Free Body Diagram & Basic Mechanics（自由體圖概念與力學基礎） pdf epub mobi txt 电子书 下载 2025

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圖書標籤:

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• 物理學
• 受力分析
• 靜力學
• 動力學
• 圖解法
• 初學者

本書是基礎力學的簡介，其中重點介紹自由體圖的概念。此概念是學習力學的第一個最重要的抽像概念。本書的特點是引導讀者經過簡單的例題計算來呈現此概念，而不是直接描述。有瞭這概念的基礎理解後，我們將細緻化自由體圖的概念，更整理為一套可操作的法則，以按此法則用作更復雜的力學解題。本書可作為雙語學習的參考教材。

探索未知的領域：一本關於量子信息與復雜係統的前沿著作 本書深入探討瞭當代物理學與計算機科學交叉領域的前沿課題——量子信息與復雜係統。它旨在為具有一定物理學或數學背景的讀者提供一個全麵而深入的視角，理解這兩個領域如何相互作用，並催生齣革命性的新技術和理論框架。 本書的結構精心設計，從基礎概念的鋪陳開始，逐步引導讀者進入復雜且迷人的前沿研究領域。我們避開瞭傳統力學或經典熱力學中的基礎內容，而是將焦點完全集中於描述和分析那些在宏觀尺度下展現齣集體行為，而在微觀層麵則由量子效應主導的係統。 第一部分：量子基礎的深化與重構 本部分將量子力學的基本原理提升到一個更抽象和應用導嚮的層麵，不再關注薛定諤方程的常規求解技巧，而是側重於描述量子係統的狀態空間、演化規律以及信息度量。 第一章：希爾伯特空間與量子態的幾何錶述 本章超越瞭簡單的波函數概念，引入瞭高維復嚮量空間（希爾伯特空間）作為描述物理實在的本質框架。我們將詳細討論狄拉剋符號（Bra-Ket Notation）的完備性及其在描述多粒子係統中的優勢。重點在於理解量子態的幾何意義，例如，在二維空間中，單量子比特的狀態如何映射到布洛赫球（Bloch Sphere）上，以及如何用鏇轉操作來錶徵時間演化。此外，我們將探索密度矩陣（Density Matrix）在處理開放量子係統和混閤態時的必要性，並討論其在描述係統糾纏度方麵的核心作用。 第二章：量子信息論的度量標準 本章將信息科學的嚴謹性引入到量子領域。我們不再討論經典信息熵（如香農熵），而是聚焦於量子信息的核心度量：馮·諾依曼熵（Von Neumann Entropy）及其在量化糾纏和係統混閤程度方麵的應用。我們將深入剖析互信息（Mutual Information）在量子係統中的推廣形式，並介紹量子圖靈測試的概念，探討信息如何在量子通道中傳輸、存儲和損耗。對糾錯碼的討論將聚焦於量子糾錯碼（Quantum Error Correcting Codes）的結構，特彆是錶麵碼（Surface Codes）如何利用拓撲保護來抵抗退相乾。 第三章：量子計算模型的抽象結構 本章著眼於通用量子計算模型的理論基礎。圖靈機和隨機訪問機的概念被替換為量子電路模型（Quantum Circuit Model）和絕熱量子計算模型（Adiabatic Quantum Computation）。我們將詳細分析可逆計算（Reversibility）在量子計算中的重要性，並探討量子邏輯門（如Hadamard, CNOT, Toffoli門）的矩陣錶示及其在構建復雜算法中的作用。對量子算法（如Shor算法和Grover算法）的討論將側重於其對復雜度理論的顛覆性影響，而非具體的計算步驟。 第二部分：復雜係統的拓撲與動力學分析 第二部分將視角從純粹的量子信息轉嚮其在描述具有高度非綫性相互作用的宏觀係統中的應用，特彆是那些錶現齣湧現行為（Emergent Phenomena）的係統。 第四章：網絡科學中的量子視角 本章將網絡理論與量子力學相結閤。我們不再僅僅使用圖論中的節點和邊，而是引入量子圖（Quantum Graphs）的概念，其中連接可以是概率性的或具有疊加態的。重點分析網絡中的信息傳播動力學，例如，在復雜社交網絡或生物分子網絡中，信息流如何受到局部量子漲落的影響。我們還將介紹隨機矩陣理論在分析大規模復雜網絡特徵值分布中的應用，特彆是Wigner半圓律在描述耦閤振子網絡中的推廣。 第五章：非平衡態統計力學與耗散係統 本書避開瞭平衡態熱力學的經典框架，轉而探討遠離平衡態的係統行為。本章將重點介紹耗散動力學（Dissipative Dynamics）和主方程（Master Equation）的應用，這些是理解開放量子係統如何與環境相互作用的關鍵工具。我們將分析漲落和耗散之間的關係，特彆是利用弗盧剋薩圖（Fluctuation Theorems）來量化在非平衡過程中能量和信息是如何交換的，例如Jarzynski等式和Crooks關係，這些為理解生命活動等耗散過程提供瞭新的理論基礎。 第六章：拓撲序與新物質相的分類 本章是本書最具挑戰性也最前沿的部分之一，它探討瞭超越傳統朗道相變理論的物質分類方法。我們將深入分析拓撲序（Topological Order）的概念，它不依賴於局域對稱性的破缺。重點討論分數霍爾效應（Fractional Quantum Hall Effect）的理論描述，以及如何利用體-邊對應（Bulk-Edge Correspondence）來理解拓撲絕緣體和拓撲超導體中的邊界態。對Anyons（任意子）的討論將超越費米子和玻色子，著重於非阿貝爾任意子（Non-Abelian Anyons）在拓撲量子計算中的潛在應用，即如何通過編織它們的路徑來實現魯棒的量子門操作。 第三部分：交叉領域的統一性與未來展望 最後一部分將前述的理論工具應用於特定的交叉問題，並展望未來研究的方嚮。 第七章：量子引力與信息悖論的再審視 本章將探討信息理論如何影響我們對引力本質的理解。我們將重點分析黑洞信息悖論（Black Hole Information Paradox）在信息論框架下的新見解，特彆是張量網絡（Tensor Networks）如何被用於模擬黑洞內部的幾何結構（如ER=EPR猜想的幾何解釋）。我們將討論AdS/CFT對偶（反德西特空間/共形場論對偶）作為一種信息映射的觀點，而非僅僅是物理等效，以及它如何幫助我們理解引力理論中的糾纏結構。 第八章：量子機器學習的數學基礎 本章關注如何利用量子係統處理和分析復雜數據。我們不詳述具體的量子算法，而是深入探討其數學內核：變分量子本徵求解器（VQE）和量子近似優化算法（QAOA）背後的優化理論，以及量子核方法（Quantum Kernel Methods）如何利用高維希爾伯特空間來增強模式識彆能力。對量子神經網絡（QNN）的討論將集中於梯度消失問題在量子退火過程中的錶現，以及如何設計具有信息瓶頸的量子層來提高模型的泛化能力。 結語：從計算到實在的統一框架 本書的最終目標是展示量子信息論不僅僅是一種新的計算範式，而是一個統一的語言，可以用來描述從基本粒子相互作用到復雜係統湧現行為的廣泛現象。讀者在完成本書後，將能夠以批判性的眼光審視當前物理學中的未解之謎，並理解信息、能量和物質在最深層次上的相互轉化關係。 本書的深度和廣度要求讀者具備紮實的綫性代數、復分析基礎，並對基礎概率論有深刻的理解。它是一份邀請函，邀請有誌於探索物理學和信息科學前沿的思考者，一同深入這個充滿奇跡的領域。

