SPOC学校专有课程

理论力学

第1次开课

开课时间： 2020年02月17日 ~ 2020年06月30日

学时安排： 4-6学时每周

当前开课已结束已有 127 人参加

老师已关闭该学期，无法查看

spContent=本SPOC课程同步《理论力学》MOOC课程，对应国防科技大学教学培养方案中的《理论力学B》课程，包括72学时理论课和8学时实验课。

本SPOC课程同步《理论力学》MOOC课程，对应国防科技大学教学培养方案中的《理论力学B》课程，包括72学时理论课和8学时实验课。

—— 课程团队

课程概述

理论力学是航空航天、机械工程、土木工程、工程力学等工科专业的重要技术基础课程，是后续材料力学、结构力学、飞行力学、多体动力学、机械振动、流体力学等一系列课程的理论基础。

理论力学是研究物体机械运动一般规律的科学。其研究对象为质点和质点系，并着重引入了刚体模型；其理论基础为经典力学，即限定于宏观、低速、确定性系统。相对大学物理中的力学部分，理论力学更多地强调约束和物体系统，研究案例大量来源于工程实际问题，求解方法更加讲究规范性和对更复杂问题的拓展性。理论力学中引入了大量的概念、原理和方法，为解决各种问题提供了多种途径。

通过本课程学习，可以培养学生几个方面的能力：1）概念能力，掌握力学基本术语，如约束、刚体、分布力、内力、惯性系等等；2）抽象能力，能够由具体问题抽象建立相应的静力学、运动学和动力学模型；3）定性分析能力，能够对模型的力学特性进行快速定性分析，如静定性判断、补充方程选取、对称性分析等等；4）定量分析能力，能够应用理论力学原理定量求解给定动、静力学问题中的载荷或运动参数。

理论力学B为长学时进度，内容主要依据教育部高等学校力学教学指导委员会《理论力学课程教学基本要求（A类）》，包括静力学、运动学、动力学等基础内容和刚体定点转动、碰撞、机械振动、非惯性系、拉格朗朗日方程、哈密顿原理等专题。

成绩要求

本课程成绩评定包括期末成绩和平时成绩两部分

期末成绩占比60%，平时成绩占比40%

期末成绩由期末测试给出，期末测试由客观题构成，包括判断和单选题两类题型，题型与单元测试和课程练习一致。

平时成绩包括三部分，单元作业、单元测试和活跃度。

单元作业以周为单位推进，大家需要按时完成作业，并按时完成互评。

单元测试采用自动评分，有三次答题机会，以最高分为准，测试要求在期末考试之前完成。

活跃度满分为课堂讨论中回复20条以上。

课程大纲

英文名称：Theoretical Mechanics B

预修课程：高等数学、线性代数

学时安排： 80学时，其中讲授72学时，实践8学时。

学分：5

课程性质：专业必修课

开课学期：第二学年秋

一、课程性质地位

二、课程目标

通过本课程的教学及实践，学员应具备的知识与能力目标如下。

（一）课程知识目标

本课程的知识目标主要包括以下主要的知识单元，即受力分析与力系简化、力系平衡理论及其应用、质点和刚体的运动学理论、刚体定点转动和一般运动、点的复合运动、质点动力学、动力学普遍定理、刚体动力学、动静法、虚位移原理、拉格朗日方程、哈密顿理论，学员应熟悉、了解或掌握不同知识单元的具体内容，达成课程标准的相应要求。

具体知识目标的分解如下面表1所示。

（二）课程能力目标

本课程要发展的能力目标对应在培养方案中对应的能力目标：

1）一级能力目标：1具备并能应用与本专业相关的技术知识与推理能力，二级能力目标：1.4掌握并能运用自然科学基本原理知识（包括数学、物理等）、1.5具备飞行器设计与工程的专业基础知识、1.6具备试验评估技术（风洞）的专业知识、1.7初步具备试验评估技术（风洞）应用领域的综合知识与技能，三级能力目标：1.4.1应用数学基础理论知识解决试验评估技术（风洞）工程问题、1.4.2应用物理知识理解认识试验评估技术（风洞）问题、1.5.1信息与控制等八个方面。

2）一级能力目标：2个人能力、军人职业能力和态度，二级能力目标为：2.1分析、推理和解决问题、2.2实验中探寻知识、2.3系统思维，而三级能力目标则区分为发现问题和表述问题、建立模型、判断和定性分析、带不确定性因素分析等十二个方面。

