部分难以动手解决实际工程问题的共性问题,进一步强调了动力系统自由度的概念,并基于此深入剖析了所学动力学分析方法间的内在联系和差异,给出了选择合适分析方法的简单判据,使分析刚体平面动力学问题变得简单,取得了不错的线下教学实践效果。

3:优秀的师资。华中科技大学理论力学团队承担着华中科技大学相关工科院系的中、英文理论力学课程的教学。有3名教授,6名副教授和4名讲师,这里面包括:有着丰富科研和教学经验的国家科技进步一等奖、宝钢优秀教师奖获得者何锃教授;湖北省自然科学三等奖、湖北省科技进步二等奖、宝钢优秀教师奖、华中科技大学教学名师奖获得者王元勋教授;讲课深受学生好评、淡泊名利、甘守三尺讲台的全国徐芝纶力学优秀教师奖获得者杨汉文老师;还有讲课激情四射、曾多次在全国和华中科技大学教学竞赛中荣获一等奖的刘军华副教授和魏俊红讲师等。我们团队所指导的学生在国际力学竞赛和国内周培源力学竞赛中获得了特等奖、一等奖和二等奖等一系列优异成绩。

授课目标

一 课程定位和课程目标:

      本课程以“课程为载体,立德树人,培养学生研究性思维方法和解决工程实际问题的能力” 为课程目标和理念,从课程思政、教学方法、教学资源等方面为学生提供尽可能好的教育。


 二 学完课程具备能力: 

(1) 养成与本课程一样严谨认真,刻苦务实和勇敢执着的思想作风 

(2) 通过学习矢量力学体系和分析力学体系,融会贯通地把本课程探索 自然界的哲学思想和方法,迁移到以后新的领域,提出创新性理论 

(3) 具备解决一些工程问题能力:例如:

      i. 在设计桁架时计算桁架中各杆件内力

     ii. 在设计搬运机构时分析运动中速度和加速度相互关系

    iii. 在设计发动机时分析力与加速度关系等

课程大纲
静力学1---力学基本公理;约束(力)和受力图
课时目标:了解理论力学的研究对象、工程中的应用及研究方法;掌握静力学公理和物体的受力分析
1:静力学1-力学的基本概念和公理
2:静力学2-平面约束和约束力
难点:铰约束的理解
3:静力学3-受力图和受力分析
难点:掌握研究对象的受力图
静力学2---平面基本力系和平面任意力系基本知识
课时目标:平面汇交力系和力偶系的合成与平衡条件、平衡问题的计算平面任意力系的合成与平衡条件、平衡问题的初级计算
1:静力学4-平面汇交力系
2:静力学5-平面力偶系
难点:力偶的理解
3:静力学6-平面任意力系的基本概念
4:静力学7-平面任意力系的平衡方程
难点:平衡方程的三种形式的理解
静力学3---平面任意力系平衡和计算
课时目标:平面任意力系平衡的静定系统计算、静定桁架结构计算扩充知识:方程独立性和复杂问题的平衡计算技巧
1:静力学8-平面任意力系平衡计算
2:静力学9-平面桁架结构计算(习题)
难点:桁架计算三个方法
1:静力学10-静力学复杂问题解答和习题课
难点:受力图准确性方程独立性和系统平衡计算
2:静力学11-静力学综合习题,测试课(习题)
难点:受力图准确性方程独立性和系统平衡计算
静力学4---摩擦
课时目标:摩擦的定义,分类,点摩擦,线摩擦临界平衡状态下、考虑摩擦的平衡计算--是超静定的问题
1:静力学12-摩擦的基本概念
2:静力学13-摩擦的计算1
1:静力学14-摩擦的计算2和几何自锁
2:静力学15-摩擦计算练习课
难点:三种接触情况的摩擦超静定计算注意规则和两处有摩擦的超静定计算
静力学5---空间力系平衡和计算
课时目标:矢量的概念;力对点之矩矢、力对轴之矩、力偶矩矢的概念和计算空间任意力系简化和平衡条件、平衡的计算方法
1:静力学16-空间力系的概念
2:静力学17-空间力学的简化与讨论
3:静力学18-空间力系的计算
难点:简化讨论;力对轴之矩在计算上应用
运动学1---点的运动学、刚体基本运动和点的速度合成定理
课时目标:描述点的运动方程、速度和加速度的常用的三个方法刚体的基本运动:平行移动和定轴转动点的合成运动的轨迹合成和速度合成,及工程应用
1:运动学1-点的运动学
2:运动学2-刚体的基本运动
难点:刚体平动理解到位
3:运动学3-点的合成运动1(轨迹)
4:运动学4-点的合成运动2(速度)
难点:相对运动与牵连点
运动学2---点的加速度合成定理和刚体平面运动基本知识和速度基点法
课时目标:点的合成运动的加速度合成,综合工程练习刚体平面运动的基本知识(角量合成,啮合等)、求解速度的三个方法(基点法,速度投影定理和速度瞬心法)
1:运动学5-点的合成运动3(加速度)
难点:通过习题多理解到位,运动量的传递规律
2:运动学6-刚体平面运动1(两个小知识)
3:运动学7-刚体平面运动2(概念)
4:运动学8-刚体平面运动3(速度)
难点:关键理解刚体的角量和同一个刚体上运动量关系
运动学3---刚体平面运动的加速度基点法和运动学总结练习
课时目标:刚体平面运动的加速度的求解方法(基点法,加速度投影定理和加速度瞬心法)运动学的综合练习运动学的关键公式的严谨数学推导
1:运动学9-刚体平面运4(加速度)
难点:动系的改变,对公式内容的影响
2:运动学10-运动学习题课(习题)
--(综合点的合成运动和刚体平面运动)
难点:运动量在不同刚体间传递,在同一刚体传递
动力学1---三个小专题、动量动量矩和动能
课时目标:系统的自由度(数),中心、重心、质心和形心,转动惯量质点系的动量、动量矩和动能的概念和计算公式
1:动力学1,2,3-动力学三个小专题
--(系统自由度,中心,转动惯性量)
难点:动力学的基本准备,特别是自由度的理解
2:动力学3-动量和动量矩
3:动力学4-动能和功
注意:基本概念的总结和归纳
动力学2---动力学普遍定理和刚体平面运动微分方程
课时目标:质点系的动量定理、动量矩定理和动能定理的内容和初步工程应用刚体平面运动微分方程内容和工程应用
1:动力学5-三大定理内容
--(动量定理,动量矩定理,动能定理)
2:动力学6-三大定理守恒
难点:质点系三大定理内容在大物中学过,这里要完善和归纳
3:动力学7-刚体平面运动微分方程
--(自由度为1和2的机构练习)
难点:工程中的平面运动微分方程常用
动力学3---功率方程和普遍定理的综合应用
课时目标:动能定理的微分形式(功率方程)的应用特点动力学普遍方程的综合应用
1:动力学8-功率方程内容
2:动力学9-一个自由度机构的功率方程
难点:功率方程求1个自由度机构的加速度
3:动力学10-三大定理综合应用(习题)
---(求速度过程量)
难点:求速度/位移等,需要用三大定理的积分形式
动力学4---达朗贝尔原理
课时目标:达朗贝尔原理的概念、内容和应用特点
1:动力学11-达朗贝尔原理1
--(惯性力的概念,惯性力系简化)
2:动力学12-达朗贝尔原理2
---(原理的内容和简单计算)
注意:动静法内容虽然简单,但是简化结果要记牢,计算要仔细
3:动力学13-达朗贝尔原理2(习题)
难点:基于自由度的动力学分析方法总结
动力学5---虚位移原理
课时目标:分析力学之虚位移原理自由度、虚位移、虚功等概念虚位移原理解决工程静力学问题
1:动力学14-虚位移原理1-(约束)
2:动力学15-虚位移原理2
--(虚位移,虚功,理想机构,广义力)
难点:虚位移原理中的概念比较抽象,学生学习比较困难,需要更耐心
3:动力学16-虚位移原理3-(原理及证明)
4:动力学17-虚位移原理4-分析静力学
--(自由度分别为1、0、2的机构应用)
(习题)
注意:虚位移原理在静力学应用要详细讲解
动力学6---动力学普遍方程和第二类拉格朗日方程
课时目标:分析力学:虚位移原理解决动力学问题第二类拉格朗日方程
1:动力学18-动力学普遍方程
难点:惯性力系的施加和普遍方程应用先后顺序
2:动力学19- Lagrange第二类方程
注意:由于课时有限,第一类Lagrange方程等都无法讲
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预备知识