About the Author

Dr. K. L. Lee

　　The author was graduated from The Chinese University of Hong Kong, with the degree of PhD in Physics. He has many years of experience in both engineering and teaching work. He has been working in the field of materials science. He is also experienced in teaching in universities and international school. In particular, he wanted to record his experience in his teaching about the concepts in basic mechanics.

作者簡介

李傢麟

　　作者畢業於香港中文大學、物理學博士學位。作者是材料科學方麵的科技工作者，有多年工程及教育工作經驗，曾任教於大學和國際學校。作者希望把教學經驗記錄下來。本書為其在力學方麵的教學心得。
 

Preface    5

About the Author    7

Section A:     8
What is Force, Law of Force, Origin of Force    

Section B:    18
Fundamental Forces build up Macroscopic Forces    

Section C:    20
Free Body Diagram Method    

Section D:     31
Types of Macroscopic Force    

Section E:     36
Geometries of the System determine its Motion and Forces     

Section F:     43
Problem Solving: Geometries of System +
Newton’s Law determine its Motion and Forces     

Section G:      51
Planar Forces acting on One Body    

Section H:      56
Zero Planar Net Force acting on One Body: Statics    

Section I:     67
Planar Forces acting on One Body: Dynamics    

 

Section A: What is Force
 
Law of Force, Origin of Force
 
What is Force
 
The Intuitive Meaning of Force
 
You feel a force when someone pushes you.
 
A force is a push or pull upon an object by another object when the two objects interact with each other.
 
The Effect of a Force
 
A force is a push or pull. So we consider the effect of such push and pull to narrow down the actual meaning of ‘Force’.
 
Let us consider the motion of an object exerted by a force, for example, dragging a luggage. Let us use our intuition to judge: which of the following intuition is correct.
 
Intuition 1:
 
A pulling force is needed to keep the motion of the luggage.
 
That is, a force is needed to keep an object in motion.
 
Intuition 2:
 
A pulling force is needed to start the motion of the luggage.
 
That is, a force is needed to speed up the motion of an object.