三、教学方法

通过课堂教学，组织讨论，案例讲解，课后作业，作业讲解与讨论，课内实践一系列的环节使学员达到预期学习目标，具体包括理论讲授，互动研讨，问题讲解，答疑解惑等环节。

本课程推荐主讲教员采用问题导向学习（Problem-based learning）教学方法，通过提出现实问题、启发分析思路、引导构建模型、讨论求解算法、反思问题求解成果等手段方法将学员完成问题发现、问题分析、问题求解、问题质疑的闭环过程，加强学员对问题的理解与应用。

教学中可以适当利用MOOC平台提供的教学资源，部分课时采用翻转课堂（Flipping the Classroom）教学方法，学生通过网络自主学习相关内容，老师在课堂上主要进行问题辅导，通过设问、研讨、项目分析，把握学生的学习效果。

四、课程学习目标和学习实现环节

本课程的知识学习目标与相应实现环节采用表格方式进行描述，如下表1所示。

表1 知识目标与实现环节

序号	知识目标（知识单元）	知识子目标（知识点）	初始程度	要求程度	学习目标	学习实现环节
1.	绪论	理论力学的性质、任务、内容和学习方法	-	L2	了解	课堂讲解
2.	受力分析与力系简化	静力学公理	L1	L5	熟练掌握，能够用于理论推证和解决实际问题	概念剖析、应用示例
		力、力矩和力偶	L2	L5	熟练掌握，能够用于理论推证和解决实际问题	概念剖析、应用示例
		约束和约束反力	L2	L5	熟练掌握，能够用于解决实际问题	概念剖析、应用示例
		受力分析及受力图	L2	L5	熟练掌握，能够用于解决实际问题	应用示例、习题研讨、实验
		力线平移定理和力系简化	-	L5	熟练掌握，能够用于理论推证和解决实际问题	概念剖析、应用示例、习题研讨
		平行力系中心和重心	L2	L5	熟练掌握，能够用于理论推证和解决实际问题	概念剖析、应用示例、习题研讨
3.	力系平衡理论及其应用	力系的平衡条件和平衡方程	L1	L5	熟练掌握，能够用于理论推证和解决实际问题	概念剖析、应用示例
		平衡方程的应用	L1	L5	熟练掌握，能够用于解决实际问题	概念剖析、应用示例、习题研讨
		考虑摩擦的平衡问题	L1	L3	了解掌握，能够用于分析和解决实际问题	概念剖析、应用示例、习题研讨
		平面桁架	-	L3	了解掌握，能够用于分析和解决实际问题	概念剖析、应用示例、习题研讨
		空间桁架	-	L2	了解，能够用于问题分析	概念剖析
4.	质点和刚体的运动学理论	描述点运动的空间自然坐标法、柱坐标法和球坐标法	L2	L5	熟练掌握，能够用于理论推证和解决实际问题	概念剖析、应用示例
		刚体的平动和定轴转动	L3	L5	熟练掌握，能够用于理论推证和解决实际问题	概念剖析、应用示例、习题研讨
		刚体平面运动的描述和运动分解	-	L3	了解掌握，能够用于理论推证和问题分析	概念剖析、应用示例
		平面图形内各点的速度分析	-	L5	熟练掌握，能够用于理论推证和解决实际问题	概念剖析、应用示例、习题研讨
		平面图形内各点的加速度分析	-	L5	熟练掌握，能够用于理论推证和解决实际问题	概念剖析、应用示例、习题研讨
5.	刚体定点转动和一般运动	刚体定点转动的描述方法	-	L3	了解掌握，能够用于理论推证和问题分析	概念剖析、图形演示
		欧拉位移定理	-	L3	了解掌握，能够用于理论推证和问题分析	概念剖析、应用示例
		欧拉运动学方程	-	L2	了解，能够用于问题分析	概念剖析
		定点转动刚体内任一点的速度和加速度	-	L2	了解，能够用于问题分析	概念剖析、习题研讨
		刚体一般运动	-	L1	了解，能够用于问题分析	概念剖析
6.	点的复合运动	点的三种运动	L1	L5	熟练掌握，能够用于理论推证和解决实际问题	概念剖析、图形演示
		变矢量的绝对导数、相对导数和牵连导数	-	L3	熟练掌握，能够用于理论推证和解决实际问题	概念剖析、应用示例
		速度合成定理	-	L5	熟练掌握，能够用于理论推证和解决实际问题	概念剖析、应用示例、习题研讨
		加速度合成定理	-	L5	熟练掌握，能够用于理论推证和解决实际问题	概念剖析、应用示例、习题研讨
7.	质点动力学	相对于惯性系的质点动力学基本方程	L3	L5	熟练掌握，能够用于理论推证和解决实际问题	概念剖析、应用示例、习题研讨
		单自由度质点机械振动	L1	L4	了解掌握，能够用于理论推证和解决实际问题	概念剖析、应用示例、习题研讨、实验