高等数学;线性代数;大学物理等

证书要求

本课程结课成绩的满分为100分。成绩考核方式:平时考核+期末考核相结合。

平时考核占60%,每周单元测试题;

期末考核占40%,考核形式是主观或客观考试题一套。

综合成绩在60-79分之间的学员,可申请合格证书;综合成绩80-100分的学员,可申请优秀证书。

 注意:不提供免费合格证和优秀证证书。


参考资料

参考资料:

【1】华中科技大学理论力学教研室编写。理论力学(第2版)。武汉:华中科技大学出版社,2018.

【2】哈尔滨工业大学理论力学教研室编.理论力学(第8版).北京:高等教育出版社,2016.

【3】朱照宣,周起钊,殷金生编.理论力学:上、下册.北京:北京大学出版社,1982。

【4】 华中理工大学理论力学教研室编.理论力学练习册.北京:高等教育出版社,1996.

【5】王光远编著.应用分析动力学.北京:高等教育出版社,1981

【6】郑权旌编.工程静力学、工程运动学、工程动力学(共三册).武汉:华中理工大学出版社,1988

【7】 贾书慧.理论力学教程.北京:清华大学出版社,2004

【8】 范钦珊,刘燕,王琪.理论力学.北京:清华大学出版社,2004

【9】Hibbeler R C. Engineering Mechanics: Statics, Dynamics. Tenth Edition, 影印版。北京:高等教育出版社,2004

 【10】高云峰,蒋持平,吴鹤华,殷金生.力学小问题及全国大学生力学竞赛试题.北京:清华大学出版社,2003

课外文献阅读:

【1】 了解经典力学的分支及其研究范畴:https://baike.baidu.com/subview/78124/14526843.htm#sub78124

【2】 了解理论力学(基本定义), 发展简史, 涵盖内容, 基本概念和方法。朱照宣.《中国大百科全书》74卷(第二版) 物理学 词条:理论力学:中国大百科全书出版社,2009-07:305页

【3】了解静力学 主要内容, 发展简史, 学科分类 :https://baike.baidu.com/subview/78124/14526843.htm#sub78124。朱照宣.《中国大百科全书》74卷(第二版) 物理学 词条:静力学:中国大百科全书出版社,2009-07:277页

【4】了解运动学 概念, 研究课题,发展历史和 分类:https://baike.baidu.com/view/35055.htm#sub35055。朱照宣.《中国大百科全书》74卷(第二版)词条:运动学:中国大百科全书出版社,2009-07:520页

【5】了解动力学 概念, 研究课题,发展历史和 分类; https://baike.baidu.com/view/35067.htm#sub35067。  词条作者:朱照宣.《中国大百科全书》74卷(第二版) 物理学 词条:动力学:中国大百科全书出版社,2009-07:111页

【6】了解动力学 概念,2 简史,3 内容, 应用:https://baike.baidu.com/view/35067.htm#9999

【7】达朗贝尔::人物生平 主要贡献 研究经历 人物评价 人物著作:https://baike.baidu.com/view/6996251.htm?fromtitle=%E8%BE%BE%E6%9C%97%E8%B4%9D%E5%B0%94&fromid=369404&type=syn。朱照宣,《中国大百科全书》74卷(第一版)力学 词条:达朗伯,J.le R.:中国大百科全书出版社 ,1985 :79

【8】拉格朗日:人物生平 主要贡献 研究经历 人物评价 人物著作:https://baike.baidu.com/view/178430.htm?fromtitle=%E6%8B%89%E6%A0%BC%E6%9C%97%E6%97%A5&fromid=383115&type=search。朱照宣,《中国大百科全书》74卷(第一版)力学 词条:拉格朗日,J.-L.:中国大百科全书出版社,1985 :281页

【9】 《大众力学》

【10】武际可《力学的发展史》

【11】《力学进展》期刊

【12】《力学实践》期刊


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