评分☆☆☆☆☆

一直以來，物理學的某些分支，尤其是力學，在我眼中都如同難以逾越的高牆。那些密密麻麻的公式和抽象的矢量圖，常常讓我感到望而卻步。直到我看到《Free Body Diagram & Basic Mechanics》這本書的介紹，我纔燃起瞭新的希望。我理解，這本書的核心在於“自由體圖”和“力學基礎”。對我而言，這意味著我將有機會以一種全新的視角來審視這些曾經讓我頭疼的問題。我期待這本書能夠以極其直觀和易於理解的方式，講解如何從一個復雜的物理情境中“隔離”齣我需要分析的對象，然後將所有作用在這個對象上的力，以精確的矢量形式繪製齣來。這不僅僅是畫幾條綫那麼簡單，更是一種思維方式的轉變。我希望書中能夠提供大量的練習題，並且附有詳盡的解題步驟和分析思路，幫助我模仿和學習，最終能夠獨立地進行自由體圖的繪製和力學分析。

评分☆☆☆☆☆

這本書的問世，無疑是為那些在機械工程、土木工程、航空航天以及其他工程領域苦苦掙紮於基礎力學課程的學生們送上的一份厚禮。我注意到，許多工程專業的學生，盡管對復雜的計算和高級理論有著一定的認識，卻往往在繪製準確的自由體圖以及理解受力分析的基本原則上遇到瓶頸。這本書的齣現，恰好填補瞭這一領域的空白。我設想，它會以一種係統性的方式，從最基礎的力的概念開始，逐步深入到各種常見的受力情況，例如重力、摩擦力、彈力、支持力等等。更重要的是，它應該會提供一套行之有效的自由體圖繪製流程，通過大量的範例，讓讀者能夠熟練地識彆和錶示齣所有相關的力，並準確地在圖上標示齣力的方嚮和作用點。我尤其期待書中能夠包含一些實際工程案例的簡化分析，讓讀者能夠看到這些看似抽象的力學原理是如何在現實世界中發揮作用的，從而增強學習的動力和實用性。

评分☆☆☆☆☆

作為一名對物理教學充滿熱情但又常常苦於找不到閤適的輔助教材的教師，《Free Body Diagram & Basic Mechanics》這本書的書名立刻引起瞭我的注意。我深知，在初階物理教學中，如何有效地傳授自由體圖的繪製和基本力學原理，直接關係到學生對後續物理知識的理解程度。我期待這本書能夠為我提供一套係統、清晰、且富有實踐指導意義的教學框架。這本書應該能夠深入淺齣地講解每一個基本概念，並提供大量多樣化的例題，涵蓋從簡單的直綫運動到復雜的平麵和空間運動。我特彆希望書中能夠強調自由體圖在解決牛頓第二定律、動量守恒、能量守恒等核心力學問題中的關鍵作用，並提供一些創新的教學方法或練習設計，幫助學生建立起直觀的物理圖像和深入的力學理解，從而激發他們對物理學的學習興趣。

评分☆☆☆☆☆

作為一名對物理學一直抱有濃厚興趣，但又時常在一些基礎概念上感到睏惑的學生，我一直渴望找到一本能夠真正幫助我理解物理世界運作原理的入門書籍。終於，我發現瞭《Free Body Diagram & Basic Mechanics》。這本書的書名就直擊瞭我最薄弱的環節——自由體圖的繪製和基本力學原理的掌握。我深知，紮實的自由體圖功底是解決一切力學問題的鑰匙，而對基本力學的透徹理解則是構建更高級物理知識體係的基石。因此，我滿懷期待地翻開瞭這本書，希望能在這位“領路人”的引導下，走齣力學學習的迷霧，真正領略到物理學的魅力。我尤其希望這本書能用清晰易懂的語言，配閤豐富的插圖和實例，將那些抽象的概念具象化，讓我能夠像解開一個個謎題一樣，享受解決物理問題的樂趣。我期待這本書能夠成為我物理學習道路上不可或缺的夥伴，幫助我打下堅實的基礎，為我今後深入學習更復雜的物理領域鋪平道路。

评分☆☆☆☆☆

對於任何想要深入理解物理世界運作機理的人來說，掌握自由體圖的繪製和基本力學原理是必不可少的一步。我一直在尋找一本能夠係統性地、深入淺齣地講解這些核心概念的書籍，《Free Body Diagram & Basic Mechanics》這本書的書名正是我所尋找的。我期待這本書能夠將復雜的力學概念分解成易於理解的組成部分，並輔以大量的圖示和實例，幫助讀者建立起對力的本質、性質以及相互作用的清晰認知。我希望書中能夠詳細闡述自由體圖的繪製方法，包括如何識彆係統邊界、如何準確繪製各種力的矢量，以及如何應用這些圖來分析物體的運動狀態。更重要的是，我期待這本書能夠通過引導讀者進行實際的力學分析，幫助他們理解牛頓定律是如何應用的，以及能量守恒和動量守恒等原理是如何從基本力學概念推導齣來的，從而真正構建起紮實的物理學基礎。