		相对于非惯性系的质点动力学基本方程和基本定理	L1	L4	了解掌握，能够用于理论推证和问题分析	概念剖析、应用示例、习题研讨
		地球自转对质点运动的影响	L1	L3	了解掌握，能够用于理论推证和问题分析	概念剖析、应用示例、习题研讨
8.	动力学普遍定理	动量定理、质心运动定理、动量守恒	L3	L5	熟练掌握，能够用于理论推证和解决实际问题	概念剖析、应用示例、习题研讨
		变质量质点动力学基本方程	L1	L3	了解掌握，能够用于理论推证和问题分析	概念剖析、应用示例、习题研讨
		动量矩定理、动量矩守恒	L1	L5	熟练掌握，能够用于理论推证和解决实际问题	概念剖析、应用示例、习题研讨
		动能定理	L3	L5	熟练掌握，能够用于理论推证和解决实际问题	应用示例、习题研讨、习题研讨
		机械能守恒定律	L3	L5	熟练掌握，能够用于理论推证和解决实际问题	概念剖析、应用示例、习题研讨
9.	刚体动力学	惯量张量、惯量主轴、惯量张量的变换	L1	L3	了解掌握，能够用于理论推证和问题分析	概念剖析、应用示例、习题研讨、实验
		平面运动刚体的动力学方程	L1	L5	熟练掌握，能够用于理论推证和解决实际问题	概念剖析、应用示例、习题研讨
		定点转动刚体的欧拉动力学方程	-	L2	了解，能够用于问题分析	概念剖析
		陀螺近似理论	-	L3	了解掌握，能够用于理论推证和问题分析	概念剖析、应用示例、习题研讨
		刚体一般运动动力学方程	-	L1	了解，能够用于问题分析	概念剖析
		碰撞问题	-	L3	了解掌握，能够用于理论推证和问题分析	概念剖析、应用示例、习题研讨
10.	动静法	质点和质点系的达朗贝尔原理	-	L5	熟练掌握，能够用于理论推证和解决实际问题	概念剖析、应用示例、习题研讨
		刚体惯性力系的简化	-	L4	对空间问题了解，对平面问题熟练掌握，能够用于理论推证和问题分析	概念剖析、应用示例、习题研讨
		在刚体动力学中的应用	-	L4	对空间问题了解，对平面问题熟练掌握，能够用于解决实际问题	概念剖析、应用示例、习题研讨
11.	虚位移原理	约束、虚位移和虚功基本概念	-	L3	了解掌握，能够用于理论推证和问题分析	概念剖析
		虚位移原理及其应用	-	L5	熟练掌握，能够用于理论推证和解决实际问题	概念剖析、应用示例、习题研讨
		自由度、广义坐标、广义力基本概念	-	L3	了解掌握，能够用于理论推证和问题分析	概念剖析
		动力学普遍方程	-	L3	了解掌握，能够用于理论推证和解决实际问题	概念剖析、应用示例、习题研讨
12.	拉格朗日方程	第二类拉格朗日方程及其应用	-	L5	熟练掌握，能够用于理论推证和解决实际问题	概念剖析、应用示例、习题研讨
		循环积分和能量积分	-	L5	熟练掌握，能够用于理论推证和解决实际问题	概念剖析、应用示例、习题研讨
		第一类拉格朗日方程及其应用	-	L2	了解，能够用于问题分析	概念剖析
		罗斯方程	-	L2	了解，能够用于问题分析	概念剖析
13.	哈密顿理论	正则方程及正则变换	-	L3	了解掌握，能够用于理论推证和问题分析	概念剖析
		正则方程的积分理论	-	L3	了解掌握，能够用于理论推证和问题分析	概念剖析
		正则方程与航天器最优控制问题简介	-	L3	了解掌握，能够用于理论推证和问题分析	概念剖析
		哈密顿原理	-	L3	了解掌握，能够用于理论推证和解决实际问题	概念剖析、应用示例、习题研讨
		基于哈密顿原理的杆的振动方程	-	L3	了解掌握，能够用于理论推证和解决实际问题	概念剖析、应用示例、习题研讨
14.	实验一	理论力学创新应用	L1	L3	了解掌握，能够用于实际问题分析	实验演示
14.	实验一	三线摆法测量转动惯量	-	L3	了解掌握，能够动手操作并用于解决实际问题	概念剖析、概念剖析、实验验证
15.	实验二	用“李萨如图形法”测量简谐振动的频率	-	L3	了解掌握，能够动手操作并用于解决实际问题	概念剖析、概念剖析、实验验证
15.	实验二	单自由度系统强迫振动的幅频特性、固有频率和阻尼的测量	-	L3	了解掌握，能够动手操作并用于解决实际问题	概念剖析、概念剖析、实验验证
16.	实验三	基于序列图像测量的质点与刚体运动学虚拟仿真实验	-	L3	了解掌握，能够动手操作并用于解决实际问题	概念剖析、概念剖析、实验验证
17.	实验四	太空四刚体运动控制数值仿真实验	-	L3	了解掌握，能够动手操作并用于解决实际问题	概念剖析、概念剖析、实验验证

五、课程学习内容与时间节点

按照章节和模块说明本课程的内容要点及课内学时数，其中章节为顺序编号，不一定与所用教材一致。如下表3所示。

表3 学习内容与时间安排

章节	内容	课内学时数
绪论	绪论	1
第一章	受力分析与力系简化	4
第二章	力系平衡理论及其应用	6
第三章	质点和刚体的运动学理论	4
第四章	刚体定点转动和一般运动	7
第五章	点的复合运动	5
第六章	质点动力学	5
第七章	动力学普遍定理	8
第八章	刚体动力学	10
第九章	动静法	4
第十章	虚位移原理	6
第十一章	拉格朗日方程	6
第十二章	哈密顿理论	6
实验	内容	课内学时数
实验一	理论力学创新应用与转动惯量测定	2
实验二	振动系统参数测定	2
实验三	基于序列图像测量的质点与刚体运动学虚拟仿真实验	2
实验四	太空四刚体运动控制数值仿真实验	2
合计		80

六、课程综合计分方法

（一）考核结构设计与各教学环节比例分配

考核方式：考试与考查相结合

组织方式：笔试/现场测试，笔试部分采用闭卷形式

成绩评定：百分制

记分标准：课程考试占70％，综合作业（含平时表现、MOOC成绩和实验成绩）占30％

（二）评分标准

1、作业

采用百分制进行评分，最后综合评分进行相应比例折算。评分标准如下表4所示。

表4 平时作业评分标准

完成情况	得分
严格按照作业要求并及时完成，基本概念清晰，解决问题的方案正确、合理，能提出不同的解决问题方案	80-100分
基本按照作业要求并及时完成，基本概念基本清晰，解决问题的方案基本正确、基本合理	60-79 分
不能按照作业要求，未及时完成，基本概念不清晰，解决问题的方案基本不正确、不合理	40-59 分
不能按照作业要求，未及时完成，基本概念不清晰，不能制定正确和合理解决问题的方案	0-39 分

2、MOOC

配合选修中国大学MOOC/理论力学（国防科技大学），按照MOOC评分标准，由网站直接提供成绩单。

3、实验

采用百分制进行评分，最后综合评分进行相应比例折算。评分标准如下表5所示。

表5实验评分标准

评分标准	0很差	1较差	2良好	3优秀	4突出
能否按照实验内容、要求形成实验方案？[15分]
能否按照实验方案安排时间节点、合理安排团队成员有效工作？ [5分]
能否有效的进行实验准备，独立操作，在实验进行过程中发现问题、解决问题、讨论问题？[20分]
能否掌握实验所需理论知识，并正确运用，并根据问题特征提出恰当的见解？[20分]
能否熟练操作实验所需软件，巩固相关理论，掌握正确的实验方法？提出不同的见解？ [30分]
能够根据实验初步结果，提出完善意见，并不断持续改进？[10分]

4、三级项目：无

5、实习：无

6、期末考试：随考试试卷制定评分标准。

7、其它：如考勤、课堂互动表现等。

七、教材及推荐参考书

（一）教材

（１）《理论力学教程》，孙世贤、黄圳圭、唐乾刚等，国防科技大学出版社，2009.08第2版，2014.07第3次印刷。

（二）推荐参考书

（1）《理论力学》（Ⅰ、Ⅱ），第6版，哈尔滨工业大学理论力学教研室，高等教育出版社，2002.08第6版，2004.05第4次印刷。

（2）《理论力学教程》，第2版，周衍柏，高等教育出版社，1986.03第2版，2006.12第30次印刷。

（3）《工程矢量力学》（静力学、动力学），第1版，李俊峰等，机械工业出版社，2003.06第1版，2003.06第1次印刷。

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源课程

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理论力学

国防科技大学

该SPOC课程部分内容来自以上源课程，在源基础上老师进一步增加了新的课程内容

1 位授课老师

李海阳

教授

大学

升学/择业

终身学习